KR100723330B1 - 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법에 관한 것으로 기판상에 BPSG유리막을 도포하거나 또한 BPSG유리층을 증착하고 필요에 따라 열처리함으로써, 투명한 유리막을 형성하는 제1단계; 형성된 유리막에 절단톱을 사용하여 유리막과 기판 일정 깊이까지 도랑 또는 돌출되게 일정 패턴으로 마이크로렌즈 단위셀을 형성하는 제2단계; 마이크로렌즈 단위셀을 가열해 열유동시켜 렌즈구면을 형성하는 제3단계를 거치는 것으로, 마이크로렌즈의 비점수차나 구면수차 등의 렌즈수차들을 교정할 수 있도록, 상기 1단계에서 BPSG 유리층의 깊이에 따른 붕소농도의 분포를 조절하는 방법, 상기 제2단계의 열 유동 과정에서 특별한 모양의 렌즈셀 패턴을 사용하는 방법, 그리고 상기 제3단계에서 스퍼터 에칭을 부가 실시함으로써 렌즈면의 경사각에 따라 렌즈면의 식각률이 변하게 하는 방법 등을 사용하여 렌즈곡면의 형태를 정밀하게 제어하여 구면 또는 비구면 마이크로렌즈 곡면을 제작하는 방법이 제공되도록 하는 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법에 관한 발명이다.

마이크로렌즈, BPSG, 붕소-인-규산유리, 다이싱, 열 유동, 리플로우, 비점수차, 구면수차, 비구면, 스퍼터 에칭

Description

굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법{The precise manufacturing method of a curved surface for refractive glass mirolense}

도 1은 종래의 마이크로렌즈를 나타낸 평면도.

도 2는 종래의 방법으로 제작된 마름모형 마이크로렌즈의 절단된 투시도.

도 3은 본 발명의 실시에 따른 볼록모양 마이크로렌즈 곡면 제작법의 공정순서를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 실시에 따른 오목모양 마이크로렌즈 곡면 제작법의 공정순서를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 방법에 따라 유리막의 조성을 연속적으로 변화시키며 쌓아 비구면 렌즈가 형성되게 하는 렌즈면 성형방법을 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 방법으로 마이크로렌즈를 배열할 때 이용 가능한 타일링(tiling) 패턴의 예시를 나타낸 평면도.

도 7은 본 발명의 방법에 따라 스퍼터 에칭의 효과를 이용하여 포물면과 같은 비구면 렌즈가 형성되게 하는 렌즈면 성형방법을 나타낸 평면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31: 기판 32: BPSG유리층

33;33a;33b: BPSG유리막 34: 렌즈셀

34a:렌즈셀 격벽 35:도랑(trench;절단구)

36: 볼록모양 마이크로렌즈 37:오목모양 마이크로렌즈

40:열 유동(thermal reflow)

51: 적층식 유리막 52:적층식 렌즈셀

53: 적층식 구면 마이크로렌즈

71: 스퍼터 에칭 72:비구면 마이크로렌즈

본 발명은 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법에 관한 것으로, 굴절형 유리 마이크로렌즈의 곡면을 정밀하고 손쉽게 제어할수 있는 제작방법을 제공하고자 하는 것이다.

마이크로렌즈(microlense)는 마이크로 표시장치(Display) 등과 같이 반복적으로 배열되는 소형 광집속 광학시스템을 구현하는데 있어서, 가장 기본적인 구성요소이며, 적용 분야에 따라 그 크기가 수 ㎛에서 수 ㎜까지 다양한 크기를 가지며 광의 확산 및 스크린 응용, 광통신용 레이저로부터 광섬유로 광의 커플링(couplering), 빛의 통로를 나누는 광분기, 또는 빛을 파장별로 나누는 광분파 등에 사용되거나, 평판 디스플레이(flat panel display:FPD), 검출기 어레이(detector array)등을 포함한 광범위한 분야에서 활용되고 있다.

종전 선원기술인 국내공개특허2002-0035485호에서 채택한 종전의 마이크로렌 즈(microlense)는 도 1과 같이 광을 집속(focusing)할 수 있는 임의의 소형 광학적 구조를 의미하며, 백 개, 천개, 또는 그 이상의 렌즈셀을 배열시켜 어레이 구조로서 활용하기도 한다.

상기에서 각 렌즈셀은 규칙적으로 배열된 다각형의 매트릭스 모양으로 배열된다. 도 1의 원형 영역(14)은 마이크로렌즈를 나타내며, 이는 가상선(17)내의 정사각형 영역을 차지한다. 마이크로렌즈(14)와 다른 인접한 마이크로렌즈 사이에는 최소한의 간격(16;18)이 요구되며 이러한 최소한의 간격이 확보되지 않는다면, 마이크로렌즈(14)들이 녹는 동안에 인접한 셀과 함께 붙어 하나의 방울을 형성하므로, 그들을 서로 명확히 식별할 수가 없게 됨을 의미한다.

또한, 마이크로렌즈는 응용에 따라서는 정밀한 프로파일(profile)의 렌즈가 필요하며 균질성과 고품질을 요구한다. 효과적으로 광을 포커싱하기 위해서 렌즈 프로파일(또는 새그함수; sag function)은 예를 들면 λ/4와 동일하거나 또는 그 이상으로 정확하게 제조되어야 한다. 여기서, λ는 렌즈에 사용되는 광의 파장이다.

또한, 마름모형 마이크로렌즈의 경우 도2에 도시된 바와 같이 기하학적 단면 구조를 갖는 마이크로렌즈의 절단 투시도를 참고하면, 포토레지스트 기둥이 녹아 리플로우되어 비원형 구경(abcd 위에 투영한 정사각형)을 수용한 포토레지스터 기둥을 고려하면, 그 형성된 마이크로렌즈(20)는 중심축 L에 대해 회전대칭형이 아닌 비구면으로 마름모형의 마이크로렌즈를 2회 절단하여 파이형웨지를 제거함으로써, 2개의 상이한 평면으로 그 표면의 굴곡을 뚜렷하게 볼 수 있게 한 것으로, 제1절단 면(22)는 마이크로렌즈의 정사각형 변에 평행하게 절단하여 얻은 것이고, 제2절단면(24)은 정사각형 구경을 대각선으로 코너에서 코너를 따라 평면절단하여 얻은 것으로, 그 제조는 다각형 구경을 웨팅하여 미세방울의 리플로우에 의해 형성된 최소면적은 전혀 구면의 세그먼트가 아닌것은 도 2의 절단면(22)에 접경한 호(28)는 높이가 h인 마름모형 마이크로렌즈(20)의 정점으로부터 한변까지 경사져 있다. 호(30)는 동일하게 경사져 있으나, 경사진 길이는 필수적으로 중심축에 대해 회전대칭인 표면의 특성이 아니기 때문에 미세방울의 표면장력은 다각형 테두리의 미세방울을 구면표면으로 형성하지 못하는 이유로 초점영역이 넓어 다각형 리플로우 마이크로렌즈의 성능이 저함됨을 소개하고 있다.

참고로 마이크로렌즈는 사용파장에 따라 가시광선 영역과 근적외선 영역으로 나눌 수 있으며, 또한 사용된 기술적 방법에 따라 회절효과를 이용한 프레넬(Fresnel)형 마이크로렌즈와 전통적인 굴절형 마이크로렌즈로 분류할 수 있다.

회절형 마이크로렌즈의 경우 렌즈의 부피 및 무게를 최소화 할 수 있는 장점을 갖고 있으나, 광학적 특성은 굴절형 마이크로렌즈가 더 우수한 것으로 알려져 있다.

한편, 가시광 영역에서 사용하는 굴절형 마이크로렌즈는 포토레지스트 (photoresist) 또는, PMMA(polymethyl-metaacrylate)등의 폴리머나 수지재료를 200 도 전후의 온도로 가열용융하여 용융재료의 표면장력으로 둥근 렌즈면을 만드는 열 유동 방법(thermal reflow using surface tension), 등방성 식각 실리콘을 금형으로 플라스틱을 몰딩하는 방법(plastic molding with isotropic etching of silicon),유리기판에서의 이온교환법(selective ion exchange in a glass substrate)등의 제작방법들이 이용되고 있다.

등방성 실리콘 식각 및 몰딩을 이용하여 마이크로렌즈를 제작하는 방법은 다른 방식에 비하여 마이크로렌즈의 제조가 용이하다는 장점이 있으나, 여러 단계를 거치므로 제작비용이 높고 제조시간이 비교적 많이 소요되어 생산성이 저하되고 마이크로렌즈 외면이 매끄럽지 못하여 정밀성이 저하되는 문제가 있다.

이온 교환법(Ion exchange method)을 이용하는 마이크로렌즈의 제작방법은 다성분계 유리 기판 위에서 이온교환으로 굴절률을 증가시킴으로써 마이크로렌즈를 얻는 방법이다.

이 방법은 그 제조 특성상, 렌즈의 간격에 대비하여 렌즈의 지름을 크게 할 수 없으므로 큰 개구수(NA)의 렌즈를 만들기가 어렵고, 유리기판의 종류에 따라 서로 다른 이온교환 공정이 필요하다.

따라서 제조장치의 제작조건을 주의 깊게 고려하지 않으면 각 로트(lot)마다 같은 품질의 렌즈를 제작하기 어렵다.

또한, 이온교환을 위하여 알칼리 유리가 기판 재료로 주로 사용되며 알칼리 이온은 반도체를 쉽게 오염시키므로 반도체 기반의 공정 및 장비들에 부적합하다.

그리고 유리기판의 열팽창 계수가 다른 광전자 소자 기판의 열팽창 계수와 매우 다르기 때문에 마이크로렌즈와 이 소자들 간에 기계적 부정합이 발생하기가 쉽다.

상기의 등방성 실리콘 식각 및 몰딩을 이용하는 방법과 이온교환법에 비하여 표면장력을 이용한 폴리머 열 유동 방법은 간단하고 고품질의 렌즈를 만들 수 있어, 다른 굴절형 마이크로렌즈 제작방법보다 가장 널리 사용된다.

또한, 파장 1 미크론 이상의 근적외선 영역의 굴절형 마이크로렌즈 역시, 주로 폴리머를 재료로 하는 열 유동 방법으로 유리기판에 렌즈를 만든 다음, 이 패턴으로 건식 식각을 하여, 폴리머 렌즈 패턴의 형상을 유리기판에 전사하는 패턴 트랜스퍼 에칭(Pattern Transfer Etching)방식이 주로 사용된다.

이와같이 유리는 광학재료로서 오랫동안 널리 사용되어 왔을 뿐만 아니라 지금도 가장 보편적으로 사용되는 중요한 광학재료이다. 이러한 유리재료를 사용하여 통상 수십 내지 수천 미크론 정도의 크기인 마이크로렌즈를 반도체 공정기술을 이용하여 제작하고자 한다면, 알칼리 금속산화물을 사용하지 않는 수 내지 수백 미크론의 두꺼운 유리막을 수 내지 수백 미크론 정도의 원하는 형상으로 가공하는 반도체 가공공정 (또는 MEMS 기술)이 필요하다.

그러나 지금까지 마이크로렌즈는 주로 폴리머의 열 유동으로 가시광 영역의 마이크로렌즈를 만들거나, 이를 건식식각하여 하부 유리층에 전사시켜 가시광 또는 적외선 영역의 마이크로렌즈를 만들었으며, 알칼리 성분이 없는 후막 실리카를 주재료로 하여 섭씨 1000도 정도의 고온에서 유리를 직접 열 유동시켜 수십 내지 수천 미크론 크기의 마이크로렌즈를 제작한 경우는 매우 드물다.

이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는

1) 반도체 공정을 이용할 수 있도록 알칼리 성분이 없는 1000도 내외의 온도 에서 열 유동이 가능한 재료로 수십 내지 수백 미크론 정도로 두껍고 투명한 광학용 마이크로렌즈 유리를 개발하는 것이고,

2) 일반적인 반도체 가공기술에서 쉽지 않은 수백 미크론 정도의 크기 구조를 갖는 마이크로렌즈의 손쉬운 제작을 위한 패턴가공 공정을 개발하는 것이고,

3) 마이크로렌즈 곡면의 정밀한 제어가 용이하며, 보다 다양한 비구면 마이크로렌즈를 손쉽게 제작하는 방법을 개발하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음의 세 단계로 구성된다.

1)마이크로렌즈용 유리막 형성단계

기판(31) 위에 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 얇은 유리판들을 덧붙이거나, 수 내지 수백 미크론 두께의 BPSG 유리막(33)을 도포하거나, BPSG 유리층(32)을 증착하는 수단중 선택되는 어느 한 수단을 통한후, 열처리함으로써 투명한 BPSG 유리막(33)을 형성하는 제1단계와

2) 마이크로렌즈 단위셀 형성단계

제 1단계에서 형성된 BPSG 유리막(33)에 절단톱(dicing saw)을 사용하여 BPSG 유리막 표층깊이 까지만 도랑(35;trench;절단구)을 내 여러 개의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)을 형성하거나, 같은 방법으로 BPSG 유리막이 격자모양으로 돌출되게 도랑(35)을 넓게 내 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)으로 일정 패턴의 마이크로렌즈 단위셀을 형성하는 2단계;

3) 렌즈구면 형성단계

제2단계의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)로는 가열함으로써 열유동(40)시켜 볼록모양의 마이크로렌즈(36)을, 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)로는 가열함으로써 열유동(40)시켜 오목모양 마이크로렌즈(37)로 렌즈구면을 형성하는 3단계를 거쳐 완성된다.

또한, 이 발명에서는 마이크로렌즈의 비점수차나 구면수차 등 렌즈수차들을 교정할 수 있도록,

상기 제1단계 공정에서 BPSG 유리층(32)로 부터 깊이에 대한 붕소 농도분포 조절로서 렌즈구면의 모양을 조절하는 방법과,

상기 제2단계 공정에서 특별한 모양의 렌즈셀 패턴을 사용함으로써 열 유동 과정에서 렌즈곡면을 제어하는 방법,

그리고 상기 3단계 공정에서 스퍼터 에칭을 부가하여 실시함으로써, 스퍼터 에칭시 렌즈면의 경사각에 따라 식각률이 변하게 하는 방법으로 렌즈곡면 모양을 제어하는 등의 적층식 구면 마이크로렌즈(53) 또는 비구면 마이크로렌즈(72)의 정밀제어 및 제작법이 이 발명에서 제공된다.

이하에서, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 총 3 개의 단계로 이루어지며, 도 3을 참조하여 각 단계별 처리방법을 공정순에 따라 설명하면 다음과 같다.

[기판(31) 위에 마이크로렌즈용 BPSG 유리막(33)을 형성하는 제1단계]

마이크로렌즈용 유리막(33)은 기판보다 낮은 온도에서 용융이 가능하여야 하고 기판(31)과의 열팽창률의 차이가 적을수록 좋다. 또한 유리막(33) 성형시 표면이 매끄럽고 투명하며, 충분한 두께의 후막을 얻을 수 있는 방법이 바람직하다. 여기서는 이 같은 조건을 잘 만족시키는 유리계로 BPSG 유리를 선정하였다.

기판(31) 위에 BPSG 유리막(33)을 성형하는 방법에는 기판에 붕소-인-규산 유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 얇은 유리판들을 덧붙이거나, SOG(spin-on-glass)등을 사용하여 수 내지 수백 미크론 두께의 BPSG 유리막(33)을 도포하거나, 졸겔증착법, 또는 에어로졸증착법 등으로 BPSG 유리층(32)를 증착하고 또한 필요에 따라 열유동(40)시켜 만들 수 있다.

유리판 덧붙이기, SOG 도포법, 졸겔증착법은 이미 널리 공지되어 있으므로, 본 단계에 대한 상세한 설명은 생략하고 에어로졸 증착법을 예시로 하여 본 발명을 설명한다.

에어로졸 증착법은 마이크로렌즈의 제작에 필요한 수십 내지 수백 미크론의 후막을 다른 방법에 비하여 매우 빠르게 만들 수 있는 장점이 있다. 그러나 제작된 막은 다음에서 설명하는 바와 같이 유리 미립자로 이루어진 막으로서 투명한 막으로 만들려면 가열함으로써 열처리 공정을 부가적으로 실시하여야 한다.

본 실시예의 경우에는, 상기 유리막(33) 재료로는 에어로졸 화염증착법(aerosol flame deposition; AFD) 방법을 이용하여 붕소-인-규산유리 (Boro-phospho- silicate glass; BPSG)에 탄탈륨이나 게르마늄 산화물을 적정 비율로 혼 합하여 반응 처리된 실리카 유리미립자(silica fine glass particles; soot)형태의 것을 이용한다.

상기 유리층(32)을 기판(31) 위에 증착하는 방법은 다음과 같다. 토치(torch)를 통하여 발생시킨 산소와 수소의 화염분위기 중앙에 반응물질인 SiCl4 GeCl4등의 염화물을 이송기체인 헬륨(He)을 사용하여 일정한 온도에서 기화시켜 흘려 넣고, B(OCH3)3, P(OCH3)3 등의 알콕사이드(alc-oxide) 화합물들을 초음파분무를 이용하여 에어로졸 입자로 만들어 이송기체인 헬륨(He)을 사용하여 흘려 넣어, 화염분위기 속에서 반응시켜 유핵화(nucleation)시킨다.

이때 생긴 미립자는 브라운 운동으로 인한 충돌로 응집되어 그 크기가 커지게 되고, 여러 크기로 구성된 다분산입자(polydisperse particles)들을 상기의 화염분위기 하에서 약 200℃로 유지된 기판(31)을 고르게 회전시키면서 열 영동(thermophoresis) 메커니즘에 의해 기판(31)에 증착시킨다. 이때 산·수소의 불꽃 온도는 1600℃로 유지하였으며, 유리층(32)의 두께가 일정하게 증착되도록, 유리층(32)을 분사하는 산·수소 토치(torch)의 이동을 로봇 콘트롤러(robot controller)로 정밀 제어한다.

상기의 에어로졸 화염증착법으로 기판(31) 위에 증착된 유리층(32)은 입자 크기가 대략 0.1 ㎛에서 1 ㎛인 유리 미립자의 실리카 막이다. SOG나 화학기상증착법으로 막을 형성한 경우에는 투명한 유리막(33)이 바로 만들어지나, 에어로졸증착법은 미립자막이 만들어지므로 이 같은 미립자 막은 광학적으로 투명하지 못하다. 따라서 열처리하여 용융시켜 투명한 BPSG 유리막(33)으로 성형하여야 한다.

본 실시 예의 경우 기판(31) 위에 증착된 미립자 유리층(32)을 1000℃ 내외의 온도에서 고밀화 공정(sintering)을 실시하였으며 이때의 고밀화 메커니즘은 다음과 같다.

실리카 유리미립자(silica fine glass particles, soot)의 고밀화는 Viscous 소결(Suk-Joong Kang. "Sintering". 1997. Science Press 참조)이라 할 수 있으며, 입자의 성장에 따른 계면 에너지 감소에 의하여 발생되는 에너지가 입자의 유동(viscous flow)에 필요한 에너지를 제공하게 되어 고밀화가 진행된다. 즉 입자의 표면 에너지를 낮추기 위해 진행되는 공정이다.

한편, 상기 유리층(32)은 에어로졸 화염증착법(AFD)에 의해 형성된 실리카 유리미립자(silica fine glass particles, soot)를 200℃에서 2시간 동안 탈수과정, 850℃에서 1시간 동안 재배열과정, 그리고 최종적으로 고밀화 온도에서 5시간 동안 열처리시킨 후, 1100℃까지 15℃/min, 200℃까지 3℃/min의 서냉 조건으로 상온까지 냉각시켜 유리 미립자 간에 존재하는 버블(bubble) 및 보이드(void) 같은 결함을 제거하여 투명한 BPSG 유리막(33)을 형성한다.

[마이크로렌즈 단위셀을 형성하는 제2단계]

마이크로렌즈(36)를 구성하기 위해서는, 도6에 도시한 바와 같이, 정사각격자형(a),직사각격자형(b),육각격자형(c)과 같이 BPSG 유리막(33)에 일정한 주기의 패턴을 형성해야 한다. 본 실시 예에서는 기판의 표층상의 BPSG 유리막(33)의 일정 깊이를 단위 마이크로렌즈 셀의 간격에 해당하는 절단톱날(dicing blade)의 폭을 선정하고, 절단 깊이를 BPSG 막(33)의 두께보다 약간 크게 조절하여 절단톱(dicing saw)으로 다이싱(dicing)하여, BPSG 유리막(33)에 규칙적인 모자이크형 패턴(도 6 a,b,c)으로 각 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)을 만들었다. 절단 톱날은 U자 혹은 끝이 날카로운 V자 모양의 것을 주로 사용하며, V자 모양의 톱날은 필요한 렌즈 셀의 간격이 작을 경우나 열 용융 과정에서 구형의 렌즈가 잘 형성되도록 렌즈를 형성할 유리 셀의 상부와 하부의 단면 폭의 비를 조절할 필요가 있을 때 주로 사용된다. 절단톱날 끝의 단면은 전기방전 등의 방법으로 원하는 모양으로 성형하여 사용한다.

삭제

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본 발명에서는, 상기 제1단계 공정에서 형성된 BPSG 유리막(33)에 절단톱(dicing saw)을 사용하여 유리막 표층깊이까지만 도랑(35;trench; 절단구)을 내, 도6에 도시한 바와 같이, 정사각격자형(a),직사각격자형(b),육각격자형(c)과 같이 일정한 주기의 패턴을 형성해 여러 개의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)로 볼록모양 마이크로렌즈(36)을 형성하거나, 같은 방법으로 BPSG 유리막(33)이 격자모양으로 돌출되게 도랑(35)을 넓게 내 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)으로 정사각격자형(a),직사각격자형(b),육각격자형(c)과 같이 일정한 주기의 패턴을 형성해 오목모양 마이크로렌즈(37)을 형성하는 방법도 있으며, 기타 상기 방법들의 조합으로 다양한 곡면을 갖는 렌즈를 만들 수 있다.

[렌즈구면 형성하는 제3단계]

제2단계의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)로는 가열함으로써 열유동(40)시켜 볼록모양의 마이크로렌즈(36)을, 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)로는 가열함으로써 열유동(40)시켜 오목모양 마이크로렌즈(37)로 렌즈구면을 형성하는 3단계를 거쳐 완성된다.

임의의 기판 상에 액체가 놓이게 되면 액체 표면은 표면장력에 의해 구면을 이루려는 원리를 이용한 열 유동 메커니즘을 통하여, 도 6에 도시된 예와 같이, BPSG 유리막(33)에 형성된 각 단위 렌즈셀(34)의 규칙적인 모자이크형 패턴을 복수의 볼록모양 마이크로렌즈(36)를 형성할 수 있다.

본 실시예의 경우 BPSG 유리막(33)에 정사각격자형(a),직사각격자형(b),육각격자형(c)의 각 단위 렌즈셀(34) 형태의 모자이크 패턴을 고온전기로에서 적정 온 도로 재차 열처리(40)하여 표면이 매끄럽게 처리된 볼록모양 마이크로렌즈(36)를 형성한다.

이때 형성되는 렌즈 곡면은 기판에 접촉하고 있는 렌즈 셀의 모양에 따라 크게 달라진다. 절단톱날로 가공이 가능한 마이크로렌즈 패턴 예시를 그림 6에 나타내었다. 일반적으로 유리막의 두께가 두꺼울수록 렌즈의 구면은 구에 가깝고 유리막의 두께가 얇을수록 렌즈의 구면은 그 꼭지점 부근에서 왜곡이 쉽게 일어난다.

이 같은 렌즈곡면의 왜곡을 최소화하기 위하여 절단톱의 공정을 사용하여 쓸 수 있는 육각형의 모양을 예시하였으며, 또한 마이크로렌즈의 가로와 세로 크기의 차이를 이용하여 비점수차를 작게 하는 렌즈제작법이 소개 된다.

또한, 상기 실시예를 통하여 도 5와 같이 각각 굴절률과 같은 물성이 다른 유리막으로 적층식 BPSG유리막(51)을 증착하여 절단톱으로 소정깊이를 조절하여 홈을 형성한 후 제작된 적층식 렌즈셀(52)을 적층식 유리막(51)의 용융온도와 기판(31)의 용융온도 사이에서 기판(31)의 열처리 온도를 차등설정하여 열유동(40)함으로써, 적층식 단위 렌즈셀(52) 내에서 국부적으로 굴절률이 변하게 하거나 용융온도의 차이에 의하여 곡률이 국부적으로 달라지게 함으로써, 렌즈면을 형성하는 적층식 구면 마이크로렌즈(53)를 제작할 수 있다.

또한, 막의 깊이 방향으로 붕소농도가 제어되게 분포한 막을 습식식각으로 에칭함으로써 렌즈 단면을 제어하는 BPSG 유리막의 공정방법이 소개 된다.

도 6은 본 발명에 따른 각 단위 렌즈셀이 갖는 모자이크형 패턴을 나타낸다. 실질적으로 다각형 셀을 사각형 육각형 또는 삼각형 등으로 규칙적으로 타일링 (tiling)한 다른 패턴을 본 발명에 따라 사용할 수도 있으며, 희망하는 초점 길이에 따라 더 크고 작은 곡률 반경으로 제작할 수 있다. 또한 직사각형 모양의 렌즈셀은 평면 내 두 수직한 축방향으로 렌즈 곡률을 다르게 할 수 있어 비점수차를 교정하는 렌즈로 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작공정에 따라, 도 3과 같이 볼록한 렌즈면을 만드는 공정은,

기판(31) 위에 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 얇은 유리판들을 덧붙이거나, 수 내지 수백 미크론 두께의 BPSG 유리막(33)들을 도포하거나, BPSG 유리층(32)을 증착하는 수단중 선택되는 어느 한 수단을 통한후, 열처리함으로써 투명한 BPSG 유리막(33)을 형성하는 제1단계와;

제1단계에서 형성된 BPSG 유리막(33)에 절단톱(dicing saw)을 사용하여 도랑(35;trench; 절단구) 유리막 표층부의 일정 깊이까지만 파 여러 개의 마이크로렌즈 단위셀(lens unit cell)(34)로 나누는 제2단계를 거쳐;

제2단계의 단위 렌즈셀(34)들을 가열함으로써 열 유동(thermal reflow;40)시켜 마이크로렌즈 단위셀들을 볼록모양 마이크로렌즈(36)로 변환 완성하는 제3단계로 최종완성 되도록 하는 것이다.

한편, 도 4와 같이 오목한 렌즈를 만드는 공정으로는, 상기와 같은 제1단계의 공정과 같이, 기판(31) 위에 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 얇은 유리판들을 덧붙이거나, 수 내지 수백 미크론 두께의 BPSG 유리막(33)들을 도포 또는 BPSG 유리층(32)증착하는 수단중 선택되는 어느 한 수단을 통한 후, 열처리시켜 투명한 BPSG 유리막(33)을 형성하는 제1단계와;

제1단계에서 형성된 BPSG 유리막(33)에 절단톱(dicing saw)을 사용하여 마이크로렌즈 패턴이 격자모양으로 돌출되게 유리막 표층부의 일정 깊이까지만 도랑(35)을 넓게 내 여러 개의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)으로 나누는 제2단계와;

다시 상기 단위셀이 함침되도록, 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 BPSG유리막(33a)을 도포하거나 또는 유리층을 증착하는 수단중 선택되는 어느 한 수단을 거쳐, 열처리시켜 투명한 BPSG 유리막(33a)들을 도포 또는 증착하는 제3단계를 거쳐;

제3단계에서 함침된 단위 렌즈셀 격벽(34a)의 높이까지 BPSG유리막(33a)을 습식식각에 의하여 오목하게 식각시킨 후, 렌즈면이 부드럽게 처리되도록 열처리함으로써 곡면형상의 제어가 가능한 오목모양 마이크로렌즈(37)를 형성하는 제4단계를 거쳐;

물성이 다른 BPSG유리막(33b)을 재적층시켜 완성하도록 한 것이다.

참고로, 볼록모양으로 제작된 마이크로렌즈(36)를 스퍼터 에칭 방법에 다시 에칭(71)함으로써 포물면과 같은 비구면 렌즈(72)가 형성되게 하는 방법으로, 도 7에 도시된 공정으로 순차 단면도를 참고하면,

스퍼터링(Sputtering)은 챔버 내에 공급되는 가스와 음극 (cathode)에서 발생되는 전자 사이의 충돌로부터 시작된다. 이런 진공 챔버 내에서 공급가스인 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 넣고 캐소드(cathode)에 전압을 가하면 캐소드(cathode)로부터 방출된 전자들이 아르곤(Ar) 기체 원자와 충돌하여 아르곤(Ar)을 이온화시킨다. 이온화된 아르곤(Ar) 이온이 마이크로렌즈(36) 표면에 충돌하면서 렌즈 표면의 원자들이 튀어나와 스퍼터 에칭(71)이 진행되도록 한 것으로,기판(31)상에 볼록모양으로 제작된 마이크로렌즈(36)를 스퍼터 에칭 방법으로 다시 에칭(71)함으로써 포물면과 같은 비구면 렌즈(72)가 형성되게 한 것이다.

이런 스퍼터 에칭(71)을 통하여 마이크로렌즈의 직경 및 높이를 제어할 수 있다.

스퍼터 에칭(71)의 장점은 균일한 에칭을 진행할 수 있으며 이온의 충돌로 고른 표면을 얻을 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 한도 내에서보다 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이다.

이상과 같이 본 발명은 수십 내지 수백 이상의 두꺼운 유리막을 간단한 방법으로 도포하고, 이 같은 큰 수치의 구조를 갖는 다양한 형태의 렌즈까지 직접 열 유동 방법으로 제작함으로써, 렌즈곡면이 매끄럽고 정밀한 구면 또는 비구면 마이크로렌즈를 쉽게 가공할 수 있기 때문에 고정밀 마이크로렌즈를 저가격으로 양산할 수 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (10)

1. 기판(31) 위에 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 얇은 유리판들을 덧붙이거나, 수 내지 수백 미크론 두께의 BPSG 유리막(33)들을 도포하거나, BPSG 유리층(32)을 증착하는 어느 수단중 선택되는 어느 한 수단을 통한후, 열처리함으로써 투명한 BPSG 유리막(33)을 형성하는 제1단계와;

   제1단계에서 형성된 BPSG 유리막(33)에 절단톱(dicing saw)을 사용하여, 마이크로렌즈 패턴을 도랑(35;trench;절단구)으로 또는, BPSG 유리막이 격자모양으로 돌출되게 도랑(35)을 넓게 내 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)으로 일정 패턴의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)을 형성하는 2단계를 거쳐;

   제2단계에서 도랑(35)으로 파인 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)들을 열처리함으로써 열유동(40)시켜 굴절률과 곡면형상의 제어가 가능한 볼록모양 마이크로렌즈(36)을 형성하는 3단계로 최종 완성함을 특징으로 하는 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 도랑(35)을 넓게 파서 여러 개의 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)으로 나눈후, 상기 렌즈셀 격벽(34a)이 함침되도록 붕소-인-규산유리(boro-phospho -silicate; BPSG)를 주성분으로 하는 수십 내지 수천 미크론 두께의 BPSG유리막(33a)을 도포하거나 유리층을 증착하고, 열처리시켜 투명한 BPSG 유리막 (33a)들을 도포 또는 증착해, 함침된 마이크로렌즈 단위 렌즈셀 격벽(34a)의 높이까지 BPSG유리막(33a)을 습식식각에 의하여 오목하게 식각시킨 후, 가열함으로써 렌즈 표면을 매끄럽게 처리하여 굴절률과 곡면형상의 제어가 가능한 오목모양 마이크로렌즈(37)을 형성함을 특징으로 하는 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법.
3. 제1항에 있어서, 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)을 나누는 방법으로 '∪'자 절단톱(dicing saw) 또는, 'V'자로 날끝을 가공한 절단톱 중 선택되는 어느 한 수단을 사용함을 특징으로 하는 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법.
4. 제1항에 있어서, 기판(31)에 미리 마이크로렌즈 단위 렌즈셀(34)들을 구분짓는 양각 또는 음각의 패턴을 형성해, 제1항의 실시를 돕도록 함을 특징으로 하는 굴절형 유리 마이크로렌즈 곡면의 정밀 제작방법.
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10. 제1항에 있어서, 제조된 볼록모양 마이크로렌즈(36)를 수평한 기판면에 대하여 렌즈의 국부적인 면이 약 50도의 경사에 가까울수록 더 크게 에칭되는 스퍼터에칭(71)효과를 이용해 포물선과 같은 비구면 마이크로렌즈(72)를 제조함을 특징으로 하는 굴절형 마이크로렌즈 곡면의 정밀제작 방법.

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