KR100895367B1

KR100895367B1 - 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법

Info

Publication number: KR100895367B1
Application number: KR1020060095271A
Authority: KR
Inventors: 이리조오 나니와; 마사또시 가나마루; 다께시 시마노; 시게오 나까무라; 마사야 호리노; 유미꼬 안자이
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2009-04-29
Also published as: US20070102842A1; JP2007133153A; KR20070050344A

Abstract

본 발명의 과제는 임의의 비구면을 갖는 표면이 평활한 마이크로 렌즈이며, 렌즈 직경이 1 ㎜ 이하이고 두께가 0.5 ㎜ 이상으로 한 치수를 갖는 비구면 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법을 제공하는 것이다.

실리콘 기판 상에 렌즈 1개의 형에 대해 직경이 다른 복수의 원형 개구부를 실시한 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층이 형성된 면을 가공면으로서 이방성 드라이 에칭을 행하고, 상기 실리콘 기판 상에 렌즈 1개에 대해 상기 원형 개구부의 직경에 의해 깊이가 다른 복수의 구멍을 형성하고, 등방성 에칭에 의해 상기 실리콘 기판 상에 형성한 상기 깊이가 다른 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍을 융합하고, 렌즈 1개에 대응하는 1개의 구멍을 형성한다.

마스크층, 원형 개구부, 링형의 개구부, 구멍, 단결정 실리콘 기판

Description

마이크로 렌즈용 형의 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING FRAME MOLD FOR MICRO LENSES}

도1은 본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 있어서의 제조 공정의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면.

도2는 제2 실시 형태에 있어서의 스무딩의 공정을 개략적으로 도시하는 도면.

도3은 제3 실시 형태에 있어서의 마이크로 렌즈용 형의 형성 후 막 형성 처리의 공정을 개략적으로 도시하는 도면.

도4는 제4 실시 형태에 있어서의 마이크로 렌즈용 형의 형성 후 렌즈 성형을 위한 처리의 공정을 개략적으로 도시하는 도면.

도5는 제5 실시 형태에 있어서의 마스크층 상에 원형 개구부를 형성하는 공정을 개략적으로 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 단결정 실리콘 기판

2 : 마스크층

3 : 원형 개구부

4 : 구멍

5 : 렌즈형 표면이 큰 볼록부

6 : 렌즈재에 대해 박리성이 좋은 막

7 : 실리콘을 에칭하는 가스 또는 액체에 부식되기 어려운 보호막

8 : 렌즈 표면

9 : 원형 개구부

10 : 링형의 개구부

[문헌 1] 일본 특허 공개 평7-63904호 공보

[문헌 2] OplusE Vol.24, No7(2002년 7월)

본 발명은 마이크로 렌즈를 성형하기 위한 형을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 렌즈 직경 1 ㎜ 이하의 미소한 비구면 마이크로 렌즈의 성형에 이용하는 형의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 관계되는 공지 기술로서는, 예를 들어 유리 평판 표면에 마스크층을 형성하고, 제작하는 렌즈 개수와 동일 수의 원형의 미세한 개구부를 제작하는 렌즈 위치에 대응하여 상기 마스크층에 설치하고, 상기 개구부를 화학적으로 에칭함으로써 대략 반구면형의 오목부를 형성한 후, 상기 마스크층을 전부 제거하고, 상기 오목부가 형성된 평판 표면에 서로 마스크층을 형성하고, 상기 오목부에 대응하는 위치에 상기 오목부 개구경보다도 큰 원형의 개구부를 상기 마스크층에 설치하고, 상기 개구부를 통과시켜서 평판 표면을 더 에칭하고, 상기 마스크층을 제거한 후 평판 표면 전체를 에칭하여 제조한다는 방법이 알려져 있다(특허 문헌 1 참조). 이에 의해, 표면이 평활한 복합 구면을 갖는 마이크로 렌즈용 형을 고정밀도로 제조할 수 있다. 또한, 마스크층을 형성하는 횟수를 늘리면, 더 많은 구면을 갖는 것이 가능해진다.

한편으로, 비구면 마이크로 렌즈의 제조 방법에 관계되는 공지 기술로서는, 예를 들어 SiO₂ 기판 상에 Nb₂0₅막을 스패터 증착하고, 이 Nb₂0₅막 상에 포토 레지스트로 원통형의 패턴을 형성하고, 포스트 베이크를 행하여 상기 원통형의 패턴을 반구형으로 변화시킨 후, 에칭 가스의 혼합비를 조정하면서 플라스마 에칭을 행함으로써, Nb₂0₅막에 렌즈 형상을 전사한다는 방법이 알려져 있다(비특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평7-63904호 공보

[비특허 문헌 1] OplusE Vol.24, No7(2002년 7월) P719 내지 P723

최근에는 광디스크의 고기록 밀도화, 광디스크 장치의 소형화가 진행되는 중에서, 렌즈 직경이 미소하고 또한 두께가 있는 비구면의 마이크로 렌즈의 제조가 기대되고 있다. 구체적으로는, 렌즈 직경이 1 ㎜ 이하이고 두께가 0.5 ㎜ 이상으로 한 치수를 갖는 비구면 마이크로 렌즈가 실현되는 것이 바람직하다고 되어 있다.

그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에서는 렌즈 1개에 대해 1개의 개구부를 설치하고, 거기서 등방적으로 에칭을 행하여 반구면 형의 오목부를 형성하고, 이 반구면 형의 오목부를 렌즈형으로 하는 제법이므로, 구면 수차를 보정하는 데도 우수한 비구면 렌즈의 형을 제조할 수 없다. 또한, 비특허 문헌 1에 기재된 비구면 마이크로 렌즈의 제조 방법에서는 렌즈 직경 300 ㎜에 대해 두께가 50 ㎜ 정도의 얇은 렌즈밖에 제조할 수 없다.

일반적으로, 마이크로 렌즈는 성형용의 형을 이용하여 제조되는 것이지만, 상기한 바와 같은 마이크로 렌즈의 치수에 대응하는 형을 제조하는 기술은 현재 확립되어 있지 않다.

거기서, 본 발명의 목적은 임의의 비구면을 갖는 표면이 평활한 마이크로 렌즈이며, 렌즈 직경이 1 ㎜ 이하이고 두께가 0.5 ㎜ 이상으로 한 치수를 갖는 비구면 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 하기와 같은 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법을 제안한다.

즉, 본 발명은 임의의 비구면을 갖고, 또한 두께가 렌즈 입구 직경의 절반보다 큰 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법이며, 실리콘 기판 상에 직경이 다른 복수의 원형 개구부를 갖는 마스크층을 형성하고, 상기 복수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 이방성 드라이 에칭을 행함으로써, 상기 실리콘 기판에 각 원형 개구부의 직경에 따른 깊이의 복수의 구멍을 형성하고, 상기 복 수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 행함으로써, 상기 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합하고, 상기 마스크층을 제거한 후에 등방성 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면을 스무딩 처리하는 것을 포함하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 또한 임의의 비구면을 갖고, 또한 두께가 렌즈 입구 직경의 절반보다 큰 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법이며, 실리콘 기판 상에 직경이 다른 복수의 원형 개구부를 갖는 마스크층을 형성하고, 상기 복수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 이방성 드라이 에칭을 행함으로써, 상기 실리콘 기판에 각 원형 개구부의 직경에 따른 깊이의 복수의 구멍을 형성하고, 상기 복수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 행함으로써, 상기 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합하고, 상기 마스크층을 제거한 후에 이방성 습윤 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면의 볼록부를 에칭한 후, 등방성 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면을 스무딩 처리하는 것을 포함하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 또한 임의의 비구면을 갖고, 또한 두께가 렌즈 입구 직경의 절반보다 큰 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법이며, 실리콘 기판 상에 하나의 원형 개구부와, 상기 원형 개구부와 대략 동심이며 직경이 다른 복수의 링형의 개구부를 갖는 마스크층을 형성하고, 상기 원형 개구부 및 링형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 이방성 드라이 에칭을 행함으로써, 상기 실리콘 기판에 상기 원형 개구부의 직경 또는 상기 각 링형 개구부의 반경 방향 폭에 따른 깊이의 복수의 구멍을 형성하고, 상기 원형 개구부 및 링형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 행함으로써, 상기 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합하고, 상기 마스크층을 제거한 후에 등방성 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면을 스무딩 처리하는 것을 포함하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 또한 임의의 비구면을 갖고, 또한 두께가 렌즈 입구 직경의 절반보다 큰 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법이며, 실리콘 기판 상에 하나의 원형 개구부와, 상기 원형 개구부와 대략 동심이며 직경이 다른 복수의 링형의 개구부를 갖는 마스크층을 형성하고, 상기 원형 개구부 및 링형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 이방성 드라이 에칭을 행함으로써, 상기 실리콘 기판에 상기 원형 개구부의 직경 또는 상기 각 링형 개구부의 반경 방향 폭에 따른 깊이의 복수의 구멍을 형성하고, 상기 원형 개구부 및 링형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 행함으로써, 상기 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합하고, 상기 마스크층을 제거한 후에 이방성 습윤 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면의 볼록부를 에칭한 후, 등방성 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면을 스무딩 처리하는 것을 포함하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 있어서, 상기 스무딩 처리 후에 상기 마이크로 렌즈용 형의 표면에, 렌즈재에 대해 박리성이 좋은 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 있어서, 상기 스무딩 처리 후에 상기 마이크로 렌즈용 형의 표면에 형재인 실리콘을 에칭하는 가스 또는 액체에 부식되기 어려운 막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 의해 제조된 마이크로 렌즈용 형을 이용하여 마이크로 렌즈를 성형하는 방법으로서는, 상기 마이크로 렌즈용 형의 임의인 비구면을 갖는 표면의 형상을 렌즈재에 전사한 후, 상기 마이크로 렌즈용 형의 상기 표면은 반대측의 면에 대해 에칭을 행하여 실리콘 기판을 제거하고, 또한 상기 표면에 형성된 막을 제거함으로써, 마이크로 렌즈를 성형하는 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법을 실시하기 위한 최량의 형태를 상세하게 설명한다. 도1 내지 도5는 본 발명의 실시 형태를 예시하는 도면이며, 이와 같은 도면에 있어서, 동일한 부호를 붙인 부분은 동일물을 나타내고, 기본적인 구성 및 동작은 마찬가지인 것으로 한다.

[제1 실시 형태]

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법의 제1 실시 형태에 대해 설명한다. 도1은 본 실시 형태에 있어서의 제조 공정의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다. 우선, 도1의 (a)에 도시한 바와 같이 단결정 실리콘 기판(1) 상에 마스크층(2)을 형성한다. 마스크층(2) 상에 포토 리소그래피에 의해 렌즈 1개에 대해 직경이 다른 복수의 원형 개구부를 갖는 레지스트 패턴을 형성하고, 이 레지스트 패턴을 이용하여 마스크층의 에칭을 행하고, 마스크층에 렌즈 1개에 대해 직경이 다른 복수의 원형 개구부(3)를 형성한다. 마스크층(2)으로서는 알루미늄의 스패터 증착막을 사용해도 좋고, 실리콘의 산화막 등을 사용해도 좋다.

다음에, 도1의 (b)에 도시한 바와 같이 마스크층(2)이 형성된 면을 가공면으로서, 마스크층(2)에 형성된 원형 개구부(3)의 개구 패턴을 이용하여 이방성 드라이 에칭으로 실리콘 기판(1)에 복수의 구멍(4)을 형성한다. 이때, 마이크로 로딩 효과에 의해, 구멍의 깊이는 대응하는 마스크층의 원형 개구부의 직경이 클수록 깊어지고, 장시간 에칭할수록 원형 개구부의 직경의 크기에 의한 구멍의 깊이의 차는 커진다. 이로 인해, 마스크층(2)에 형성하는 원형 개구부(3)는 렌즈 중심부에 대응하는 장소일수록 직경이 큰 치수를 갖도록 설계하고 있다. 이 마이크로 로딩 효과는, 마스크층의 원형 개구부의 직경이 있는 일정한 크기 이상이 되면 발생하지 않는다. 본 실시 형태에서는 원형 개구부(3)의 직경은 5 ㎛ 내지 40 ㎛로 하고 있다.

본 실시 형태에 있어서의 이방성 드라이 에칭의 조건은, 이하와 같다.

에칭 가스(SF6) 유량 : 120 sccm, 측벽 보호막 형성 가스(C4F8) 유량 : 80 sccm, 벤트 개구율 55 ％, 주요 플라즈마 전원 : 1000 W, 바이어스 110 W, 챔버 내 압력 : 1.7 내지 1.8 ㎩, 에칭 시간과 보호막 형성 시간의 비 7 : 3.

이 이방성 드라이 에칭을 렌즈 중심부에 대응하는 장소의 가장 깊은 구멍과 렌즈 외연부에 대응하는 장소의 가장 얕은 구멍의 깊이의 차가 200 ㎛ 이상이 될 때까지 행하는 것이 바람직하다.

다음에, 도1의 (c)에 도시한 바와 같이 등방성 에칭을 행하고, 전공정의 이방성 드라이 에칭으로 실리콘 기판에 형성한 깊이의 다른 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합한다. 본 실시 형태에 있어서의 등방성 에칭의 조건은, 이 하와 같다.

에칭 가스(SF6) 유량 : 100 sccm, 벤트 개구율 55 ％, 주요 플라즈마 전원 : 900 W, 바이어스 20 W, 챔버 내 압력 : 7 내지 1.8 ㎩.

본 공정은 등방성 에칭으로 행하는 것 외, 불산, 질산, 초산의 혼합액 등에 의한 단결정 실리콘의 등방성 습윤 에칭으로 행하는 것도 가능하다.

다음에, 도1의 (d)에 도시한 바와 같이 마스크층을 제거하고, 형 표면을 평활화하기 위해 스무딩 처리를 행한다. 이 스무딩 처리는, 예를 들어 등방성 에칭이나 등방성 습윤 에칭에 의해 행할 수 있다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 마스크층(2)에 형성하는 원형 개구부(3)의 직경과 그들의 배치를 임의로 설계함으로써, 임의의 비구면을 갖고, 또한 원하는 두께의 마이크로 렌즈를 성형하기 위한 형을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 렌즈 직경이 1 ㎜ 이하이고 두께가 0.5 ㎜ 이상으로 한 치수를 갖는 비구면 마이크로 렌즈를 성형하기 위한 형을 제조할 수 있다. 또한, 상기 스무딩 처리에 의해 표면이 평활한 마이크로 렌즈용 형을 얻을 수 있다.

[제2 실시 형태]

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는 스무딩의 공정을 제1 실시 형태와 다른 방법에 의해 행하는 것을 특징으로 하고 있지만, 이외의 공정은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 행한다. 도2에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 있어서의 스무딩의 공정으로는, 수산화칼륨 수용액 또는 수산화 테트라메틸 암모늄 수용액에 의한 단결정 실리콘의 이방성 습윤 에칭을 행하여 렌즈형 표면이 큰 볼록부(5)를 제거한 후에 등방성 습윤 에칭을 행하여 렌즈형 표면의 평활화를 행한다. 이와 같이 하여, 표면이 평활한 마이크로 렌즈용 형을 얻을 수 있다.

[제3 실시 형태]

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법의 제3 실시 형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태의 방법에 의해 실리콘 기판 표면에 마이크로 렌즈용 형을 형성한 후에, 도3에 도시한 바와 같이 형 표면에 렌즈재에 대해 박리성이 좋은 막(6)을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다. 예를 들어, 렌즈재가 유리일 경우에는 막(6)을 카본으로 형성하면 좋다. 이에 의해, 전사한 후에 마이크로 렌즈를 박리하는 것이 용이한 마이크로 렌즈용 형을 얻을 수 있다.

[제4 실시 형태]

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법의 제4 실시 형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태의 방법에 의해 실리콘 기판 표면에 마이크로 렌즈용 형을 형성한 후에, 도4의 (a)에 도시한 바와 같이 형 표면에 실리콘을 에칭하는 가스 또는 액체에 부식되기 어려운 보호막(7)을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다. 보호막(7)은, 예를 들어 알루미늄이나 산화 실리콘 등으로 형성할 수 있다.

이와 같은 처리를 한 마이크로 렌즈용 형에 렌즈재를 전사한 후에, 도4의 (b)에 도시한 바와 같이 마이크로 렌즈용 형을 형 이면으로부터 에칭하고, 계속해 서 도4의 (c)에 도시한 바와 같이 보호막(7)을 제거함으로써, 마이크로 렌즈를 마이크로 렌즈용 형으로부터 박리하는 일 없이 렌즈 표면(8)을 노출시킬 수 있다. 이에 의해, 렌즈 표면(8)을 손상시키는 일 없이 마이크로 렌즈의 성형을 행하는 것이 가능해진다.

[제5 실시 형태]

본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법의 제5 실시 형태에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는 마스크층 상에 원형 개구부를 형성하는 공정을 제1 실시 형태와 다른 방법에 의해 행하는 것을 특징으로 하고 있지만, 이외의 공정은 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여 행한다. 도5에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에서는 마스크층(2)의 렌즈 중심부에 대응하는 장소에 원형 개구부(9)를 형성하고, 그 주위에 원형 개구부(9)와 동심원의 링형의 개구부(10)를 복수 형성한다. 이 링형의 개구부의 반경 방향의 폭은 렌즈 외측 모서리에 대응하는 장소에 근접할수록 좁게 한다. 이와 같은 방법에 의해서도 임의의 비구면을 갖고, 또한 원하는 두께의 마이크로 렌즈용 형을 제조할 수 있다.

이상, 본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 대해, 구체적인 실시 형태를 도시하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 상기 각 실시 형태 또는 다른 실시 형태에 관한 발명의 구성 및 기능에 다양한 변경, 개량을 가하는 것이 가능하다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 따르면, 종래 실현 불가능했던 임의의 비구면을 갖는 표면이 평활한 마이크로 렌즈이며, 렌즈 직경이 1 ㎜ 이하이고 두께가 0.5 ㎜ 이상으로 한 치수를 갖는 비구면 마이크로 렌즈를 제조하는 것이 가능해진다.

Claims

비구면을 갖고, 또한 두께가 렌즈 입구 직경의 절반보다 큰 마이크로 렌즈를 제조하기 위한 형의 제조 방법이며,

실리콘 기판 상에 직경이 다른 복수의 원형 개구부를 갖는 마스크층을 형성하고,

상기 복수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 이방성 드라이 에칭을 행함으로써, 상기 실리콘 기판에 각 원형 개구부의 직경에 따른 깊이의 복수의 구멍을 형성하고,

상기 복수의 원형 개구부를 통해 상기 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 행함으로써, 상기 복수의 구멍의 측벽을 제거하여 구멍끼리를 융합하여 융합한 구멍을 형성하고,

상기 마스크층을 제거한 후에 등방성 에칭에 의해 상기 융합한 구멍의 표면을 스무딩 처리하는 것을 포함하는 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법.
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제1항에 있어서, 상기 스무딩 처리 후에 상기 마이크로 렌즈용 형의 표면에 렌즈재에 대해 박리성이 좋은 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 스무딩 처리 후에, 상기 마이크로 렌즈용 형의 표면에 형재인 실리콘을 에칭하는 가스 또는 액체에 부식되기 어려운 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법.
제1항에 기재된 마이크로 렌즈용 형의 제조 방법에 의해 제조된 마이크로 렌즈용 형을 이용하여 마이크로 렌즈를 성형하는 방법이며,

상기 마이크로 렌즈용 형의 비구면을 갖는 표면의 형상을 렌즈재에 전사한 후, 상기 마이크로 렌즈용 형의 상기 표면과는 반대측의 면에 대해 에칭을 행하여 실리콘 기판을 제거하고, 또한 상기 표면에 형성된 막을 제거함으로써, 마이크로 렌즈를 성형하는 방법.