KR100947483B1 - 광학 렌즈의 형성 공정 - Google Patents

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Abstract

반도체 기판이 광학 렌즈로 형태 지어지도록 양극산화된다. 양극산화 전에, 상기 기판에 재생산되는 하나의 구조로 통합되도록 애노드 패턴이 그 바닥 표면에 있는 상기 기판이 제공된다. 상기 양극산화는, 상기 애노드 패턴에 부합하는 패턴의 다공성층을 성장시키는 상기 양극산화의 결과로써 산화된 영역이 형성되자마자 식각하도록 전해용액을 이용한다. 상기 애노드 패턴은 원하는 렌즈 프로파일에 상보적인 모양으로 상기 다공성층을 성장시키는 다양한 전기장 세기의 인-플래인 분포를 가져온다. 상기 양극산화가 완결되면, 상기 기판으로부터 상기 애노드 패턴 및 상기 다공성층을 식각하여 상기 반도체 기판은 렌즈 형상으로 만들어진다.
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양극산화, 렌즈, 오목렌즈, 볼록렌즈, 전해용액

Description

광학 렌즈의 형성 공정{PROCESS OF MAKING AN OPTICAL LENS}
본 발명은 반도체 기판의 몸체로부터 광학 렌즈를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.
양극산화(anodization)에 의해 반도체 기판 표면에 마이크로 구조물(micro structure)을 형성하는 공정이 일본특허 공개번호 55-13960에 개시된다. 양극산화는 전해용액(electrolyte solution) 내에서 기판의 탑 표면을 산화하기 위해 사용된다. 산화는 애노드(anode)의 배열에 대응하는 패턴의 탑 표면에서 선택적으로 진행된다. 기판의 탑 표면에서 부분적으로 산화된 영역을 남기며, 애노드는 기판으로부터 분리되어 형성되고 기판의 바닥 표면과 접촉한다. 그 후, 산화된 영역들은 기판의 탑 표면에 볼록한 면(convex)을 남기도록 제거된다. 이 기술은 얕은 깊이의 표면 불균일성(surface irregularity) 또는 상대적으로 얇은 프로파일을 형성하기에 충분하다. 그러나, 광학 렌즈를 형성하는데 요구되는 것과 같이 매끄럽게 굴곡된 표면을 갖는 두꺼운 프로파일을 제공하는 것은 실질적으로 어렵다는 것이 알려졌다. 왜냐하면, 산화된 영역들은 유전체 베리어로써 행동하기 때문이다. 이 유전체 베리어(dielectric barrier)는 기판의 두께로 산화된 영역들이 성장하는 것을 억제하도록 기판을 통하는 산화 전류(anodizing current)를 막는다. 따라서, 정확 하게 디자인된 굴곡된 외곽을 갖는 두꺼운 프로파일을 얻기 위해, 산화된 영역들을 부분적으로 형성하도록 탑 표면을 산화하는 단계 및 이어서 산화된 영역들을 제거하는 단계들을 반복하는 것뿐만 아니라, 각 단계에서 서로 다르게 배열된 애노드들을 사용하는 것이 요구된다. 이런 점에서, 상기 언급된 기술은 충분한 두께를 갖는 광학 렌즈의 제조에 이용가능하지 않다는 것이 알려졌다.
마이크로 광학 렌즈(micro optical lens)용 몰드 형성 공정에 관한 기술이 일본특허 공개번호 2000-263556에 개시된다. 몰드는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 탑 표면 상에 유전체 마스크(dielectric mask)를 제공하는 단계, 상기 마스크에 하나 또는 그 이상의 개구부들을 형성하는 단계, 상기 기판을 전해 용액 내에 제공하는 단계 및 상기 마스크에 의해 덮이지 않은 상기 탑 표면의 영역을 다공성 존(porous zone)으로 변환하도록 산화하는 단계에 의해 제조된다. 이 후, 다공성 존은 기판의 탑 표면에 라운드진 볼록한 면(rounded convex)을 남기도록 제거된다. 자외선 경화 수지(ultraviolet curable resin)가 상기 볼록한 면에 놓이고 볼록렌즈(convex lens)를 얻도록 경화된다. 비록 상기 기술은 다공성 존의 형성을 개시하나, 상기 공정은 개구부를 갖는 마스크에 의존하므로 다공성 존은 각 개구부의 중심으로부터 등방성으로 성장된다. 따라서, 결과로 생성되는 라운드진 볼록한 면은 실질적으로 균일한 곡률 반경(radius of curvature)을 갖도록 제한된다. 이러한 제한으로, 상기 공정은 불균일한 곡률 반경 또는 복잡한 표면 프로파일을 갖는 광학 렌즈를 제조하도록 적용될 수 없다.
더욱이, 매우 작은(tiny) 개구부를 갖는 마스크를 사용하여, 작은 렌즈를 형 성할 때, 다공성 층은 초기에 매우 작은 개구부 주위에 성공적으로 형성될 수 있다. 그러나, 초기에 나타나는 버블(bubbles)은 매우 작은 개구부를 통해 빠져나가기 어렵고 다공성 존에 남기 쉬어 기판으로 전해 용액의 진입을 억제하여 다공성 존의 더 이상의 성장을 방해한다. 이 결과, 다공성 존은 의도된 예정된 프로파일을 제공하도록 조절될 수 없고, 정확한 프로파일의 렌즈를 재생산하는데 실패한다. 즉, 상대적으로 큰 개구부를 갖는 마스크를 사용하여 상대적으로 큰 렌즈를 형성할 때, 산화는 개구부의 주변에서보다 개구부의 중심에서 상당히 빠른 속도로 진행되기 쉽고 속도는 제어하기 어렵다. 그러므로, 다공성 존 및 결과 렌즈에 정확하게 제어된 표면 프로파일을 제공하는 것은 어렵다.
더욱이, 산화가 진행하는 기판의 일면에 상기 마스크가 증착되기 때문에, 또한, 마스크가 일반적으로 상대적으로 작은 두께(예컨대, 1 μm 또는 그 이하)를 갖는 실리콘질화물(SiN) 또는 그 유사한 것들로 만들어지기 때문에, 마스크는 다공성 존이 성장함에 따라 발전하는 스트레스에 기인해 쉽게 파괴될 수 있다. 또한 이러한 점에 있어서, 기판의 일면을 산화하는 마스크에 의존하는 상기 공정은 렌즈 제조에 만족스러운 것으로 알려지지 않는다.
본 발명은 향상된 광학 렌즈 제조 공정을 제공하도록 완성되었다. 본 발명에 따른 상기 공정은 서로 반대편에 위치한 평평한 탑 표면 및 평평한 바닥 표면을 갖는 반도체 기판을 이용하고, 상기 바닥 표면에 애노드를 형성하는 단계, 전해 용액 내에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 이후, 상기 공정은 이어서 상기 기판의 상기 탑 표면을 영역별로 깊이가 변하도록 상기 용액 내에서 애노드 및 캐소드(cathode) 간에 전류를 흘리는 단계, 상기 탑 표면에 결과 다공성 층(resulting porous layer)을 남기는 단계, 및 상기 탑 표면 상에 굴곡된 표면을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 다공성 층을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 공정은 상기 애노드가 통합된 구조물(consolidated structure)을 제공하도록 상기 바닥 표면에 증착되는 것으로 특징지어지고, 상기 기판의 상기 탑 및 바닥 표면들을 가로질러 상기 기판의 영역별로 변화하는 전기장 세기의 예정된 분포를 주도록 설정된다. 이에 의해 상기 전기장 세기의 분포와 맞는 다양한(변화하는) 깊이를 갖는 다공성 층이 제공된다.
상기 공정과 함께, 상기 애노드(anode)는 상기 애노드의 패턴과 정확하게 일치하는 상기 전기장 세기의 분포를 정확하게 주도록 상기 기판과 일체로 만들어진다. 이로써, 상기 다공성 층 및 상기 결과로 생기는 굴곡된 표면을 정밀하게 형성하는 것이 가능하다. 게다가, 상기 애노드가 상기 기판의 영역별로 변화하는 전기장 세기의 예정된 분포를 주도록 배열되기 때문에, 상기 결과로 생성되는 굴곡된 표면에 변화하는 곡률 반경을 연속적으로 제공하는 것이 용이하다. 더욱이, 상기 양극산화(anodization)는 상기 전해 용액에 전체적으로 노출된(i.e., 양극산화를 제한하는 물질에 의해 마스킹되거나 커버되지 않은) 상기 기판의 탑 표면으로부터 진행하기 때문에, 또한 상기 양극산화율(anodization rate)은 상기 기판의 바닥 표면의 애노드 패턴에 의해 대체로 조절되기 때문에, 정확하게 조절된 외관 또는 프로파일의 다공성 층을 성장시키는 것이 용이하므로 상기 결과로 형성되는 렌즈에 상대적으로 정확한 표면 프로파일을 제공할 수 있다.
따라서, 상기 공정은 광학 렌즈, 특히, 정밀하게 제어된 표면 프로파일을 갖는 비구형 렌즈(non-spherical lens)를 제조하기에 최선으로 이용될 수 있다.
비록, 상기 애노드가 바람직하게는 상기 다공성 층을 형성한 후 상기 기판에서 제거되나, 상기 애노드가 렌즈 성능을 방해하지 않는 오목한 반사 렌즈(concave reflector lens)와 같은 특정 렌즈를 제조할 때 상기 기판에 고정되어 잔류할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드는 상기 전기장 세기의 정해진 분포를 정의하는 하나 또는 그 이상의 원형 애노드 패턴을 주도록 부분적으로 상기 기판의 바닥 표면에 형성되고, 상기 원형 애노드 패턴의 반대 영역에 오목한 프로파일(concave profile)을 갖는 굴곡된 표면을 실현시키는데 원인이 된다. 그러므로, 상기 애노드 패턴을 적당하게 디자인하는 것에 의해 원하는 곡률 반경의 오목 렌즈(concave lens)를 제조하는 것이 용이하다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 애노드는 하나 또는 그 이상의 원형 개구부를 갖도록 상기 기판의 바닥 표면에 증착된다. 상기 애노드의 상기 원형 개구부는 상기 개구부의 주변으로부터 보다 상기 개구부의 중심을 향해 약해지는 상기 전기장 세기의 분포를 형성한다. 이로써, 점진적으로 변화하는 두께의 다공성 층을 형성하고 상기 다공성 층을 제거하여 상기 원형 개구부의 반대 영역의 탑 표면에 볼록한 프로파일을 형성한다.
상기 애노드에 원형 개구부를 형성하는 것 대신에, 상기 원형 마스크 반대편 영역의 상기 탑 표면에 볼록한 프로파일을 제공하기 위한 상기 전기장 세기의 유사 분포(like distribution)를 만들도록 유전체 원형 마스크(dielectric circular mask)가 상기 애노드 뒤의 상기 바닥 표면에 부분적으로 형성될 수 있다. 상기 원형 마스크는 상기 기판의 전체 바닥 표면 상에 유전체층을 제공하는 단계 및 상기 원형 마스크를 남기도록 상기 유전체층의 일부를 제거하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판은 바람직하게는 실리콘으로 만들어지고, 상기 유전체층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 전해용액은 불화수소 수용액을 포함하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명은 평면-볼록(plano-convex) 또는 평면 오목(plano-concave) 렌즈뿐만 아니라, 오목-볼록 렌즈(concavo-convex lens), 양면-볼록(double-convex) 및 양면-오목(double-concavo) 렌즈 제조에 유용하다. 예컨대, 상기 오목-볼록 렌즈(concavo-convex lens)를 형성하기 위해, 우선 상기 기판의 상기 탑 표면에 상기 오목한 프로파일을 형성하는 단계가 수행되고 이어서 상기 탑 표면에 형성되어 있는 상기 오목한 프로파일과 동일한 축에 배열되는 부가적인 원형 개구부를 갖는 부가적인 애노드를 상기 탑 표면 상에 형성하는 단계, 상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계, 영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계 및 상기 바닥 표면에 볼록한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계가 수행된다.
마찬가지로, 상기 양면-오목 렌즈(double-concave lens)는 상기 기판의 상기 탑 표면의 상기 오목한 프로파일을 형성하는 단계, 이어서, 상기 탑 표면에 형성되어 있는 상기 오목한 프로파일과 동일한 축을 갖는 부가적인 원형 애노드를 상기 탑 표면 상에 부분적으로 형성하는 단계, 상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계, 영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 원형 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계 및 상기 바닥 표면에 오목한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계에 의해 성공적으로 제조될 수 있다.
상기 양면-볼록 렌즈(double-convex lens)는 상기 기판의 상기 탑 표면의 상기 볼록한 프로파일을 형성하는 단계, 이어서, 상기 탑 표면에 형성되어 있는 상기 볼록한 프로파일과 동일한 축에 배열되는 부가적인 원형 개구부를 갖는 부가적인 애노드를 상기 탑 표면 상에 형성하는 단계, 상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계, 영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계 및 상기 바닥 표면에 다른 볼록한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 산화층을 제거하는 단계에 의해 성공적으로 제조될 수 있다.
더불어, 상기 오목- 볼록 렌즈(concavo-convex lens)는 상기 볼록한 프로파일을 형성하는 단계, 이어서, 상기 탑 표면에 형성되어 있는 상기 볼록한 프로파일과 동일한 축을 갖는 부가적인 원형 애노드를 상기 탑 표면 상에 부분적으로 형성하는 단계, 상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계, 영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 원형 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계 및 상기 바닥 표면에 오목한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 실린더형 렌즈(cylindrical lens) 또는 비 구형 렌즈(non-circular lens)와 같은 것을 제조하도록 변환될 수 있다. 예컨대, 상기 애노드는 상기 비 구형의 오목한 프로파일(concave profile)을 형성하는 단계에서 비 구형 애노드 패턴을 제공하도록 형성된다. 비-구형 오목 렌즈(non-circular concave lens)는 또한 상기 애노드를 사용하여 형성될 수 있다. 상기 애노드는 상기 기판의 상기 바닥 표면 상에 전기적 도전층을 부가하는 단계 및 상기 원형 개구부 반대편에 있는 상기 탑 표면에 볼록한 프로파일을 제공하는 원인이 되는 비 구형 개구부를 상기 도전층에 형성하도록 상기 도전층의 영역을 제거하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
더불어, 상기 바닥 표면에 부분적으로 형성된 유전체 비-구형 마스크를 포함하여 상기 기판의 상기 바닥 표면을 커버하는 상기 애노드를 이용하여 비 구형 오목 렌즈(non-circular concave lens)가 제조된다.
또한, 상기 렌즈에 매끄러운 결과를 제공하도록 상기 다공성층의 성장 최종 단계에서 상기 전류를 감소시키는 것이 바람직하다.
첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 상기 내용 및 다른 유익한 특징들이 다음의 상세한 설명에 의해 더 구체적으로 표현될 수 있다.
도 1 내지 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)의 제조가 설명된다. 도 1 내지 3를 참조하면, 상기 렌즈(L)가 광학 센서(200)와 같은 소자 내에서 상기 렌즈를 탑재(mounting)하기 위해 사용되는 통합 플랜지(integral flange)(F)를 갖도록 형성된다. 상기 광학 센서는 도 4에서 보여진 바와 같이, 상기 렌즈를 통해 빛을 받는 초전기성 요소(pyroelectric element)(210)와 같은 센싱 요소를 갖도록 형성되고 하나의 전형적인 상기 렌즈의 어플리케이션이다.
상기 렌즈는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 아세나이드(GaAs), 갈륨 포스파이드(GaP), 및 인듐 포스파이드(InP)와 같은 반도체 물질로부터 형성된다. 이 실시예에서, p-형 실리콘의 반도체 기판(10)이 상기 기판의 선택적인 양극산화에 의해 평면-볼록 렌즈를 제조하도록 이용된다. 상기 양극산화는 도 5와 같이 전해 용액(140)의 부피 내에 상기 기판(10)이 놓이도록 배치되고, 상기 용액 내에 침지된 애노드(120) 및 캐소드(110) 사이를 흐르는 전류의 제어를 위한 레귤레이터(130)가 장착되도록 배치된 양극산화 장치(anodizing apparatus)(100)를 이용하여 이루어진다. 상기 애노드(120)는 기판(10)의 바닥 표면과 접촉하여 상기 캐소드(110) 반대편에 있는 탑 표면에서 다양한 양(extent)으로 양극산화가 진전되도록 한다. 상기 애노드(120) 및 캐소드(110)는 모두 플래티늄(platinum)으로 만들어진다.
이 실시예에서, 상기 기판(10)은 수 옴 센티미터(Ω-cm) 내지 수백 옴 센티미터(Ω-cm)의 낮은 저항을 갖도록 선택된다. 예컨대, 80 Ω-cm인 0.5 mm 두께의 평면 p-형 실리콘 기판(10)이 도 6a 내지 6e의 단계들에 의해 렌즈 형태를 갖추게 된다. 세정된 후, 상기 기판(10)은 상기 전체 바닥 표면 상에 전기적 도전층(20)을 갖도록 처리된다(도 6b). 상기 도전층(20)은 예컨대, 알루미늄(aluminum)으로 만들어지고, 스퍼터링 또는 이과 같은 기술로 1 μm의 균일한 두께를 갖도록 상기 기판(10) 상에 증착된다. 이후, 상기 층(20)은 상기 기판(10)에 집적된 애노드 패턴을 정의하는 상기 도전층(20)이 있는 통합된 구조물을 제공하도록 제조된 상기 렌즈의 직경과 맞는 2mm 직경의 원형 개구부(22)를 남기도록 식각된다(도 6c). 이어서, 상기 기판(10)은 상기 도전층(20) 또는 상기 애노드(120)와 접촉하는 애노드 패턴과 함께 상기 양극산화 장치(100) 내의 전해 용액(140) 내에 침지되고 이어서 상기 기판은 상기 애노드 패턴에 대응하여 선택적으로 상기 기판의 탑 표면을 양극산화하도록 상기 캐소드(110) 및 상기 애노드 패턴 사이의 전류 흐름을 받는다. 이로써, 상기 기판(10)의 탑 표면에 다공성층(porous layer)(30)이 형성된다(도 6d). 상기 전류는 예컨대, 30 mA/cm2의 정해진 전류 밀도를 갖도록 상기 레귤레이터(130)에 의해 제어되고, 예컨대 120분의 정해진 주기의 시간동안 지속된다. 이후, 상기 렌즈를 얻도록 상기 다공성층(30) 및 상기 도전층(20)이 식각된다(도 6e).
이용된 상기 전해 용액은 적당한 비율로 혼합된 불화수소(HF) 및 엔탄올(ethanol)의 수용액이다. 상기 양극산화 공정에 있어서, 다음의 화학 반응이 일어난다:
Si + 2HF + (2-n)h+ → SiF2 + 2H+ + nㆍe-
SiF2 + 2HF → SiF4 + 2H+ + H2
SiF4 + 2HF → SiH2F6
이때 h+는 홀을 의미하고 e-는 전자를 의미한다. 실리콘 기판이 양극산화되면 곧, 상기 기판(10) 표면의 상기 다공성층(30)을 남기도록 상기 전해 용액과 반응에 의해 상기 산화된 영역이 제거된다. 따라서, 상기 양극산화는 산화된 영역에 의해 지연되는 것 없이 진행한다. 이는 더 깊은 깊이를 갖는 상기 다공성층(30)을 성장시키는 것을 가능하게 하고, 그러므로 상대적으로 두꺼운 두께의 렌즈를 제조할 수 있도록 한다.
도 7a에 따르면, 인-플래인(in-plane) 전기장 세기 또는 전류 밀도는 상기 애노드 패턴에 부합하게 다양하게 분포된다. 도면에 있어서, 검은색 화살표는 상기 기판(10)을 통해 흐르는 포지티브 전류 패스를 나타내고, 반면 흰색 화살표는 상기 기판(10)을 통해 흐르는 전자들의 패스를 나타낸다. 상기 인-플래인 전류 밀도가 상기 개구부(22)의 중심보다 상기 개구부(22)의 주변을 향해 더 높으므로, 결과로 생성되는 다공성층(30)은 상기 개구부의 중심에서보다 상기 개구부(22)의 주변을 향해 더 두껍게, 연속적으로 변하는 두께를 가질 수 있다. 결과적으로, 상기 다공성층(30) 및 상기 애노드 패턴 또는 상기 도전층(20)을 제거하여, 상기 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)를 얻을 수 있다. 상기 인-플래인 전기장 세기의 분포는 일차적으로 상기 애노드 패턴에 의해 결정될 것이고, 이차적으로 저항에 의해 결정되고, 상기 기판(10)의 두께, 상기 전해용액(140)의 저항, 상기 기판(10)과 상기 캐소드(110) 간의 거리, 및 상기 캐소드(110)의 평면 배치(planar configuration)(i.e. 상기 기판에 평행한 평면의 캐소드 배열)에 의해 결정될 것이다. 따라서, 상기 애노드 패턴과 결합하여 상기 변수들을 적당하게 선택함으로써 어떤 원하는 렌즈 프로파일을 제공하는 것이 쉽게 이루어질 수 있다. 상기 기판의 다른 발생하는 산화된 영역에 의해 지연되는 것 없이 상기 양극산화는 연속적으로 상기 다공성층을 성장시키도록 진행하므로, 두꺼운 렌즈가 단일 양극산화 공정에서 용이하게 제조될 수 있고, 이는 렌즈 디자인을 융통성 있게 할 수 있다.
상기 전해용액의 저항은 불화수소(HF) 수용액의 농도에 의해 및/또는 에탄올에 대한 HF의 혼합 비율에 의해 조절될 수 있다. 상기 캐소드(110)는 도 7a에 보여진 바와 같이 상기 애노드 패턴과 정확하게 일치하는 패턴을 갖도록 또는 도 7b에 보여진 바와 같이 상기 반대편의 캐소드 요소(112)가 상기 기판(10)에 평행한 평면의 상기 애노드 패턴의 상기 개구부(22) 중심을 향해 약간 나온 패턴을 갖도록 디자인될 수 있다. 상기 나온 정도는 상기 기판(10)에 대한 거리뿐만 아니라 상기 전류 밀도와 연관하여 조절될 수 있다.
상기 양극산화 공정(anodization process)에 있어서, 상기 레귤레이터(regulator)(130)는 일정 레벨로 상기 전류 밀도를 유지하도록 행동할 수 있다. 그러나, 상기 다공성층(30)의 성장 비율을 상대적으로 감소시키기 위해 상기 양극산화 공정의 마지막 단계에서 점차적으로 상기 전류 밀도를 감소시키는 것이 바람직하다. 이 기술로, 상기 생성되는 렌즈는 좀 더 매끄러운 표면 결과를 가질 수 있다. 상기 전류 밀도의 조절은 전류 레벨 또는 전압 레벨을 모니터링하여 이루어질 수 있다.
상기 다공성층(30) 및 상기 도전층(20)의 제거는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 및 테트라메틸 암모니움 하이드록사이드(TMAH:Tetramethyl Ammonium Hydrooxide)와 같은 알칼리 용액(alkali solution) 또는 불화수소(HF) 용액을 이용하여 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 평면-볼록 렌즈(plano-convex lens)의 투시도이다.
도 2는 렌즈의 평면도이다.
도 3은 렌즈의 단면도이다.
도 4는 렌즈가 이용되는 소자 내부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 공정을 위해 이용되는 양극산화 장치의 단면도이다.
도 6a 내지 6e는 렌즈 형성 단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 7a 및 7b는 렌즈 형성 공정에서 전개된 전기장 세기 분포를 나타내는 개략도들이다.
도 8은 기판의 바닥 표면에 형성된 애노드 패턴을 나타낸다.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 렌즈 표면의 단면 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 공정을 위해 이용되는 다른 양극산화 장치(anodizing apparatus)의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 평면-오목 렌즈(plano-concave lens)의 투시도이다.
도 12a 내지 12c는 렌즈의 형성단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 13a 내지 13g는 본 발명의 실시예 3에 따른 양면-볼록 렌즈(double-convex lens)의 형성 단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 14a 내지 14f는 본 발명의 실시예 4에 따른 양면-오목 렌즈(double-concave lens)의 형성 단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 15a 내지 15f는 본 발명의 실시예 5에 따른 오목-볼록 렌즈(concavo-convex lens)의 형성단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 16a 내지 16e는 본 발명의 실시예 6에 따른 오목-볼록 렌즈(concavo-convex lens)의 형성단계들을 나타내는 단면도들이다.
도 17은 본 발명에 따라 제조된 비구형 렌즈(non-circular lens)를 나타내는 투시도이다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 볼록 렌즈(convex lens)의 제조용 유전체 마스크(dielectric mask)를 이용한 단계를 나타내는 단면도이다.
실시예 1
0.5 mm 두께 및 80 Ω-cm 저항을 갖는 100 mm 직경의 p-형 실리콘 기판(10)의 바닥 표면에 스퍼터링(spattering)에 의해 1 μm 두께의 알루미늄(aluminum) 도전층(20)이 형성되었다. 20분 동안 420℃에서 상기 도전층(20)을 소결(sintering)한 후, 상기 층(20)은 2mm 직경의 복수 개의 윈도우들을 갖는 레지스트 패턴에 의해 마스킹되었다. 이후, 상기 도전층(20)의 마스킹되지 않은 영역은 상기 도전층에 2mm 직경을 갖는 복수 개의 개구부들을 형성하도록 식각되었다(도 8). 상기 레지스트 패턴이 제거된 후, 상기 기판(10)은 50%의 불화수소(HF) 수용액 및 에탄올(ethanol)의 1:1 비율의 혼합물을 포함하는 전해용액이 담긴 도 5의 양극산화 장치 내에 놓여졌다. 이후, 상기 기판은 3시간 동안 30 mA/cm2의 전류밀도에서 양극산화되었다. 생성된 다공성층(30)은 상기 도전층(20)에 대응하는 영역에 0.3mm 두께를 갖고 상기 기판에 평행한 평면에서 상기 개구부(20)의 중심을 향해 감소하는 두께를 갖는 것으로 나타났다. 상기 다공성층(30) 및 상기 도전층(20)은 이후 15분 동안 10%의 수산화칼륨(KOH) 수용액에 의해 식각되었다. 이로써, 복수 개의 평면-볼록 렌즈가 형성되었다. 상기 기판(10)은 이후 복수 개의 렌즈로 잘라졌다. 상기 다공성층(30)을 제거하는 식각 속도는 상기 기판을 제거하는 식각 속도보다 10배 이상이다. 따라서, 상기 기판(10)을 손상하지 않으면서, 상기 다공성층(30)만이 선택적으로 식각되었다. 따라서 형성된 렌즈는 각각 도 9에 보여진 프로파일을 갖는 0.195mm의 렌즈 두께를 갖도록 형성되었다.
도 10은 상기 렌즈의 제조를 위해 동일하게 이용되는 다른 양극산화 장치(anodizing apparatus)(100a)를 나타낸다. 상기 기판(10)이 상기 전해용액(140) 내의 중심에 배치되고 상기 캐소드(110a) 및 상기 애노드(120a)가 수직으로 지지된 기판(10)의 반대 면들에 배치되는 것을 제외하고, 상기 장치(100a)는 기본적으로 도 5의 장치와 동일하다.
실시예 2
도 11 및 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 평면-오목 렌즈(plano-concave lens)(L)의 제조 공정을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 있어서, 도 8에 보여진 것과 유사한 패턴의 복수 개의 원형 애노드들(circular anodes)(20)로 구성된 애노드 패턴이 바닥 표면에 형성된 반도체 기판(10)이 형성된다. 간단하게 하기 위해, 단일 애노드(20)만이 도 12a 및 12b에 보여진다. 상기 실시예 1에서 논의된 것과 같은 방법으로 양극산화 및 다공성층(30)의 제거에 의해 각각의 애노드(20)는 상기 기판(10)의 반대편 탑 표면에 오목한 프로파일(concave profile) 형성에 원인이 된다. 즉, 상기 양극산화 공정 중에, 도 12b에 보여진 바와 같이, 상기 다공성층(30)은 전극(20)의 주변에서보다 각 전극(20)의 중심을 향해 더 큰 깊이를 갖도록 각 애노드(20)의 반대편 영역에 있는 탑 표면에서 성장한다. 이후, 도 12c에서 보여진 바와 같이, 상기 다공성층(30) 및 상기 애노드(20)는 상기 기판(10)의 상기 탑 표면에서 오목한 프로파일을 노출하도록 식각되었다. 이후, 상기 기판(10)은 개개의 평면-볼록 렌즈들(plano-convex lenses)로 잘라진다.
실시예 3
도 13은 부가적인 양극산화 공정을 포함하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 유사한 본 발명의 실시예 3에 따른 양면-볼록 렌즈(double-convex lens)(L) 제조의 공정을 나타낸다. 우선, 도 13a 내지 13d에 보여진 바와 같이 상기 실시예 1에서 설명된 것과 같은 단계들을 통해 볼록한 프로파일을 탑 표면에 갖는 기판(10)이 형성된다. 이후, 복수 개의 부가적인 원형 개구부들(26)을 갖는 부가적인 도전층(24)이 상기 탑 표면 상에 형성된다. 도 13e에 보여진 바와 같이 각각의 상기 부가적인 원형 개구부들(26)은 이미 형성된 볼록한 프로파일과 동일한 중심을 갖도록 배치된다. 이때 간략하게 하기 위해 단지 하나의 부가적인 원형 개구부(26)가 보여진다. 이어서, 도 13f와 같이, 상기 기판(10)은 상기 기판(10)의 바닥 표면에 부가적인 다공성층(34)이 성장하도록 양극산화된다. 도 13g에 보여진 바와 같이, 상기 부가적인 다공성층(34)은 상기 양면-볼록 렌즈(L)를 얻도록 상기 부가적인 도전층(24)과 함께 식각된다. 이런 방법으로, 양극산화 공정을 추가함으로써 상기 양면 볼록 렌즈가 간단하게 얻어질 수 있다.
실시예 4
도 14는 양극산화 공정을 추가하는 것을 제외하고 상기 실시예 2와 유사한 본 발명의 실시예 4에 따른 양면-오목 렌즈(double-concavo lens)(L) 제조 공정을 나타낸다. 도 14a 내지 14c에 보여진 바와 같이, 상기 실시예 2에서 설명된 공정에 의해 상기 탑 표면에 복수 개의 오목한 프로파일(단순화하기 위해 하나만 도시)을 갖는 상기 기판(10)이 형성된다. 이후, 도 14d에 보여진 바와 같이, 상기 기판(10)의 전체 탑 표면은 화학적 기상 증착(CVD:Chemical Vapor Deposition)과 같은 알려진 필름 형성 기술에 의해, 적당한 두께, 예컨대, 200nm의 유전체 마스크(40)로 커버된다. 상기 마스크(40)는 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN), 및 실리콘 탄화물(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택된 물질로 만들어질 수 있다. 이후, 상기 마스크(40)는 개구부를 남기도록 각각의 오목한 프로파일의 중심에서 식각된다. 이후, 도 14e에 보여진 바와 같이, 각각의 오목한 프로파일의 중심과 직접 접촉하기 위한 마스크의 개구부 내에 중심 애노드(center anode)(25)를 제공하도록 전체 마스크(40) 상에 알루미늄의 부가적인 도전층(24)이 증착된다. 이후, 상기 기판(10)은 상기 중심 애노드(25)와 동일한 중심을 갖는 바닥 표면의 부가적인 다공성층(34)을 성장시키도록 양극산화된다. 결과적으로, 도 14f에 보여진 바와 같이, 상기 부가적인 다공성층(34)은 양면-오목 렌즈(L)를 얻도록 상기 도전층(24) 및 상기 마스크(40)와 함께 식각되고 개별적으로 컷팅된다.
실시예 5
도 15는 탑 및 바닥 표면들에 있는 다공성층들을 성장시키도록 2회 양극산화하는 것을 제외하고 실시예 1 및 2와 유사한 본 발명의 실시예 5에 따른 오목-볼록 렌즈(concavo-convex lens) 제조 공정을 나타낸다. 도 15a 내지 15c에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 2와 같은 방법으로 기판(10)의 탑 표면에 있는 복수 개의 오목한 프로파일(단순화하기 위해 하나만 도시)을 갖는 상기 기판(10)이 형성된다. 이후, 도 15d에 도시된 바와 같이, 부가적인 도전층(24)이 상기 기판(10)의 탑 표면 상에 증착되고 이어서 이미 형성된 오목한 프로파일과 동일한 중심의 복수 개의 원형 개구부(26)를 남기도록 식각된다. 각각의 개구부(26)는 대응하는 오목한 프로파일의 직경보다 약간 큰 직경을 갖도록 만들어진다. 이어서, 도 15e에 도시된 바와 같이, 각각의 오목한 프로파일과 각각 대응하는 바닥 표면에 부가적인 다공성층이 성장되도록 상기 기판이 양극산화된 후, 도 15f에 도시된 바와 같이, 오목-볼록한 프로파일의 최종 구조물을 갖도록 상기 부가적인 도전층(24)과 함께 상기 부가적인 층(34)이 식각된다.
실시예 6
도 16은 양극산화 공정의 순서를 제외하고 실시예 5와 유사한 본 발명의 실시예 6에 따른 오목-볼록 렌즈 제조의 다른 공정을 나타낸다.
도 16a 내지 16c에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 기판(10)의 탑 표면에 있는 복수 개의 볼록한 프로파일(단순화하기 위해 하나만 도시)을 갖는 기판(10)이 형성된다. 이후, 도 16c에 도시된 바와 같이, 각각의 볼록한 프로파일의 꼭대기에 부가적인 도전층(24)이 증착된다. 각각의 부가적인 층(24)은 각각의 대응하는 볼록한 프로파일의 직경보다 작은 직경을 갖도록 만들어지고 도 16d에 도시된 바와 같이, 양극산화에서 볼록한 프로파일과 동일한 중심을 갖는 부가적인 다공성층(34)을 성장시키는 원인이 된다. 도 16e에 도시된 바와 같이, 오목-볼록한 프로파일의 최종 구조물을 제공하도록 각각의 상기 부가적인 다공성층(34)은 상기 부가적인 도전층(24)과 함께 식각된다.
도 17은 본 발명에 따라 동일하게 제조될 수 있는 실린더형 렌즈(cylindrical lens)(L)를 나타낸다. 이러한 비구형 렌즈(non-circular lens)를 형성할 때, 상기 도전층에 있는 개구부 또는 상기 도전층에 의해 커버된 마스크는 상기 기판의 표면에 평행한 평면에서 사각형이 되도록 모양 지어진다.
비록 상기 볼록한 프로파일이 상기 실시예의 원형 개구부를 갖는 도전층을 사용하여 형성되도록 설명되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않도록 해석되어야 하며, 도 18에 도시된 바와 같이, 도전층(20)과 결합하여 유전체 마스크(50)를 사용하는 방법을 포함하도록 해설되어야 한다. 상기 유전체 마스크(50)는 의도된 볼록한 프로파일에 대응하는 영역에 부분적으로 상기 기판(10)의 바닥 표면에 증착되고, 반면 상기 도전층(20)은 전체적으로 상기 기판의 표면을 덮도록 상기 마스크(50) 상에 증착되어, 이로써 상기 양극산화 공정에서 상기 볼록한 프로파일에 상보적인 배열의 다공성층(30)을 성장시키기 위한 전기장 세기의 다양한(변화하는) 분포를 얻을 수 있다. 상기 유전체 마스크는 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN), 및 실리콘 탄화물(SiC)로 이루어진 그룹에서 선택되며, CVD 또는 이와 같은 알려진 기술에 의해 상기 기판 상에 증착된다.
더 나아가, 본 발명은 실리콘 기판의 사용에 한정되지 않도록 해석되어야 하 고 하기 테이블에 나타난 것과 같은 특정 전해 용액(electrolytic solution)과 결합하여 다른 반도체 물질들(semiconductor material)의 사용이 가능한 것으로 해석되어야 한다.
Figure 112007082547962-pct00001
상기 테이블에서, 상기 반도체 물질 및 상기 전해용액과 결합하여 이용가능한 상기 마스크 물질(mask material)이 나열된다.
본 발명은 광학 렌즈를 제조 및 이용하는 산업, 예컨대, 반도체 산업, 군수산업, 항공우주산업, 의료산업 등에 이용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 전해용액을 포함하는 양극산화장치, 상기 전해용액에 침지된 캐소드, 서로 반대편에 위치하는 평평한 상부 표면 및 평평한 바닥 표면을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 바닥 표면 상에 애노드를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판을 상기 전해용액 내에 제공하는 단계;
    상기 기판의 상기 상부 표면을 영역별로 깊이를 다양하게 변환하도록 상기 애노드 및 상기 캐소드 간에 전류를 흐르게 하여 상기 상부 표면에 다공성층을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 표면 상에 굴곡된 표면을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 다공성층을 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 애노드는 상기 바닥 표면 상에 증착되어 상기 반도체 기판과 일체를 구성하고, 상기 기판의 상기 상부 및 바닥 표면들을 통해 상기 기판의 영역별로 변화하는 전기장 세기의 예정된 분포를 야기하도록 배열되어, 상기 전기장 세기 분포에 부합하는 변화하는 깊이를 갖는 상기 다공성층을 제공하는 광학 렌즈 제조 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성층을 형성하는 단계 후,
    상기 애노드는 상기 기판으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성층은 상기 기판의 상부 표면 전면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 전기장 세기의 상기 예정된 분포를 정의하는 원형의 애노드 패턴을 제공하도록 상기 바닥 표면 상에 부분적으로 형성되고, 상기 애노드의 반대편 영역에 있는 상기 상부 표면에 오목한 프로파일을 주는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드를 형성하는 단계는:
    상기 기판의 상기 바닥 표면 상에 전기적 도전층을 증착하는 단계; 및
    상기 도전층에 원형 개구부를 형성하도록 상기 도전층의 영역을 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 원형 개구부는 상기 원형 개구부 반대편에 있는 상기 상부 표면에 볼록한 프로파일을 제공하는 원인이 되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 전기장 세기의 상기 예정된 분포를 실현하도록 상기 바닥 표면 상에 부분적으로 형성된 유전체 원형 마스크를 포함하여 상기 기판의 상기 바닥 표면 상에 형성되고, 상기 원형 마스크의 반대편 영역에 있는 상기 상부 표면에 볼록한 프로파일을 주는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원형 마스크는,
    상기 기판의 바닥 표면 전면 상에 유전체층을 제공하는 단계; 및
    상기 원형 마스크를 남기도록 상기 유전체층의 일부를 제거하는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘으로 만들어지고, 상기 유전체층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 상부 표면에 형성되어 있는 상기 오목한 프로파일과 동일한 축에 배열되는 부가적인 원형 개구부를 갖는 부가적인 애노드를 상기 상부 표면 상에 형성하는 단계;
    상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계;
    영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계; 및
    상기 바닥 표면에 볼록한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 상부 표면에 형성되어 있는 상기 오목한 프로파일과 동일한 축을 갖는 부가적인 원형 애노드를 상기 상부 표면 상에 부분적으로 형성하는 단계;
    상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계;
    영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 원형 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계; 및
    상기 바닥 표면에 오목한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  11. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 표면에 형성되어 있는 상기 볼록한 프로파일과 동일한 축에 배열되는 부가적인 원형 개구부를 갖는 부가적인 애노드를 상기 상부 표면 상에 형성하는 단계;
    상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계;
    영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계; 및
    상기 바닥 표면에 다른 볼록한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 산화층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  12. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 표면에 형성되어 있는 상기 볼록한 프로파일과 동일한 축을 갖는 부가적인 원형 애노드를 상기 상부 표면 상에 부분적으로 형성하는 단계;
    상기 전해용액에 상기 반도체 기판을 제공하는 단계;
    영역별로 변화하는 깊이를 갖도록 상기 기판의 상기 바닥 표면을 산화시키기 위해 상기 용액 내의 상기 부가적인 원형 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전류를 흐르게 하여 부가적인 산화층을 상기 바닥 표면에 형성하는 단계; 및
    상기 바닥 표면에 오목한 프로파일을 남기도록 상기 기판으로부터 상기 부가적인 산화층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘으로 만들어지고, 상기 전해용액은 불화수소 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p-형 반도체로 만들어지는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 전기장 세기의 상기 예정된 분포를 정의하는 비 구형의 애노드 패턴을 제공하도록 상기 바닥 표면 상에 부분적으로 형성되고, 상기 애노드의 반대편 영역에 있는 상기 상부 표면에 오목한 프로파일을 주는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드를 형성하는 단계는:
    상기 기판의 상기 바닥 표면 상에 전기적 도전층을 부가하는 단계; 및
    상기 도전층에 비 구형 개구부를 형성하도록 상기 도전층의 영역을 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 비 구형 개구부는 상기 비 구형 개구부 반대편에 있는 상기 상부 표면에 볼록한 프로파일을 제공하는 원인이 되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는 상기 전기장 세기의 상기 예정된 분포를 실현하도록 상기 바닥 표면 상에 부분적으로 형성된 유전체 비 구형 마스크를 포함하여 상기 기판의 상기 바닥 표면 상에 형성되고, 상기 유전체 비 구형 마스크의 반대편 영역에 있는 상기 상부 표면에 볼록한 프로파일을 주는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류는 상기 다공성층을 성장시키는 최종 단계에서 감소하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 수 옴 센티미터 내지 수백 옴 센티미터의 저항을 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈 제조공정.
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