KR100601003B1 - Ｓｏｉ 기판을 이용한 마이크로 렌즈 제작 방법 및 이를이용한 마이크로 컬럼 모듈 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 장비에 사용되는 마이크로 렌즈(micro-lens)의 제작 방법 및 이를 이용한 마이크로 컬럼(micro-column) 모듈 제작 방법에 관한 것이다. 실리콘층에 렌즈 및 전기접점용 구멍이 형성된 SOI(Silicon on Insulator) 기판에 파이렉스 유리(Pyrex glass)를 접합시켜 마이크로 렌즈를 제작하고, 여러 장의 마이크로 렌즈를 다층으로 접합하여 마이크로 컬럼 모듈을 제작한다. SOI 기판을 사용함으로써 실리콘층의 두께를 정확하고 용이하게 제어할 수 있으며, 하나의 기판에 다수의 마이크로 렌즈를 동시에 형성할 수 있다. 또한, 다수의 마이크로 렌즈가 형성된 여러 장의 기판을 다층으로 정렬 및 접합하여 마이크로 컬럼 모듈을 제작하기 때문에 공정이 단순하고 비용이 절감된다.

마이크로 렌즈, 마이크로 컬럼, SOI 기판, 파이렉스 유리, 정렬

Description

ＳＯＩ 기판을 이용한 마이크로 렌즈 제작 방법 및 이를 이용한 마이크로 컬럼 모듈 제작 방법 {Method for manufacturing micro-lens in Silicon On Insulator substrate and method for manufacturing micro-column module using the same}

도 1a 내지 도 1e는 기존의 마이크로 렌즈 제작 방법을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 기존의 방법으로 제작된 마이크로 컬럼 모듈의 단면도.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법을 설명하기 위한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 컬럼 모듈 제작 방법을 설명하기 위한 단면도.

도 5는 본 발명에 따라 다수의 마이크로 렌즈가 제작된 기판의 사시도.

도 6은 본 발명에 따라 제작된 마이크로 컬럼 모듈의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 51: 실리콘 기판 2: 도전층

3: 홈 3a, 53a: 렌즈 구멍

4, 5: 질화실리콘막 6: 개구부

50: SOI 기판 52: 산화층

53: 실리콘층 53b, 53c: 전기접점용 구멍

53d: 고정용 구멍 54: 파이렉스 유리

54a, 54b, 54c, 54d: 구멍 55: 보호필름

101: 정렬마크 110: 마이크로 컬럼

본 발명은 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 장비 등에서 전자빔이나 이온빔을 제어하는 데 사용되는 마이크로 컬럼 모듈의 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 이용한 마이크로 렌즈의 제작 방법 및 이를 이용한 마이크로 컬럼 모듈 제작 방법에 관한 것이다.

마이크로 렌즈는 전자빔이나 이온빔이 통과할 수 있도록 구멍이 형성된 수 마이크로 두께의 박막으로 이루어지며, 제한개구(aperture)나 렌즈 등으로 이용된다. 이와 같은 마이크로 렌즈들을 이용하면 마이크로 컬럼 모듈을 구성할 수 있는데, 마이크로 컬럼 모듈은 마이크로 렌즈를 구성하는 박막에 전압을 인가하여 구멍 사이로 통과하는 전자빔이나 이온빔을 제어하는 장치이다.

도 1a 내지 도 1e는 종래의 대표적인 마이크로 렌즈 제작 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1a를 참조하면, 실리콘 기판(1)의 일면에 보론(boron) 등의 원소가 고농 도로 도핑(doping)된 도전층(2)을 형성한다.

도 1b를 참조하면, 상기 도전층(2)을 패터닝한 후 노출된 부분의 상기 실리콘 기판(1)을 소정 깊이 식각하여 렌즈가 될 홈(3)을 형성한다.

도 1c를 참조하면, 상기 홈(3)이 매립되도록 상기 실리콘 기판(1)의 양면에 질화실리콘(Si₃N₄)막(4 및 5)을 형성한다.

도 1d를 참조하면, 상기 실리콘 기판(1)의 다른 일면에 형성된 질화실리콘막(5)을 패터닝한 후 수산화칼륨(KOH) 용액 등으로 노출된 부분의 실리콘 기판(1)을 식각하여 상기 홈(3)을 포함하는 도전층(2)의 일부가 노출되도록 개구부(6)를 형성한다. 이 때 상기 식각용액에 식각되지 않는 상기 질화실리콘막(4)에 의해 개구부(6)의 실리콘 기판(1)만 선택적으로 식각된다.

도 1e를 참조하면, 상기 실리콘 기판(1)의 양면과 상기 홈(3)에 매립된 질화실리콘막(4 및 5)을 제거하여 전자빔이나 이온빔이 통과할 렌즈 구멍(3a)을 형성하므로써 마이크로 렌즈가 제작된다.

상기와 같은 과정을 통해 제작된 여러 장의 마이크로 렌즈들을 아노딕(anodic) 접합 방법으로 구멍이 뚫려 있는 파이렉스(pyrex) 유리(10)에 도 2와 같이 접합하여 마이크로 컬럼을 제작할 수 있다.

하지만 상기 종래의 방법은 식각 공정을 이용하기 때문에 마이크로 렌즈의 두께를 균일하고 정밀하게 조절하기 어렵고, 2 내지 3장의 마이크로 렌즈들을 접합할 때 구멍을 정밀하게 정렬시키기 어려우며, 여러 장의 마이크로 렌즈들을 동시에 접합할 수 없는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 실리콘 기판, 절연층 및 실리콘막으로 이루어지는 SOI 기판의 실리콘층에 다수의 마이크로 렌즈를 제작하고, 마이크로 렌즈가 제작된 다수의 기판들을 접합하여 마이크로 컬럼 모듈을 제작하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 마이크로 렌즈 제작 방법 및 마이크로 컬럼 제작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법은 제 1 실리콘층, 절연층 및 제 2 실리콘층으로 이루어진 제 1 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 2 실리콘층에 렌즈 구멍과 전기접점용 구멍을 각각 형성하는 단계와, 제 2 기판에 상기 렌즈 구멍 및 전기접점용 구멍과 일치되도록 다수의 구멍들을 형성하는 단계와, 상기 제 2 실리콘층의 표면에 상기 제 2 기판을 접합하는 단계와, 상기 제 2 기판의 표면에 보호필름을 접착하는 단계와, 상기 제 1 실리콘층 및 절연층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 컬럼 제작 방법은 상기의 방법으로 다수의 마이크로 렌즈를 제작하는 단계와, 상기 다수의 마이크로 렌즈를 적층 구조로 정렬하여 접합하는 단계와, 상기 제 2 실리콘층에 형성된 전기접점용 구멍과 상기 제 2 기판에 형성된 구멍을 통해 원하는 마이크로 렌즈에 전압을 인가하기 위한 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 실리콘층에 다수의 고정용 구멍과 정렬마크용 구멍을 더 형성하 며, 상기 제 2 기판에 다수의 고정용 구멍과 정렬마크용 구멍을 더 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 기판은 파이렉스 유리로 이루어지며, 상기 제 2 실리콘층에 형성되는 전기접점용 구멍은 상기 제 2 기판에 형성되는 구멍보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 실리콘 기판, 절연층 및 실리콘막으로 이루어지는 SOI 기판을 이용한다. SOI 기판의 얇은 실리콘층에 렌즈 및 전기접점을 위한 구멍을 형성하고, 상기 실리콘막에 파이렉스 유리를 접합하여 마이크로 렌즈를 제작한다. 본 발명의 마이크로 렌즈는 마이크로 제한개구(aperture)나 정전기 렌즈, 아인젤(einzel) 렌즈 등으로 이용될 수 있다. 또한, 상기와 같이 제작된 여러 장의 마이크로 렌즈를 접합하면 나노 전자빔 제어 등에 필요한 마이크로 컬럼 모듈을 용이하게 제작할 수 있다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 제작 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 먼저, 실리콘 기판(51), 산화층(52) 및 실리콘층(53)으로 이루어지는 SOI 기판(50)을 준비한다. 마이크로 렌즈의 표면이 될 실리콘층(53)의 두께는 5 내지 10㎛ 정도가 되도록 한다.

도 3b를 참조하면, 소정의 마스크를 이용한 RIE(Reactive Ion Etching) 공정으로 상기 실리콘층(53)에 렌즈 구멍(53a)과 전기접점용 구멍(53b 및 53c)을 형성 한다. 이 때 상기 실리콘층(53)에 마이크로 컬럼 모듈 제작시 고정을 위해 필요한 다수의 고정용 구멍(도 6의 부호 53d)을 같이 형성할 수 있으며, 상기 실리콘층(53)의 주변부에는 기판(50) 간의 정렬을 용이하게 하기 위해 구멍 형태의 정렬마크(도 5의 부호 101)를 형성할 수 있다.

상기 RIE 공정을 위한 마스크로는 산화실리콘막과 질화실리콘막을 이용할 수 있다. 상기 실리콘층(53) 상에 산화실리콘막과 질화실리콘막을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 패터닝하여 마스크를 형성한다.

상기 렌즈 구멍(53a)은 원형으로 형성하며, 상기 전기접점용 구멍(53b 및 53c)은 예를 들어, 사각 형태로 형성할 수 있는데, 배선 작업시 접점과 관계없는 다른 층과의 단락이 방지되도록 하기 위해 파이렉스 유리(54)에 형성되는 구멍(54b 및 54c)보다 더 넓게 형성하는 것이 바람직하다.

도 3c를 참조하면, 상기 렌즈 구멍(53a) 및 전기접점용 구멍(53b 및 53c)과 일치되도록 구멍(54a 및 54b, 54c)이 형성된 파이렉스 유리(54)를 상기 패터닝된 실리콘층(53)의 표면에 아노딕(anodic) 접합한다. 그리고 상기 파이렉스 유리(54)의 구멍(54a 및 54b, 54c)을 통해 오염 물질이 유입되지 않도록 상기 파이렉스 유리(54)의 표면에 보호필름(55)을 접착한다. 상기 파이렉스 유리(54)의 구멍(54a 및 54b, 54c)은 미리 가공해 두는 것이 바람직하며, 구멍(54a 및 54b, 54c)의 크기는 렌즈에 큰 영향을 미치지 않으므로 정밀도를 요구하지 않는다. 그러나 마이크로 컬럼 모듈 제작시 고정에 필요한 구멍(도 6의 부호 54d)은 높은 수준의 정밀도를 유지하도록 해야 한다.

도 3d를 참조하면, 상기 실리콘 기판(51)의 소정 두께를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 충분히 연마하여 제거한다. 이때, 상기 실리콘 기판(51)은 제거되고 남는 두께가 얇으면 얇을수록 좋다. 왜냐하면 하단에 있는 산화층(52)을 제거하기 위해서는 상단에 잔류되는 실리콘 기판(51)이 얇을수록 유리하기 때문이다. 그러나, 상기 실리콘 기판(51)의 제거시에 하부에 있는 실리콘층(53)에 까지 손상이 발생될 수 있으므로, 이를 막기 위해 소정의 두께를 남기게 된다. 이 소정의 두께는 산화층(52)의 제거에 용이하면서도 하부에 있는 실리콘층(53)의 손상을 최대한 막을 수 있는 두께여야 한다.

도 3e를 참조하면, 잔류된 실리콘 기판(51)과 산화층(52)을 제거한다. 상기 산화층(52)을 식각하면서 잔류된 실리콘 기판(51)을 떼어 내면 상기 렌즈 구멍(53a)과 전기접점용 구멍(53b 및 53c)이 형성된 상기 실리콘층(53)과 상기 렌즈 구멍(53a) 및 전기접점용 구멍(53b 및 53c)과 일치되도록 구멍(54a 및 54b, 54c)이 형성된 파이렉스 유리(54)가 접합된 마이크로 렌즈가 완성된다.

상기 도 3a 내지 도 3e의 공정으로 예를 들어, 3장의 SOI 기판(50)에 각각 다수의 마이크로 렌즈를 제작하고, 각각의 SOI 기판(50)의 좌우에 형성된 구멍 형태의 정렬마크(도 5의 부호 101)가 서로 일치되도록 3장의 SOI 기판(50)을 정렬한 후 아노딕 접합하면 도 4와 같이 마이크로 컬럼 모듈을 제작할 수 있다.

본 실시예에서는 예를 들어, 하부에 위치하는 마이크로 렌즈의 실리콘층(53)과 접점을 형성하도록 구멍(53c)이 형성되었으며, 중간에 위치하는 마이크로 렌즈의 실리콘층(53)과 접점을 형성하도록 구멍(53b)이 형성되었다. 따라서 필요에 따라 마이크로 렌즈의 제작 과정에서 각 실리콘층과 파이렉스 유리의 적절한 위치에 전기접점용 구멍을 형성하면 된다. 상기 구멍(53b 및 53c)을 통해 도전물질로 배선을 형성하여 원하는 실리콘층(53)과의 전기적 연결을 이룬다. 여러 층의 마이크로 렌즈를 접합할 때 렌즈 구멍(53a)의 정렬도는 마이크로 컬럼의 성능을 좌우하는 민감한 부분이므로 높은 정밀도를 유지해야 한다.

상기와 같은 제작 과정을 통해 본 발명은 다수의 마이크로 렌즈를 도 5와 같 이 하나의 SOI 기판(50)에 웨이퍼 레벨로 제작할 수 있으며, 여러 장의 SOI 기판(50)을 적층하여 마이크로 컬럼 모듈을 구현할 수 있다.

도 5와 같이 다수의 마이크로 렌즈가 제작된 기판(50)을 여러 장 적층하여 정렬시키면 마이크로 컬럼을 구현할 수 있는데, 다수의 마이크로 컬럼 중 하나의 마이크로 컬럼(110)을 상세히 나타내면 도 6과 같다.

렌즈 구멍(53a), 전기접접용 구멍(53b 및 53c), 다수의 고정용 구멍(53d)이 형성된 실리콘층(53)과, 상기 각 구멍(53a, 53b, 53c, 53d)과 일치되도록 구멍(54a, 54b, 54c, 54d)이 형성된 파이렉스 유리(54)로 이루어지는 3장의 마이크로 렌즈가 적층된 상태로 정렬 및 접한된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 실리콘 기판, 절연층 및 실리콘층으로 이루어지는 SOI 기판을 이용한다. SOI 기판의 실리콘층에 렌즈 및 전기접점용 구멍을 형성하고, 상기 실리콘층의 표면에 파이렉스 유리를 접합시켜 마이크로 렌즈를 제작한다. 상기와 같이 제작된 여러 장의 마이크로 렌즈를 다층으로 정렬 및 접합하여 마이크로 컬럼 모듈을 제작한다. 따라서 SOI 기판을 사용함으로써 실리콘층의 두께를 정확하고 용이하게 제어할 수 있으며, 하나의 기판에 다수의 마이크로 렌즈를 동시에 형성하고, 다수의 마이크로 렌즈가 형성된 여러 장의 기판을 다층으로 정렬 및 접합하여 마이크로 컬럼 모듈을 제작하기 때문에 공정이 단순해지고 비용이 절감될 수 있다.

Claims (7)

1. a) 제 1 실리콘층, 절연층 및 제 2 실리콘층으로 이루어진 제 1 기판을 준비하는 단계와,

   b) 상기 제 2 실리콘층에 렌즈 구멍과 전기접점용 구멍을 각각 형성하는 단계와,

   c) 제 2 기판에 상기 렌즈 구멍 및 전기접점용 구멍과 일치되도록 구멍들을 형성하는 단계와,

   d) 상기 제 2 실리콘층의 표면에 상기 제 2 기판을 접합하는 단계와,

   e) 상기 제 2 기판의 표면에 보호필름을 접착하는 단계와,

   f) 상기 제 1 실리콘층 및 절연층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제작 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 b)에서 상기 제 2 실리콘층에 적어도 1개 이상의 고정용 구멍과 정렬마크용 구멍을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제작 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 단계 c)에서 상기 제 2 기판에 상기 제 2 실리콘층에 형성된 고정용 구멍 및 정렬마크용 구멍에 일치되는 고정용 구멍과 정렬마크용 구멍을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제작 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판은 파이렉스 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제작 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 실리콘층에 형성되는 전기접점용 구멍은 상기 제 2 기판에 형성되는 구멍보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 제작 방법.
6. 삭제
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법으로 적어도 1개 이상의 마이크로 렌즈를 제작하는 단계와,

   상기 제작된 마이크로 렌즈를 적층 구조로 정렬하여 접합하는 단계와,

   상기 제 2 실리콘층에 형성된 전기접점용 구멍과 상기 제 2 기판에 형성된 구멍을 통해 원하는 마이크로 렌즈에 전압을 인가하기 위한 배선을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 컬럼 제작 방법.

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