KR101055902B1

KR101055902B1 - 광학적 상호접속을 위해 사출 성형된 마이크로렌즈

Info

Publication number: KR101055902B1
Application number: KR1020107026618A
Authority: KR
Inventors: 로렌스 자코보위츠; 캐시머 데커사티스
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2011-08-09
Also published as: US20070030570A1; CN101223469B; US7446942B2; KR20100130646A; US7295375B2; US8162656B2; EP1910886A4; DE602006006838D1; EP1910886A2; WO2007019008A2; US20070297063A1; KR20080033301A; JP5225443B2; ATE431565T1; JP2011253204A; KR101127288B1; EP1910886B1; CN101223469A; US20080218869A1; JP2009503611A

Abstract

본 발명은 마이크로렌즈 어레이, 및 다른 디바이스 상에 마이크로렌즈 어레이를 위치 및 정렬시키는 방법을 개시한다. 일반적으로, 마이크로렌즈 어레이는 사출 성형된 마이크로렌즈 소자(12, 14)의 어레이, 및 지지 플랜지(22)를 포함한다. 마이크로렌즈 소자 각각은 대체적으로 회전 타원형 또는 구형의 모양을 갖고, 지지 플랜지는, 인쇄 회로 기판, 반도체 패키지 또는 웨이퍼 상에 그 렌즈 어레이를 용이하게 위치시키기 위해 마이크로렌즈 소자 어레이를 함께 접속시킨다. 이 어레이는 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL)로 사용하기에 매우 적합하며, 특히, 본 발명의 바람직한 실시예는, 사출 성형에 의해 제조되는 마이크로렌즈 소자 어레이를 사용함으로써 VCSEL 레이저 어레이 정렬의 문제를 해결한다.

Description

광학적 상호접속을 위해 사출 성형된 마이크로렌즈{INJECTION MOLDED MICROLENSES FOR OPTICAL INTERCONNECTS}

본 발명은 일반적으로 마이크로렌즈에 관한 것이고, 더 상세하게는, 특히 광학적 상호접속에 적합한 사출 성형된 마이크로렌즈에 관한 것이다.

최근 다양한 서버 및 저장 애플리케이션을 위한 더 넓은 대역폭의 광섬유 상호접속의 개발에 대한 관심이 일고 있다. 예를 들어, 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)로 구성된 광 전송기 어레이는, 250 마이크론 피치에서 어레이 당 12개 레이저까지 상업적으로 이용 가능하다. 이 디바이스들은 병렬 광학 상호접속(POI; parallel optical interconnect)을 형성하기 위해 광섬유 리본을 이용하여 유사한 광검출기 어레이들과 상호 접속된다. 이 디바이스들은, Agilent, Tyco, Emcore, Picolight, 및 Xanoptix를 포함하여 많은 회사들로부터 이용 가능하다. 예를 들어, 이 디바이스들은 스위치들 사이의 클러스터링 섬유의 일부로서 최첨단 기술의 컴퓨터에서 사용될 수 있는데, 이는 더 높은 대역폭 및, 건물 대용량 서버 클러스터에 필수적인 장거리 링크를 가능하게 한다. 어레이 당 4개 광학 소자만을 갖는 더 작은 버전의 POI는 I/O 애플리케이션을 위해 큰 용적물에서도 사용되고, 그 밖의 용도는 이 기술의 미래 클러스터링 애플리케이션을 위해 개발되고 있다. 2.5 Gbit/s/line 내지 5 Gbit/s/line 범위의 데이터 레이트의 4X, 8X, 및 12X 어레이를 포함하여, 다양한 넓이의 POI가 표준화되어 왔다. 듀얼 칩 및 멀티-칩 모듈로의 VCSEL의 직접적인 집적화를 포함하여, 더 앞선 애플리케이션들도 고려중이다.

POI는, 상당히 높은 대역폭 및 수배에 이르는 구리 링크의 거리; 전자기 간섭에 대한 면역; 더 작아지고, 더 조밀해진 패키징; 및 더 가벼워진 무게, 더 유연해진 케이블 어셈블리를 포함하는, 많은 기술적 이점들을 제공한다. 이런 링크들의 광범위해진 채택에 대한 중요한 방해요인은, 구리 대체물과 비교하여 상대적으로 고비용이라는 것이고, 결과적으로, 오늘날 POI는 비용에 영향을 받지 않는 애플리케이션 또는 임의의 다른 방법으로는 달성될 수 없는 거리와 대역폭의 조합을 요구하는 애플리케이션에서만 유일하게 사용된다. 따라서 POI에 대한 비용 절감이 강력히 요구될 것이다.

POI의 주된 비용 요인은 레이저의 어레이와 광섬유의 대응 어레이 사이에 요구되는 능동 정렬이다. 이와 같은 마이크로렌즈 소자의 제조는 현재 10억 달러 시장 가능성이 있고, 앞으로 더 성장할 것으로 추정되고 있다. 목표는 저비용이면서 가능한한 효율적으로 적외선(통상 850nm 근처의 파장)을 VCSEL 개구(초기 2-3 마이크론 직경)로부터 섬유 코어(통상 50 마이크론 직경)로 발사하는 것이다. VCSEL로부터의 레이저 빔이 매우 높은 다이버전스를 갖기 때문에, 섬유 코어를 레이저 개구에 직접 맞대어 위치시키는 것(버트 커플링(butt coupling))은 실용적이지 못하다, 즉, 레이저 개구에 충분히 가깝게 섬유를 가져가기 위해 표준 광학 어레이 커넥터(MPO와 같은)를 사용하는 것은 불가능하다. 이것이 가능하고 빔 직경이 섬유 코어보다 더 작을지라도, 섬유의 개구수와 부정합하는데 기인하여 여전히 손실이 발생할 것이다(빔의 일부가 여전히 섬유의 수용 각도를 초과하여 안내되지 못할 것이다).

본 발명의 목적은 웨이퍼-스케일 제조 및 광학 컴포넌트와의 전자 집적화를 가능하게 하는 것이다.

이런 이유로, 모든 실제적인 VCSEL 어레이는, 섬유 어레이로 광을 용이하게 커플링할 수 있는 렌즈 구조의 일부 형태를 이용한다. 이 문제는, 렌즈 및 VCSEL 설계에서의 누적 공차 런아웃과 같은 효과에 기인하여 단일 레이저 및 섬유의 정렬보다 훨씬 더 복잡하다. 종래의 렌즈 소자는 개별적으로 제조되고 (예를 들어, 유리로 만들어진 구형 또는 공 모양의 렌즈), VCSEL 어레이에 소자들을 수동으로 정렬시킬 수 있었는데, 이것은 저비용 제조 공정이 아니며, 커플링된 광출력의 균일성이 어레이 전반에 걸쳐 잘 제어되지 않는다. 레이저 및 렌즈를 적당히 정렬시키는 것의 실패, 또는 정렬 후 레이저 어레이 소자의 실패로부터의 높은 제조 실패율이 존재하고, 이는 오늘날 직면한 고비용에 대한 중요한 이유이다. 따라서, VCSEL 어레이 렌즈를 위한 저비용 고용적의 제조 방법, 및 이 렌즈들을 VCSEL 패키지에 부착시키기 위한 저비용의 어셈블리/정렬 절차의 산업적 필요성이 존재한다.

본 발명의 목적은 인쇄 회로 기판 및 웨이퍼 스케일 제조 및 광학 컴포넌트들과의 전자 집적화를 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 목적은 향상된 마이크로렌즈 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로렌즈들을 인쇄 회로 기판 또는 반도체 패키지 또는 웨이퍼 상에 부착하기 위한 저비용의 정렬 절차를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 사출성형에 의해 제조되는 마이크로렌즈 소자들의 어레이를 이용하여 VCSEL 레이저 어레이 정렬의 문제를 처리하는 것이다.

이 목적 및 다른 목적들은, 마이크로렌즈 어레이, 및 다른 디바이스 상에 마이크로렌즈 어레이를 위치 및 정렬하는 방법으로 달성된다. 일반적으로, 마이크로렌즈 어레이는 사출성형된 마이크로렌즈 소자의 어레이, 및 지지 플랜지(supporting flange)를 포함한다. 마이크로렌즈 소자들 각각은, 일반적으로는 원뿔 모양의 회전 단면이고, 회전 타원체, 타원체, 또는 원통형의 모양일 수도 있으며, 지지 플랜지는 렌즈 어레이를 용이하게 위치시키기 위해 마이크로렌즈 소자의 어레이를 함께 접속시킨다. 이 어레이는 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL)와 함께 사용하기에 매우 적합하고, 특히, 본 발명의 바람직한 실시예는 사출 성형에 의해 제조된 마이크로렌즈 소자의 어레이를 이용함으로써 VCSEL 레이저 어레이 문제를 처리한다.

본 발명의 바람직한 실시예는, 하나의 공정 단계에서 렌즈 어셈블리 상의 반사 방지 면(facet)과 같은 특징들을 포함하는, 렌즈 어레이 제조를 허용한다. 몰딩 공정은 렌즈 표면과 동일한 높은 공차를 갖고 렌즈 소자들 사이에 플랜지 제조를 허용하도록 변경될 수 있다. 전체 렌즈 어레이는 VCSEL에 리소그래피의 정밀도로 정렬될 수 있어, 현재의 기술에서 가장 시간 소비적이고 비용이 드는 단계들 중 일부 단계들을 생략할 수 있다. 이 공정은 또한 결과 VCSEL 어레이의 웨이퍼-스케일 테스트를 가능하게 하여, 비용을 절감하고 생산량을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 회절 렌즈 구조를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 주형판(mold plate)을 제공하는 단계, 주형판 전반에 어레이된 한 세트의 링을 패터닝하는 단계, 및 링들 사이의 공간들을 개구하는 단계들을 포함하고, 이 링들은 주형판 상의 인시츄(in-situ) 마스크가 된다. 이 방법은 광학 폴리머를 링들 사이의 공간으로 조향하는 단계, 링 렌즈 어레이를 형성시키기 위해 그 광 폴리머를 중합시키는 단계, 및 링 렌즈 어레이를 기판으로 전사시키는 단계들을 추가로 포함한다.

바람직하게, 상기 제공 단계는 포토레지스트 층이 상부에 증착된 주형판을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 패터닝 단계는, 주형판 전반에 어레이된 링 세트를 패터닝하기 위해, 광을 대응시켜 투과 및 차단하는, 어두운 링과 밝은 링이 교대하는 마스크를 포함하는 포토리소그래피 시스템을 이용하는 단계를 포함한다. 또한, 바람직한 실시예에서, 상기 조향 단계는 광 폴리머를 링들 사이의 공간으로 주입하는 단계를 포함하고, 개구하는 단계는 링들 사이의 공간들을 개구하기 위해 패터닝된 어레이를 현상 및 세정하는 단계를 포함한다. 이 바람직한 방법은 링-에칭된 구조의 측벽들을 등각 코팅하기 위해 이형층(release layer)들을 제공하는 단계, 및 기판에 주형판을 용이하게 정렬하기 위해 주형판 상의 정렬 마크들을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

본 발명의 추가 이득 및 이점들은, 본 발명의 바람직한 실시예들을 구체화 및 도시하는 첨부한 도면들을 참조하여 주어지는 후속되는 상세한 설명을 통해 명료해질 것이다.

본 발명에서 제공되는 어레이는 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL)와 함께 사용하기에 매우 적합하며, 사출 성형에 의해 제조되는 마이크로렌즈 소자 어레이를 사용함으로써 VCSEL 레이저 어레이 정렬의 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 사용되는 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL)를 도시한 도면,
도 2는 마이크로렌즈 어레이를 몰딩하기 위한 어셈블리를 도시한 도면,
도 3은 마이크로렌즈 어레이를 몰딩한 다음, 그 렌즈들을 반도체 웨이퍼 상으로 전사시키기 위한 절차들을 일반적으로 개략화한 공정도;
도 4는 반도체 웨이퍼에 마이크로 렌즈를 정렬 및 클램핑하기 위한 절차를 도시한 도면,
도 5는 마이크로렌즈 어레이에 제공되는 반도체 웨이퍼를 검사하기 위한 절차를 도시한 도면,
도 6은 사출 성형된 회절 렌즈 구조를 형성시키기 위한 공정을 도시한 도면,
도 7은 도 6의 공정을 이용하여 형성된 회절 렌즈의 단면도를 도시한 도면이다.

본 발명은, 대체적으로는 마이크로렌즈 어레이 및 다른 디바이스상에 마이크로렌즈 어레이를 위치 및 정렬시키는 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 마이크로렌즈 어레이는 사출 성형된 마이크로렌즈 소자의 어레이 및 지지 플랜지(supporting flange)를 포함한다. 마이크로렌즈 소자 각각은 일반적으로 회전 타원형, 타원형, 또는 원통형 모양을 갖고, 지지 플랜지는 이 렌즈 어레이를 용이하기 위치시키기 위해 마이크로렌즈 소자 어레이를 함께 접속시킨다. 이 어레이는 수직공동 표면 발광 레이저(VCSEL)와 함께 사용하기에 매우 적합하고, 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 사출 성형에 의해 제조된 마이크로렌즈 소자 어레이를 사용함으로써 VCSEL 레이저 어레이 정렬의 문제를 해결한다.

VCSEL이 거의 원형인 단면을 갖는 빔을 방출하기 때문에, 원형 대칭 렌즈 또는 왜상(anamorphic) 렌즈는 본 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 15-20°의 다이버전스를 갖는 전형적인 VCSEL 빔은 6° 정도의 낮은 수용각을 갖는 섬유 코어에 결합될 필요가 있다. 그러나, 결과적인 광 서브어셈블리는 국제 레이저 안전 조약(IEC 825)에 따르는 시력 보호도 따라야만 한다. 바람직한 레이저 제품 분류는 클래스 1이거나, 또는 확대 광학 부품의 도움 없이도 훈련되지 않은 집단이 보기에 본질적으로 안전한 클래스이다. 이를 달성하기 위한 한가지 방법은 렌즈를 이용함으로써, 개구 VCSEL 전송기 포트로부터 눈에 도달하는 액세스 가능한 레이저 방출의 에너지 밀도를 감소시키는 빔의 다이버전스를 제어하는 것이다. 빔을 마이크로렌즈에 부분적으로 시준하는 것은(collimating), 시력 보호를 희생시키지 않고서도 결합된 출력을 최대화하는 능력을 제공한다. 렌즈의 곡면은 VCSEL 다이버전스 변화 효과를 최소화하기 위해 VCSEL의 필드에 근접한 곳에 위치되어야 한다. 이런 원칙은 첨부한 도면들에 의해 도시된다.

더 상세하게, 도 1에는 VCSEL(10), 레이저 빔(16)을 부분적으로 시준하는 한 쌍의 렌즈(12, 14), 및 광섬유(20)가 도시되어 있다. 도 1의 장치에서, 렌즈 소자(12)는 지지 플랜지(22)에 부착되고, 이 실시예에서, 직경 내의 플랜지 공차는 바람직하게 매우 낮아, 렌즈 어레이 결합을 용이하게 한다. 이와 같은 플랜지(22)의 사용은 VCSEL 어레이와 동일한 패키지 내부의 마이크로렌즈 어레이의 어셈블리를 용이하게 하여, 집적화된 광 트랜시버 서브 어셈블리를 형성한다. 플랜지(22) 및 렌즈 소자들(12, 14)의 공차는, 커넥터 위치가 1마이크론보다 작은 크기만큼 오정렬되는 경우, 20% 이상의 광출력 편차를 일으킨다. 따라서, 마이크로렌즈 어레이를 제조하기 위해 사용되는 수단은 바람직하게 낮은 공차를 유지하고 어레이 런아웃을 최소화한다. 마이크로렌즈들(12, 14)은 그들의 작은 사이즈 때문에, 종래의 방법을 이용하여 폴리싱될 수 없고, 제조 공정은 바람직하게 광학적 애플리케이션을 위한 충분히 매끄러운 표면을 만든다. 최종적으로, 마이크로렌즈는 바람직하게, 반사-유도된 강도 노이즈로서 알려진 불안정한 상태를 일으키고 비트 에러 레이트를 열화시키는, 레이저로의 광의 되반사를 최소화한다. 미소 각(4-6°)의 렌즈 정점(apex)에서의 작은 평편부(24)는 되반사된 광을 최소화하기 위해 이용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 이런 특성들을 갖는 VCSEL 렌즈 어레이는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 사출 성형 기술을 이용하여 제조된다. 이 도면들을 참조하여, 우선, 도면 부호 30으로 표시된, 금속, 실리콘 그래파이트(graphite), 유리 등과 같은 금속 주형판(32)은, VCSEL 마이크로렌즈 시스템에 대해 원하는 곡률 반경을 갖는 공동 어레이(34)로 설계된다. 주형판은, 보다 저온의 렌즈 재료로 사용되는 경우, 실리콘으로 제조될 수도 있다. 주형판(32)은 임의의 표면 곡면으로 공동에 설계될 수 있으므로, 레이저 시력 안전을 위해 렌즈를 부분적으로 시준하는 설계를 용이하게 한다. 결과적인 렌즈 소자는 VCSEL 소자의 규격에 공간적으로 근접하게 매칭되고, 렌즈 간격 또는 곡면의 편차는, 상이한 섬유 코어 직경/개구수의 사용뿐만 아니라 다른 섬유 피치로의 공간적 변화를 용이하게 한다.

도면부호 36으로 표시된 바와 같이, 이 주형판(32)은, 적당히 낮은 융점(150°C 내지 250°C)을 갖는 저온의 (100°C 내지 150°C 범위의) 유리 또는 플라스틱과 같은 적합한 렌즈 재료(40)로 채워진다. 화학선(actinic) 조사(illumination)의 선택된 파장(들)을 이용하여, 특정 각도로의 광중합은 몰드 공동부에서 인시츄 방식으로 또는 목표 디바이스 어레이로의 사후 전사에서 마이크로렌즈 어레이의 굴절률을 조정할 수 있다. 다른 방법으로는, 특별한 공정 단계로, 임의의 종류의 더 높은 융점을 갖는 유리가 추가 비용을 위해 수용될 수 있다. 재료 선택에 따라, 마이크로렌즈의 용이한 이형화(de-molding)를 위해, 몰드는 우선 (테프론과 같은) 광학적 이형층으로 코팅될 수 있고, 마이크로렌즈 어레이의 경우, 기판의 상부 표면도 이형층으로 코팅될 수 있다. 주목할 것은, 이형층이 렌즈 어레이의 용이한 제거를 위해 렌즈 플랜지 영역에 제공될 수 있다는 것이다. 주형판(32)은 융용된 렌즈 재료로 채워지고, 바람직하게는, 복수의 어레이 소자를 접속시키는 렌즈 플랜지(22)는 (테프론 이형층으로 코팅될 수도 있는) 주형판에서 인접한 렌즈 소자들 사이의 접속부(42)를 남겨놓음으로써 동시에 제조된다. 이는 플랜지 공차의 빈틈없는 제어를 제공한다. 다른 방법으로는, 도 3에서 단계(44)로 표시된 바와 같이, VCSEL 표면은, 별개의 동작으로 성형화되거나 가공되어, VCSEL과 이 VCSEL들의 근처 필드에서의 어레이와의 수동 자체 정렬을 용이하게 하도록 플랜지(22)와 짝이 맞는 한 짝의 공평면을 형성할 수 있다.

깊은 렌즈 공동(34) 및 얕은 접속 플랜지(42) 양자를 균일하게 채우기 위해 렌즈 재료(40)에 대한 압력 제공이 조정될 필요가 있을 수 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 전체 어레이가 완성되기 전에 냉각을 시작하기보다는(이는 열적 불균형 및 분열을 야기할 수 있다), 전체 렌즈 어레이가 채워질 때까지 렌즈 재료가 흐르도록 (150°C 내지 300°C 범위의) 충분히 높은 온도에서 융용된 렌즈 재료를 융용된 상태로 유지하는 것이 바람직할 수 있는데; 선택적인 가열 소자(46)가 이러한 목적을 위해 주입 툴(50) 주위를 감싸는 것으로 도시되어 있다. 다른 방법으로는, 주형판(32)을 따르는 주입 툴의 스캔 속도는 주입 툴이 (플랜지와 함께 있거나 또는 렌즈 소자 사이에서의 영역과 같이) 기판의 좀 더 얇은 영역에서는 보다 빠르게 지나가도록 변경될 수 있다. 선택적인 디지털 마이크로제어기(도시 생략)는 이 목적을 위해 스캔 위치 제어기와 인터페이스로 접속될 수 있다. 몰드 공동(34)은, 되반사되는 광을 최소화하기 위해, 렌즈 정점 및 미소 각도에서 작은 평편부(52)가 있는 것으로 설계될 수 있다. 다른 방법으로는, 렌즈 정점은 이런 공동을 제조하기 위해 리액티브 이온 에칭(RIE)을 받을 수도 있다.

주형판(32)은 바람직하게, 마이크로렌즈 어레이를 용이하게 위치 및 제거하기 위한 정렬 마킹들을 포함한다. 상보형(complementary) 마킹들은 VCSEL 웨이퍼 상에서 다른 어레이의 끝에 있는 기판 내에 에칭되어 제공되거나 또는 그 외의 방식으로 제공되며, 이 마킹들은 리소그래피 정밀도로 구현될 수 있다. 도 3 및 도 4에서 도면부호 54로 표시된, 렌즈 어레이와 VCSEL 어레이와의 정렬은 광학 검사 기술을 이용하여 가시광선 하에서 수행될 수 있는데, 그 렌즈 어레이의 수동 조절을 위한 필요 조건은 존재하지 않는다. 이 공정은 렌즈 어레이를 VCSEL 웨이퍼 상으로 반전 또는 플립핑하는 단계; 렌즈 상에 마킹들을 검사 및 정렬하는 단계; 도면부호 56으로 표시된 바와 같이, 정렬된 위치의 주형판을 고정 위치로 클램핑하거나 고정시키는 단계; 마이크로렌즈 어레이를 VCSEL 표면 상으로 전사시켜(60), 도면부호 62로 표시된 바와 같이 렌즈/플랜지 이형층을 분리하는 단계; 및 도면부호 64로 표시된 바와 같이, 클리닝 및 재사용을 위해 주형판을 제거하여, 렌즈 어레이를 광 에폭시, 굴절률 매칭 젤, 또는 이와 유사한 작용제가 있는 장소에 부착하는 단계를 포함한다.

이는 VCSEL-렌즈 어레이의 웨이퍼-스케일 테스팅(66)을 가능하게 한다. 도 5를 참조하면, 렌즈 소자(70)는, VCSEL 웨이퍼(72)가 다이싱되기 전에 부착될 수 있고, 전기 프로브는 웨이퍼 스케일 VCSEL 소자에 전압을 인가하고 광 출력을 생성하기 위해 사용된다. 도면부호 74로 표시된 임의의 적당한 센서 또는 검출기로 감지되는 레이저-렌즈 어레이의 광 특성은 집적 웨이퍼 스케일로 특성화되어, 제조 테스트에서 상당한 비용을 절감할 수 있다.

하이 레벨의 레이저 광 되반사를 제어하기 위해 대체 기술이 이용될 수 있다. 렌즈 재료(40)가 여전히 융용되어 있는 동안, 주형판(32)을 약간 기울게 함으로써, 렌즈 어레이의 상부 표면이 매우 얕은 각(미소 각)으로 흐르도록 만들 수 있다. 렌즈 재료가 경화될 때까지 몰드가 기울어진 위치로 고정된다면, 한 측면 상의 렌즈와 전체 렌즈 어레이를 가로질러 다른 측면 상에는 되반사 각을 갖는 렌즈들로 어레이를 형성시키는 것이 가능하다. 하이 레벨의 되반사가 발생하는 애플리케이션, 또는 되반사가 원래 전송된 빔 개구보다 훨씬 큰 애플리케이션에 대해,이는 마이크로렌즈의 축으로부터 반사된 초과 광이 레이저 개구로 되돌아 가는 것을 방지한다.

도 6의 흐름도는 프레넬 윤대판 회절 렌즈 구조를 형성하기 위한 순서가 정해진 공정 시퀀스를 도시하고 있다. 단계(80)에서, 적당한 주형판 또는 광학적으로 평편한(optically flat) 붕규산 유리판과 같은 템플릿 재료는 포토레지스트의 블랭킷 층 상에 증착된다. 단계(82)에서, 광을 대응시켜 투과 또는 차단하는 교대하는 다크-라이트 링 마스크를 이용하는 프로젝션 포토리소그래피 시스템은, 템플릿 전반에 어레이된, 한 세트의 동심 링 또는 환형 고리를 포토패터닝한다(photopattern). 단계(84)에서, 패터닝된 어레이의 후속하는 현상 및 세정은 링 사이의 공간을 개구한다. 이 링들은 여기서 주형판의, 리액티브 이온 에칭(RIE), 또는 플루오르화수소산, 또는 다른 적합한 웨트-에칭을 위한 인시츄(in-situ) 마스크이며, 이 과정은 단계(86)에서 행해진다. 링-공동 어레이를 채우기 위해 사용되는 저융점 (300℃보다 낮은) 유리의 사출 성형 광학 폴리머의 분리를 보장하기 위해, 단계(90)에서, 구조물에 에칭된 동심 링의 측벽들을 균일하게 코팅하기 위해 방출 층이 적용된다. 단계(92)에서, 필툴(fill tool)은 광학 폴리머를 링-공동 안으로 주입한다. 포토리소그래피 정렬 키는 링 패터닝 동안 동시에 형성되고, 디바이스 웨이퍼 또는 사출 성형 중심 링 어레이가 전사될 기판상의 대응하는 위치에 위치된 정렬 마크를 짝맞춤 하기 위한 최적의 정렬을 위해 주형판 상에 적당히 위치된다. 그 다음 단계(94)에서, 포토폴리머 링 렌즈의 정렬, 클램핑, 및 전사가 완료된다. 단계(96)에서, 포토폴리머에 의해 흡수될 스펙트럼 콘텐츠를 갖는 광 소스에 의한 분리 및 연속 조사가 링 렌즈 재료를 더 단단하고, 보다 내구성 있는 상태로 크로스-링크하기 위해 광중합화(photopolymerization)를 유도할 것이고, 동시에, 회절 렌즈 또는 프레넬 윤대판의 굴절률을 미세 조정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, RIE 조건은 회절 렌즈를 포함하는 링 표면의 소정의 파셋팅(faceting) 또는 블레이징(blazing)을 허용하기 위해 RIE 챔버 압력 또는 가스조성을 조정함으로써 소정의 이방성(anisotropy)각을 달성하기 위해 조정될 것이다. 도 7은 회절 렌즈의 단면도이다.

기준 마크를 이용하는 포토리소그래피 정렬의 매우 정밀한 기술을 적용함으로써, 레이저의 근처 필드에 이상적인 높은 커플링 효율을 달성하기 위해 회절 렌즈가 VCSEL 접합부 바로 위에 부착될 수 있다. 따라서 본 발명은, 웨이퍼-스케일 정렬 및 커플링 굴절 렌즈 또는 회절 렌즈의 VCSEL 디바이스의 방출 접합부로의 부착을 개시하고, MEMS 웨이퍼의 MEMS 디바이스 어레이의 유사한 부착 또는, VCSEL과 MEMS 구성의 결합으로 용이하게 확장된다.

윤대판을 형성하도록 만족되는 기초 물리 광학 조건은, 대안의 투과성 및 흡수성 또는 반사성 링이 특정 진폭-위상 간섭으로부터 기인한 피크 및 널의 주기 함수를 만들기 위한 직경을 갖는 것이다. 이와 같은 조건은, 당업자들에게 잘 알려져 있고, 반지름 스텝 크기, 고리 모양의 두께, 고리 모양이 높이, 블레이즈 각, 굴절률, 및 반사율과 같은 파라미터들의 제어된 변수에 의해 그리고 본 발명에 의해 완전히 부여될 수 있다. 본 발명의 주요 이점들은 회절 마이크로렌즈 및 그것의 웨이퍼-스케일 제조의 확장성이다.

본 명세서에 기술된 본 발명이 상기 기술된 목적들을 모두 만족시키기 위해 잘 평가된 것으로 나타나는 반면, 많은 변경 및 실시예들이 당업자들에 의해 고안될 수 있고, 첨부한 청구항들은 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 이와 같은 변경 및 실시예들을 포함하는 것으로 의도되었다.

Claims

회절 렌즈 구조를 형성하는 방법에 있어서,
주형판을 제공하는 단계;
상기 주형판에 걸쳐 어레이로 형성된 링들의 세트를 패터닝하는 단계;
상기 링들 사이의 공간을 개구하는 단계로서, 상기 링들은 상기 주형판 상의 마스크가 되는 것인, 개구 단계;
광학 폴리머를 상기 링들 사이의 공간에 보내는 단계;
링 렌즈 어레이를 형성하기 위해 상기 광학 폴리머를 중합시키는 단계; 및
기판에 상기 링 렌즈 어레이를 전사시키는 단계
를 포함하는 회절 렌즈 구조 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 제공 단계는 상기 주형판 상에 막형성된 포토레지스트 층을 상기 주형판에 제공하는 단계를 포함하고;
상기 패터닝 단계는 상기 주형판에 걸쳐 어레이로 형성된 링들의 세트를 패터닝하기 위해, 광을 대응시켜 투과 및 차단하는 어두운 링과 밝은 링이 교대하는 마스크를 포함하는 포토리소그래피 시스템을 이용하는 단계를 포함하며;
상기 보내는 단계는 상기 광학 폴리머를 상기 링들 사이의 공간으로 주입시키는 단계를 포함하고;
상기 개구 단계는 상기 링들 사이의 공간을 개구하기 위해 패터닝된 어레이들을 현상 및 세정하는 단계를 포함하며;
링-에칭된 구조물의 측벽을 등각으로 코팅시키기 위해 이형층(release layer)을 제공하는 단계; 및
상기 주형판을 상기 기판에 용이하게 정렬시키기 위해 상기 주형판 상에 정렬 마크들을 형성하는 단계
를 더 포함하는 회절 렌즈 구조 형성 방법.