KR100979676B1 - 마이크로렌즈 어레이 제조방법 - Google Patents

Abstract

폴리머층의 하부에서 가해지는 공기압이 과도하더라도 마이크로렌즈의 형상이 파열되는 문제점을 발생시키지 않는 마이크로렌즈 어레이 제조방법에 관해 개시한다. 본 발명의 마이크로렌즈 어레이 제조방법은, 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치에 대응되는 곳에 균일한 직경의 관통공과, 상기 관통공 둘레에 에어 벤트 홈을 갖는 기판을 마련하는 제1 단계와; 상기 기판의 상부에 폴리머층을 도포하는 제2 단계와; 상기 폴리머층을 패터닝하여 상기 관통공을 피복하는 동시에 상기 에어 벤트 홈은 노출시키도록 하는 폴리머 패턴을 형성하는 제3 단계와; 상기 기판의 하부에 공기가 들어갈 수 있는 공간을 갖게 해주는 성형틀에 상기 기판을 기밀성 있게 고정하는 제4 단계와; 상기 기판 하부의 공기가 상기 관통공을 통해 상기 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치의 상기 폴리머 패턴을 밀어올려 마이크로렌즈의 형상을 만들어 내게 하는 제5 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

마이크로렌즈 어레이, 과도 공기압, 에어 벤트 홈, 폴리머 패턴, 성형틀

Description

마이크로렌즈 어레이 제조방법 {Method of fabricating microlens array}

본 발명은 마이크로렌즈 어레이 제조방법에 관한 것으로, 특히, 폴리머층의 하부에서 가해지는 공기압이 과도하더라도 마이크로렌즈의 형상이 파열되는 문제점을 발생시키지 않는 마이크로렌즈 어레이 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로렌즈 어레이는 감광성 폴리머 리플로우 방법, 프록시미티 프린팅 방법 (proximity printing), 마이크로젯 프린팅 방법, 계조 마스크를 이용한 리소그래피 방법 등을 이용하여 제조된다. 이 중에서, 감광성 폴리머 리플로우 방법은 공정이 간단하면서 대량 생산에 용이하기 때문에 많이 이용되고 있다. 도 1은 감광성 폴리머 리플로우 방법에 의해 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 종래의 공정을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 등의 기판(100) 상에 감광성 폴리머층을 증착한 후 패터닝하여 폴리머 패턴(110)을 형성한다. 그 다음, 리플로우(reflow) 공정에 의해 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 폴리머 패턴을 변형시켜 마이크로 렌즈 어레이의 기초 구조(112)를 만든다. 그런데, 이러한 방법은 간단하면서 대량 생산에 용이하다는 장점을 갖지만, 사용 폴리머에 대한 제한이 있고, 형상의 조절이 어려울 뿐 아니라 외관 결함이 다량 발생한다는 문제점도 갖는다.

따라서, 이를 극복하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 캐버티(cavity)를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제조방법이 이미 제안된 바 있다. 도 1의 (a)를 참조하면, 기판(100) 상에 캡 웨이퍼(130)가 접착층(120)에 의해 접착된다. 캡 웨이퍼(130)는, 어레이 형태의 마이크로렌즈가 형성될 위치에 공기가 들어갈 수 있는 캐버티(cavity; 122)와 마이크로 관통공(124)을 가지도록 가공된다. 이어서, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 스핀 코팅(spin coating)에 의해 포토 레지스트 등의 폴리머층(140)을 캡 웨이퍼(130) 상에 도포한다. 그 다음, 기판(100)을 가열하여 캐버티(122) 내의 공기를 팽창시켜서 마이크로 관통공(124)의 상부에 있는 폴리머층(140)이 변형되도록 함으로써, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈의 형상(142)을 완성한다. 이러한 방법은 마이크로렌즈의 형태 조절을 용이하게 하고 외관 결함의 발생을 줄이는 장점을 가지지만, 캡 웨이퍼(130)가 캐버티(122) 및 마이크로 관통공(124)을 가지도록 해야하기 때문에, 캡 웨이퍼(130)에 대해 복잡한 공정을 거쳐야 한다는 단점을 갖는다. 또한, 캐버티(122)가 균일한 부피를 가지도록 해야 마이크로렌즈의 형상(142)도 높은 균일도 및 정밀하게 제어된 곡률반경을 갖게 되는데, 캐버티(122)가 균일한 부피를 가지도록 만드는 공정이 쉽지 않다는 단점도 갖는다.

또한, 폴리머층(140)을 캡 웨이퍼(130) 상의 전체 면에 도포한 경우에는, 캐버티(122)에서 상부로 가해지는 공기압이 과도하더라도, 공기가 빠져나갈 곳이 없기 때문에 마이크로렌즈의 형상(142)이 파열되는 현상이 발생하기 쉽다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 마이크로렌즈의 형상이 정밀하게 제어된 곡률반경을 갖도록 해주는 동시에, 폴리머층의 하부에서 가해지는 공기압이 과도하더라도 마이크로렌즈의 형상이 파열되는 문제점을 발생시키지 않는 마이크로렌즈 어레이 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로렌즈 어레이 제조방법은:

마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치에 대응되는 곳에 균일한 직경의 관통공과, 상기 관통공 둘레에 에어 벤트(air vent) 홈을 갖는 기판을 마련하는 제1 단계와;

상기 기판의 상부에 폴리머층을 도포하는 제2 단계와;

상기 폴리머층을 패터닝하여 상기 관통공을 피복하는 동시에 상기 에어 벤트 홈은 노출시키도록 하는 폴리머 패턴을 형성하는 제3 단계와;

상기 기판의 하부에 공기가 들어갈 수 있는 공간을 갖게 해주는 성형틀에 상기 기판을 기밀성 있게 고정하는 제4 단계와;

상기 기판 하부의 공기가 상기 관통공을 통해 상기 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치의 상기 폴리머 패턴을 밀어올려 마이크로렌즈의 형상을 만들어 내게 하는 제5 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 마이크로렌즈의 형상이 정밀하게 제어된 곡률반경을 갖도록 해주는 동시에, 이상팽창되는 문제점이 발생하지 않으므로 마이크로 렌즈 어레이 제조시의 불량발생을 억제할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이 제조방법에서 성형틀에 장착하기 전의 기판의 일부를 나타낸 평면도이다. 도 3을 참조하면, 기판(100)은 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치에 대응되는 관통공(330)을 가지고 있으며, 그 상부에 폴리머 패턴(430)을 갖는다. 폴리머 패턴(430)의 둘레에는 에어 벤트 홈(310)이 관통공(330)을 중심으로 방사 대칭으로 형성되어, 나중에 마이크로렌즈의 형상이 균일하게 만들어지도록 한다. 폴리머 패턴(430)은 관통공(330)의 상부를 완전히 피복하지만, 에어 벤트 홈(310)으로부터는 이격되게 형성되어 에어 벤트 홈(310)은 노출시키도록 형성된다. 도 3에서는 하나의 관통공(330)의 둘레만 나타 내었지만, 이러한 구조가 상하좌우로 반복되면 기판(100)은 전체적으로 어레이의 형상을 갖게 된다. 관통공(330)은 기판(100)의 전체 두께를 관통하여 형성하며, 에어 벤트 홈(310)은 기판의 상부를 일정 깊이로 식각하여 형성한다.

도 4는 도 3의 기판을 준비하기 위한 공정을 설명하기 위해 도 3의 A-A' 선을 따른 단면으로 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 기판(100) 상에 에어 벤트 홈을 형성하기 위한 제1 포토 레지스트 패턴(410)을 먼저 형성한다. 이 제1 포토 레지스트 패턴(410)에 의해 기판(100)을 일정 깊이까지 건식식각 또는 습식식각을 행하여 도 4의 (b)에 도시한 바와 같은 에어 벤트 홈(310)을 형성한다. 이어서, 관통공을 형성하기 위한 제2 포토 레지스트 패턴(420)을 도 4의 (c)와 같이 형성하고, 이를 이용하여 건식식각 또는 습식식각을 행하여 도 4의 (d)와 같이 관통공(330)을 형성한다. 이어서, 관통공(330)은 피복하지만 에어 벤트 홈(310)은 노출시키도록, 마이크로렌즈의 형상을 만들기 위한 폴리머 패턴(430)을 도 4의 (e)와 같이 형성한다. 도 4의 (a) 내지 도 4의 (e)는 하나의 관통공(330)을 중심으로 하여 기판의 일부만 도시한 것이므로, 기판을 성형틀에 고정하기 전에 이를 준비하는 공정을 거친 상태를 단면도로 나타내면 도 4의 (f)와 같다. 도 4에서는 에어 벤트 홈(310)을 관통공(330)보다 먼저 형성하는 공정으로 설명을 하였으나, 관통공(330)을 에어 벤트 홈(310)보다 먼저 형성하여도 무방하며, 이렇게 공정을 진행하는 것은 공정단계의 순서를 간단히 바꿈으로써 쉽게 달성될 수 있는 것이다. 따라서, 이에 대한 별도의 도면이나 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 도 4에 도시된 바와 같이 준비된 기판을 성형틀에 장착하여 본 발명 의 실시예에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 기판(100)은 그 하부에 공기가 들어갈 수 있는 공간(222)을 갖게 해주는 성형틀(500)을 기밀성있게 장착된다. 성형틀(500)은 하부 성형틀(500a)과 상부 성형틀(500b)의 두 부분으로 이루어져 있으며, 하부 성형틀(500a)과 상부 성형틀(500b)은 볼트에 의해 체결되어 있다. 하부 성형틀(500a)과 상부 성형틀(500b) 사이의 체결은 볼트 이외에도 어떤 수단을 사용하여 이루어져도 무방하지만, 하부 오링(O-ring; 510a) 및 상부 오링(510b)과 더불어 기판(100)을 기밀성 있게 고정하면 된다. 이러한 기밀성을 유지하기 위해 본 실시예에서는 오링을 사용하였지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 하부 성형틀(500a) 내부에 히터(520)를 삽입하여 공간(222) 내의 공기가 열팽창할 수 있게 하거나, 하부 성형틀(500a)에 압축공기 분사기(510)를 연결하여 공간(222) 내에 정해진 온도의 압축 공기를 불어넣음으로써 공기가 압력을 가할 수 있도록 하였다. 히터(520)와 압축공기 분사기(510)는 본 발명의 방법을 구현함에 있어서 항상 동시에 구비하여야 하는 것은 아니며, 선택적으로 하나만 구비하여도 무방하다. 도 5의 (a)와 같은 구성에서, 히터(520) 또는 압축공기 분사기(510)를 통해 공간(222) 내의 공기가 압력을 가할 수 있도록 해주면, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 기판(100) 하부의 공기가 관통공(330)을 통해 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치의 폴리머 패턴(430)을 밀어올려 마이크로렌즈의 형상(450)을 만들 수 있게 된다. 이 때, 마이크로렌즈의 형상(450)이 팽창을 계속하여 에어 벤트 홈(310)의 경계를 넘게 되면, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이 팽창된 공기가, 마이크로렌즈의 형상(450)으로 둘 러싸인 공간에서 에어 벤트 홈(310)을 거쳐 점선 C의 방향으로 빠져나가 버리게 된다. 따라서, 마이크로렌즈의 형상(450)에 대해 과도한 공기압이 가해져서 마이크로렌즈의 형상(450)이 파열되려고 하여도, 공기압이 에어 벤트 홈(310)을 통하여 해소되기 때문에, 마이크로렌즈의 형상이 팽창되는 문제점을 발생시키지 않을 뿐 아니라, 마이크로렌즈의 형상이 정밀하게 제어된 곡률을 갖도록 해준다. 또한 마이크로렌즈의 밑면의 반경은 에어 벤트 홈의 위치에 의하여 결정된다.

도 6은 도 3의 평면도에 도시된 기판의 일부에 대해 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정이 적용된 결과를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 마이크로렌즈의 형상(450)이 에어 벤트 홈(310)의 경계까지만 팽창하고 더 이상의 팽창을 멈추게 됨을 알 수 있다. 이러한 에어 벤트 홈(310)이 본 실시예에서는 하나의 관통공(330)에 대해 방사 대칭으로 4개 형성되었지만, 제조하고자하는 마이크로 렌즈의 구조에 따라서 4개보다 더 많은 수로 방사 대칭으로 형성될 수도 있고, 경우에 따라서는 수평으로 형성된 에어 벤트 홈과 수직으로 형성된 에어 벤트 홈에서 관통공(330)까지의 각각의 거리를 서로 다르게 하여 마이크로 렌즈의 단면 형상이 타원형이 되게 할 수도 있다. 물론, 에어 벤트 홈까지 마이크로렌즈의 형상을 팽창시키지 않은 상태에 공정을 종료할 수도 있는데, 이 때 최종 렌즈의 형상은 주어진 온도에서 공기의 압력과 폴리머의 표면장력 및 기판과의 부착력 등이 평형을 이룸으로써 결정되고, 렌즈의 밑면의 반경은 에어 벤트 홈의 위치에 의하여 결정된다.

도 1은 감광성 폴리머 리플로우 방법에 의해 마이크로렌즈 어레이를 제조하는 종래의 공정을 설명하기 위한 단면도;

도 2는 캐버티(cavity)를 이용한 종래의 마이크로렌즈 어레이 제조방법을 설명하기 위한 단면도;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이 제조방법에서 성형틀에 장착하기 전의 기판의 일부를 나타낸 평면도;

도 4는 도 3의 기판을 준비하기 위한 공정을 설명하기 위해 도 3의 A-A' 선을 따른 단면으로 나타낸 도면;

도 5는 도 4에 도시된 바와 같이 준비된 기판을 성형틀에 장착하여 본 발명의 실시예에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면; 및

도 6은 도 3의 평면도에 도시된 기판의 일부에 대해 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정이 적용된 결과를 나타낸 도면이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명 *

100: 기판

310: 에어 벤트 홈

330: 관통공

430: 폴리머 패턴

450: 마이크로렌즈의 형상

510a, 510b: 오링

500: 성형틀

510: 압축공기 분사기

520: 히터

Claims (6)

1. 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치에 대응되는 곳에 균일한 직경의 관통공과, 상기 관통공 둘레에 에어 벤트 홈을 갖는 기판을 마련하는 제1 단계와;

   상기 기판의 상부에 폴리머층을 도포하는 제2 단계와;

   상기 폴리머층을 패터닝하여 상기 관통공을 피복하는 동시에 상기 에어 벤트 홈은 노출시키도록 하는 폴리머 패턴을 형성하는 제3 단계와;

   상기 기판의 하부에 공기가 들어갈 수 있는 공간을 갖게 해주는 성형틀에 상기 기판을 기밀성 있게 고정하는 제4 단계와;

   상기 기판 하부의 공기가 상기 관통공을 통해 상기 마이크로렌즈 어레이가 형성될 위치의 상기 폴리머 패턴을 밀어올려 마이크로렌즈의 형상을 만들어 내게 하는 제5 단계;

   를 구비하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제5 단계가, 상기 기판 하부의 공간에 정해진 온도의 압축 공기를 불어넣음으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제5 단계가, 상기 기판 하부의 공기를 가열함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계가:

   상기 에어 벤트 홈을 노출시키는 마스크 패턴에 의해 상기 기판을 일부 식각하는 단계와;

   상기 관통공을 노출시키는 마스크 패턴에 의해 상기 기판을 완전 식각하는 단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계가:

   상기 관통공을 노출시키는 마스크 패턴에 의해 상기 기판을 완전 식각하는 단계와;

   상기 에어 벤트 홈을 노출시키는 마스크 패턴에 의해 상기 기판을 일부 식각하는 단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 에어 벤트 홈이 상기 관통공을 중심으로 방사 대칭형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이 제조방법.

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