KR101522977B1 - 마이크로 광학 장치의 대량 생산, 그에 대응하는 도구 및 결과적인 구조물 - Google Patents

마이크로 광학 장치의 대량 생산, 그에 대응하는 도구 및 결과적인 구조물 Download PDF

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Abstract

마이크로 광학 요소는 지지용 기판, 지지용 기판상의 제 1 표면에 있는 경화된 복제 물질의 마이크로 광학 렌즈 및, 수직 방향을 따라서 마이크로 광학 렌즈들과 정렬되고 겹쳐지는 불투과 재료를 포함한다.

Description

마이크로 광학 장치의 대량 생산, 그에 대응하는 도구 및 결과적인 구조물{Mass production of micro-optical devices, corresponding tools, and resultant structures}
본 출원은 2007.4.23. 에 제출된 가출원 No. 60/907,936 에 관한 것으로서, 그 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명의 구현예들은 마이크로 광학 장치들의 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 구현예들은 마이크로 광학 장치들의 대량 생산에 관한 것이며, 그에 대응하는 도구 및 결과적인 구조물에 관한 것이다.
마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 광학 장치의 대량 생산은 복제 공정(replication process) 또는 리소그래피 공정(lithographic process)을 이용하여 구현될 수 있다. 복제 공정은 사출 성형, 고온 엠보싱(hot embossing) 및 자외선 엠보싱(UV embossing)을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈는 굴절성이거나, 회절성이거나 또는 혼성형(hybrid)일 수 있다. 통상적으로 마이크로 렌즈(micro-lens)들은 광의 파장 특성이 고려되어야 하는, 그러한 크기의 구조를 가진다.
현재, 더욱 복잡한 마이크로 광학 장치들, 예를 들면 비구면 렌즈들과 같이 더욱 복잡한 광학적 규정(optical prescription)을 가지는 마이크로 렌즈 및/또는 추가적인 특징부(feature)들이 관련되는 마이크로 렌즈들을 대량 생산하는데 따른 수요가 존재한다.
따라서 본 발명의 구현예들은 마이크로 광학 장치들을 대량 생산하는 방법, 그에 대응하는 도구 및, 결과적인 구조물들에 관한 것으로서, 이것은 관련된 기술의 단점 및 제한에 기인한 하나 이상의 문제점들을 실질적으로 극복한다.
상기 특징 및 다른 특징들과 장점들의 적어도 하나는 마이크로 광학 요소를 제공함으로써 구현될 수 있는데, 마이크로 광학 요소는 지지용 기판, 지지용 기판의 제 1 표면상에 있는 경화된 복제 재료의 마이크로 광학 렌즈 및, 수직 방향을 따라서 마이크로 광학 렌즈와 정렬되고 겹쳐지는 불투과 재료(opaque material)를 포함한다.
불투과 재료는 마이크로 광학 렌즈를 위한 구경 제한부(aperture stop)로서의 역할을 하도록 적합화된다. 마이크로 광학 요소는 마이크로 광학 렌즈와 지지용 기판 사이에 경화된 복제 재료(replication material)의 베이스를 포함할 수 있다.
마이크로 광학 요소는 경화된 복제 재료의 마이크로 광학 렌즈로부터 분리된 특징부를 포함할 수 있다. 특징부는 스탠드오프(standoff)일 수 있다.
마이크로 광학 요소는 마이크로 광학 렌즈 및 불투과 재료의 외측에 있는 접착제 층을 포함할 수 있다. 마이크로 광학 요소는 접착제 층 아래에 경화된 복제 재료를 포함할 수 있다.
마이크로 광학 요소는 지지용 기판의 제 2 표면상에 있는 경화된 복제 재료의 다른 광학 렌즈를 포함할 수 있으며, 제 2 표면은 제 1 표면에 반대편에 있다.
불투과 재료는 마이크로 광학 렌즈와 지지용 기판 사이의 마이크로 광학 렌즈의 상부 표면 및/또는 지지용 기판의 제 2 표면상에 있을 수 있으며, 제 2 표면은 제 1 표면의 반대편이다.
상기 특징 및 다른 특징과 장점들중 적어도 하나는 파장(wavelength)으로 경화 가능한 복제 재료에 마이크로 광학 렌즈를 복제하는데 이용되는 복제 도구를 제공함으로써 구현될 수 있는데, 복제 도구는, 복제 재료와 접촉하도록 적합화된 제 1 표면을 가진 투과 기판 및, 복제 재료를 경화시키는데 이용되는 파장에 불투과성인 마스크를 포함하고, 마스크는, 제 1 표면에 반대편인 투과 기판의 제 2 표면상에 있고, 적어도 마이크로 광학 렌즈에 대응하는 영역을 노출시키도록 적합화됨으로써, 복제 재료는 투과 기판을 통하여 경화될 수 있다.
마스크는 마이크로 광학 렌즈에 대응하는 영역으로부터 연장될 수 있다. 마스크는 투과 기판의 주위로 연장될 수 있다. 마스크는 마이크로 광학 렌즈에 대응하는 영역으로부터 분리된 영역들을 노출시킬 수 있다.
투과 기판은 마이크로 광학 렌즈들을 형성하기 위한 네가티브 구조 특징부(negative structural features)를 가진 마스터 기판일 수 있다. 투과 기판은 마이크로 광학 렌즈를 지지하도록 적합화된 지지용 기판일 수 있다.
상기 특징 및 다른 특징과 장점들중 적어도 하나는 복제 재료에 마이크로 광학 렌즈를 복제하는데 이용되는 복제 도구를 제공함으로써 구현될 수 있는데, 복제 도구는 마스터 기판상에 마이크로 광학 렌즈를 형성하기 위한 네가티브 구조 특징부 및, 네가티브 구조 특징부를 둘러싸는 마스터 기판내의 홈(trench)을 포함한다.
복제 도구는 복제 재료를 경화시키는데 이용되는 파장에 불투과성인 마스크를 포함할 수 있고, 마스크는, 네가티브 구조 특징부 및 홈의 반대편에 있는 마스터 기판의 표면상에 있고, 적어도 홈에 대응하는 영역을 가리도록 적합화된다.
상기 특징 및 다른 특징들과 장점들중 적어도 하나는 마이크로 광학 렌즈를 대량 생산하는 방법을 제공함으로써 구현될 수 있는데, 그 방법은, 오목한 마이크로-광학 렌즈 몰드를 내부에 가지는 기판상에 복제 재료를 제공하고; 복제 재료를 평탄화시키고; 복제 재료를 경화시키고; 기판의 상부 표면으로부터 복제 재료의 적어도 일부를 제거하고; 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드에 있는 복제 재료를 에칭함으로써, 비구면 마이크로 광학 렌즈를 형성하는; 것을 포함한다.
제거하는 것은 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드내의 복제 재료의 일부를 제거하는 것을 포함한다. 그 방법은 비구면 마이크로 광학 렌즈 몰드에 추가적인 복제 재료를 제공하고, 지지용 기판을 추가적인 복제 재료와 접촉시키고, 추가적인 복제 재료를 경화시켜서 복제물을 형성하고, 기판으로부터 복제물을 가진 지지용 기판을 제거하는 것을 포함할 수 있다.
방법은 추가적인 복제 재료의 펼침(spread)을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 펼침을 제어하는 것은 추가적인 복제 재료를 공급하도록 침착 펜(deposition pen)을 이용하고, 마이크로 광학 렌즈 몰드를 둘러싸는 스탠드오프(standoff)를 제공하고, 그리고/또는 마이크로 광학 렌즈 몰드를 둘러싸는 홈(trench)을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
평탄화시키는 것은 가열된 광학 평탄부를 복제 재료와 접촉시키는 것을 포함할 수 있고, 가열된 광학 평탄부는 복제 재료를 환류(reflow)시키기에 충분한 온도를 가진다.
상기 특징 및 다른 특징과 장점들중 적어도 하나는 마이크로 광학 장치를 제조하는 방법을 제공함으로써 구현될 수 있는데, 이것은 마이크로 광학 렌즈를 형성하기 위한 구조적 특징부를 가진 마스터 기판과 지지용 기판 사이에, 지지용 기판상의 불투과 재료의 적어도 일부를 덮는 복제 재료를 제공하고; 지지용 기판 및 마스터 기판중 적어도 하나에 압력을 가하고; 마이크로-광학 렌즈를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키고; 불투과 재료 및 복제물을 포함하는 지지용 기판을 제거하는; 것을 포함한다.
압력을 가하기 전에, 복제 재료는 불투과 재료의 오직 일부만을 덮을 수 있고, 압력을 가한 이후에, 복제 재료는 복제 재료를 완전히 덮는다.
경화시키는 것은 마스터 기판을 통하여 광(light)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 마스터 기판은 PDMS 및 PTFE 의 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 특징 및 다른 특징과 장점들중 적어도 하나는 마이크로 광학 장치의 제조 방법을 제공함으로써 구현될 수 있는데, 그 제조 방법은, 마이크로 광학 렌즈를 형성하기 위한 구조적 특징부를 가진 마스터 기판과 지지용 기판 사이에 복제 재료를 제공하는 것으로서, 지지용 기판 및 마스터 기판중의 적어도 하나는 복제 재료와 접촉하는 표면의 반대편 표면상에 마스크를 가지고; 지지용 기판 및 마스터 기판중 적어도 하나에 압력을 가하고; 마이크로 광학 렌즈를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 것으로서, 경화시키는 것은 마스크를 가진 표면을 통해 광을 제공하는 것을 포함하고; 그리고, 복제물을 포함하는 지지용 기판을 제거하는; 것을 포함한다.
마스크는 2 개의 분리된 불투과 특징부들을 포함할 수 있고, 경화시키는 것은 마이크로 광학 렌즈로부터 분리된 돌출부를 더 경화시킨다. 마스크는 지지용 기판상의 다이싱 레인(dicing lane)에 대응할 수 있다. 본 발명의 방법은 경화되는 동안 경화되지 않은 그 어떤 복제 재료라도 제거하는 것을 더 포함한다.
상기의 특징 및 다른 특징들과 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 구현예를 설명함으로써 당업자들에게 보다 명백해질 것이다.
도 1a 내지 도 1c 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 2a 내지 도 2b 는 본 발명의 구현예에 따른 도 1c 로부터의 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 다른 단계들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3b 는 본 발명의 다른 구현예에 따른 도 1c 로부터의 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 다른 단계들을 도시한다.
도 4a 내지 도 4d 는 본 발명의 구현예에 따른 도 2b 로부터의 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 다른 단계들을 도시한다.
도 5a 내지 도 5c 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7e 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 8a 내지 도 8e 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 9a 내지 도 9c 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 9d 는 도 9c 의 평면도를 도시한다.
도 9e 는 도 9b 의 대안의 단계에 대한 단면도를 도시한다.
도 9f 는 도 9c 의 대안의 단계에 대한 단면도를 도시한다.
도 9g 는 도 9c 의 대안의 단계에 대한 단면도를 도시한다.
도 10a 내지 도 10d 는 본 발명의 구현예에 따른 마이크로 광학 요소의 제조 방법에서의 단계들을 도시한다.
도 11a 는 본 발명의 일 구현예에 따라서 복수개의 복제물이 만들어질 수 있는 웨이퍼의 개략적인 평면도 및 그 위에 제공된 복제 재료를 도시한다.
도 11b 는 도 11a 의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 11c 는 분리되어야 하는 복수개의 복제물의 개략적인 부분 평면도를 도시한다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것인데, 도면에는 예시적인 구현예들이 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설명된 바와 같은 구현예들에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 오히려, 이들 구현예들은 여기에 개시된 내용을 완전하게 하고 또한 본 발명의 사상을 당업자에게 완전히 전달하도록 제공된다.
도면들에서, 층 및 영역의 치수는 도시의 명확성을 위해서 과장될 수 있다. 또한 층 또는 요소가 기판 "위"에 있는 것으로 지칭될 때, 이것은 다른 층 또는 기판상에 직접적으로 있을 수 있거나, 또는 사이에 들어가는 층들이 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 나타낸다.
이하에 상세하게 설명되는 바로서, 본 발명의 구현예들에 따른 마이크로 광학 장치들의 대량 생산은 비구면 마이크로 광학 렌즈(aspheric micro-optical lenses)들이 만들어지거나 그리고/또는 복제(replication)되는 것을 허용하고, 그리고/또는 추가적인 특징들, 예를 들면 스탠드 오프(stand-off), 정렬 특징들, 금속 통공들 및 처리된 다이싱 레인(cleared dicing lanes)과 관련되어 마이크로-광학 렌즈들의 복제를 허용할 수 있다.
여기에서 사용되는 바로서, "기판"은 마이크로-광학 렌즈(들)를 가진 단일 다이(single die)이거나, 또는 대응하는 복수개의 렌즈(들)를 가진 복수개의 다이들을 포함할 수 있다. "다이싱 레인(dicing lanes)"은 다이들을 분리시키는 임의의 적절한 방식과 관련하여 이용될 수 있으며, 단지 다이싱(dicing)과 관련되어 이용되는 것은 아니다.
복제 재료는 변형될 수 있지만 경화 가능한 재료일 수 있으며, 예를 들면 열 경화 가능 또는 광 경화 가능한 재료이고, 예를 들면 자외선(UV) 경화 가능일 수 있다. 경화 과정은 상이한 방식들로 달성될 수 있는데, 예를 들면 UV 노출, 또는 혐기 과정(anaerobic process), 화학적 과정 또는 가열 과정을 포함하는 상이한 방식들로 달성될 수 있다. 복제 재료의 예는 UV 경화 폴리머, UV 경화 모노머(monomer), 열가소성 플라스틱, 열경화 및 복합 재료들, 예를 들면 졸-겔(sol-gel) 또는 FROM 128을 포함한다. 적절한 복제 기술은 UV 엠보싱, 고온 엠보싱, 나노-임프린팅(nano-imprinting)등을 포함한다.
마스터(master)는 마이크로 광학 장치를 위한 충분한 구조적 세부를 제공할 수 있고 다양한 용도를 위해서 충분히 오래 견디는 다양한 재료들로 제작될 수 있다. 예를 들면, 마스터는 어떤 탄성을 가지지만 충분한 기계적 강도를 가진 재료로 만들어질 수 있으며, 예를 들면 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 폴리(테트라풀루오로에틸렌)(PTFE), 예를 들면 테플론으로 만들어질 수 있다. 마스터는 또한 단단한 재료로 만들어질 수 있는데, 예를 들면, 니켈 합금과 같은 금속 합금, 실리콘 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 마스터는 금속 또는 금속 합금들과 같이, 이용되는 복제 재료를 경화시키는데 필요한 파장(wavelength)들에 불투과성일 수 있거나, 또는 PDMS, PTFE, 실리콘과 같이 이들 파장들에 대하여 투과성일 수 있다.
도 1a 를 참조하면, 공지된 방법들에 따라서 형성된 오목 렌즈 몰드(mold)(112)들을 내부에 가지는 마스터 기판(110)은, 예를 들면 스핀 코팅(spin coating) 또는 스크린 코팅(screen coating)으로써, 복제 재료(120)로 코팅될 수 있다. 충분히 두꺼운 층의 복제 재료(120)가 마스터 기판(110)상에 제공될 때, 층은 실질적으로 평탄할 수 있다. 그러한 두꺼운 층은 폐기 재료일 수 있으며 처리 시간을 증가시킬 수 있다. 그러나, 복제 재료(120)가 얇으면, 복제 재료는 도 1a 에 도시된 바와 같이 불충분하게 평탄할 수 있으며, 여기에서 복제 재료(120)의 상부 표면은 고르지 않다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 가열된 광학 평탄부(130)는 복제 재료(120)와 접촉하게 될 수 있으며, 그에 의해서 복제 재료(120)가 환류(reflow)되고, 평면화된 복제 재료(122)를 형성한다. 이러한 평면화된 복제 재료(122)는 사용된 특정 복제 재료의 특성들에 따라서 경화되어 도 1c 에 도시된 바와 같이 경화된 복제 재료 층(124)을 형성할 수 있다.
다음에, 이러한 경화된 복제 재료 층(124)은 도 2a 에 도시된 바와 같이 복제 재료(126)로 채워진 오목 렌즈 몰드(mold, 112)들만을 남기도록 제거될 수 있다. 이러한 복제 재료(126)는 다음에 마스터 기판(110)으로 반응 이온 에칭(reactive ion etching)될 수 있어서 도 2b 에 도시된 바와 같은 소망의 광학 규정에 따른 비구면 오목 렌즈(114)를 형성한다.
대안으로서, 도 3a 를 참조하면, 경화된 복제 재료(124)는 마스터 기판(110)의 상부 표면 아래로 에칭될 수 있어서, 복제 재료(128)를 남김으로써 오목 렌즈 몰드(112)를 부분적으로 채운다. 다음에 복제 재료(128)는 마스터 기판(110)으로 반응 이온 에칭될 수 있어서 도 3b 에 도시된 바와 같이 소망의 광학 규정에 따른 비구면 오목 렌즈(116)를 형성한다.
도 2b 또는 도 3b 에 도시된 광학 요소들의 어느 하나는 그것이 있는 그대로 이용될 수 있거나, 또는 볼록 비구면 렌즈들을 형성하기 위한 비구면 마스터 기판(110',110")으로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 도 4a 에 도시된 바와 같이, 해제 층(130)이 도 2b 의 비구면 마스터 기판(110')상에 제공될 수 있다. 다음에, 도 4b 에 도시된 바와 같이, 비구면 마스터 기판(110')에 있는 비구면 렌즈(114)는 복제 재료로 채워질 수 있는데, 예를 들면 정밀 침착 기술을 이용하며, 예를 들면 분배용 펜(dispensing pen)을 이용한다. 도 4b 를 참조하면, 지지용 기판(150)은 압력 및 정밀 정렬을 이용하여 복제 재료(140)와 접촉할 수 있고, 복제 재료(140)는 복제물(160)을 형성하도록 경화될 수 있다. 복제물(160)은 다음에 지지용 기판(150)에 부착되어 있으면서 도 4c 에 도시된 바와 같이 마스터 기판(110')으로부터 제거될 수 있다. 이러한 복제물(160)은 그대로 이용될 수 있거나, 또는 공지된 기술에 따라서 지지용 기판(150)으로 전사될 수 있어서 도 4d 에 도시된 바와 같은 최종의 광학 요소(170)를 형성한다.
복제 재료의 침착(deposition)을 제어하는 것은 복제 재료의 펼침(spread)을 제어하기 위한 특성들을 제공함으로써 구현될 수 있다. 이것은 렌즈 아래 베이스 층의 제어된 높이를 이용할 수 있게 하고 그리고/또는 덜 정확한 조건을 이용할 수 있게 한다. 그러한 제어된 높이는 복제물이 지지용 기판으로 전사되어야 할 때 특히 중요성을 가질 수 있으며, 이는 가외의 재료(extra material)가 가능한 한 적어지는 것이 전사를 빠르게 하기 때문이다.
예를 들면, 도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와 같이, 마스터 기판(210)은 소망의 규정(prescription)을 가진 오목 렌즈(212) 및, 소망의 높이를 가진, 즉, Z 방 향으로 연장된 스페이서(spacer) 구조(214)를 가진다. 도 5b 에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 스페이서 구조(214)는 오목 렌즈(212)를 둘러쌀 수 있다. 도 5a를 참조하면, 해제 층(230)은 마스터 기판(210)상에 제공될 수 있고, 복제 재료(240)는 스페이서 구조(214) 및 오목 렌즈(212)들에 의해서 정해지는 체적으로 분배될 수 있다. 다음에, 도 5c 에 도시된 바와 같이, 지지용 기판(250)은 복제 재료(240) 및 스페이서 구조(214)와 접촉할 수 있고, 복제 재료(240)는 베이스 층을 포함하는 복제물(260)을 형성하도록 경화될 수 있다. 다음에, 복제물(260)은 지지용 기판(250)에 부착되어 있으면서 도 5d 에 도시된 바와 같이 마스터 기판으로부터 제거될 수 있다. 복제물(260)은 다음에 있는 그대로 이용될 수 있거나, 또는 공지된 기술에 따라서 지지용 기판(250)으로 전사되어 최종의 광학 요소를 형성할 수 있다.
베이스 층의 높이 및 직경은, 복수개의 복제물이 제조되어야 할 때, 광학적 설계, 이용된 복제 재료의 점성 및, 근접한 렌즈들 사이의 거리에 의해서 정해질 수 있다. 마스터 기판(210)상의 스페이서 구조(214)는 지지용 기판(250)의 다이싱 레인(dicing lanes)에 대응할 수 있어서, 지지용 기판이 분리 절단(singulation)되어야 할 때 지지용 기판(250)의 적어도 상부 표면상에 복제 재료가 없다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 실질적으로 베이스 층이 소망되지 않을 때, 깊이를 가진 홈(314)이 마스터 기판(310)에 있는 오목 렌즈 몰드(312)를 둘러쌀 수 있다. 홈(314)의 깊이 및 폭은 이용되는 재료의 점성, 오목 렌즈 몰드(312)로부터의 거리 및, 베이스 층의 소망 높이에 달려 있을 수 있다. 도 6a 에 도시된 바와 같이, 해제 층(330)은 마스터 기판(310)상에 제공될 수 있고, 복제 재료(340)는 오 목 렌즈 몰드(312)상에 분배될 수 있다. 다음에, 도 6b 에 도시된 바와 같이, 지지용 기판(350)은 복제 재료(340) 및 마스터 기판(310)과 접촉할 수 있다. 오목 렌즈 몰드(312)를 채우는데 필요한 복제 재료를 초과하는 복제 재료(340)는 홈(314)을 채울 수 있다. 복제 재료(340)는 렌즈(362) 및 스탠드오프(standoff, 364)를 포함하는 복제물(360)을 형성하도록 경화될 수 있다. 다음에, 복제물(360)은 지지용 기판(350)에 부착되어 있으면서 도 6c 에 도시된 바와 같이 마스터 기판(310)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 복제물(360)은 있는 그대로 이용될 수 있거나, 또는 공지된 기술에 따라서 지지용 기판으로 전사되어 최종의 광학 요소를 형성할 수 있다.
홈(314)들이 단지 과잉 복제 재료(340)를 위한 저장소 역할을 한다면, 불투과 재료는 마스터 기판(310)의 배면 표면상에 선택적으로 제공되어 UV 광이 홈(314) 안의 복제 재료(340)에 도달하는 것을 방지할 수 있고, 복제 재료(340)는 마스터 기판(310)을 통해 노출될 수 있다. 대안으로서, 불투과 재료는 지지용 기판(350)의 배면 표면상에 선택적으로 제공되어 UV 광이 홈(314) 안의 복제 재료(340)에 도달하는 것을 방지할 수 있고, 복제 재료(340)는 지지용 기판(350)을 통해 노출될 수 있다.
렌즈들을 복제하는 것과 동시에 렌즈 복제물을 지지하는 지지용 기판의 표면상에 돌출 특징부들을 복제하기 위한 다른 방법은 도 7a 내지 도 7e 에 도시되어 있다. 여기에서, 복제 재료(440)는 지지용 기판(450)의 상부 표면(452)상에 있을 수 있고, 볼록 렌즈 몰드(412)를 포함하는 마스터 기판(410)은 지지용 기판(450)상 의 복제 재료(440)와 접촉할 수 있다. 지지용 기판(450)의 저부 표면(454)은, 예를 들면 금속 마스크인, 마스크(456)를 구비하며, 상기 마스크는 복제 재료(440)를 경화시키는데 이용되도록 파장들에 대하여 불투과성이다. 복제 재료(440)는 도 7c 에 도시된 바와 같이 지지용 기판(450)을 통하여 경화될 수 있다. 다음에 마스터 기판(410)이 제거될 수 있어서, 도 7d 에 도시된 바와 같이 경화된 렌즈(460), 경화된 스탠드오프(462), 및, 지지용 기판(450)의 저부 표면(454)상의 마스크(456)에 대응하는 경화되지 않은 부분(464)들을 남긴다. 이러한 경화되지 않은 부분들은 용이하게 제거될 수 있어서, 단지 렌즈(460) 및 특징부(462)들을 남긴다. 마스크(456)는 최종의 요소로서 유지될 수 있으며, 예를 들면 구경 제한부(aperture stop), 정렬 특징부등으로서의 역할을 할 수 있다.
대안으로서, 도 8a 에 도시된 바와 같이, 볼록 렌즈 몰드(512)를 구비하는 마스터 기판(510)이 투과 재료로 제작되고, 지지용 기판(550)상의 복제 재료(540)가 마스터 기판(510)을 통해서 경화되어야 한다면, 마스크(516)는 마스터 기판(510)의 후방 표면(514)상에 제공될 수 있다. 도 8b를 참조하면, 마스터 기판(510)은 복제 재료(540)와 접촉할 수 있고, 복제 재료(540)는 마스터 기판(510)을 통해 경화될 수 있다. 마스터 기판(510)은 다음에 제거될 수 있어서 도 8d 에 도시된 바와 같이 굳혀진 렌즈(560) 및, 지지용 기판(510)상에서, 마스터 기판(510)의 후방 표면(514)에 있는 마스크(516)에 대응하는, 경화되지 않은 부분(564)을 남긴다.
예를 들어, 정렬 및/또는 이격을 위한 돌출 특징부들이 필요하지 않다면, 마 스크(516)는 렌즈(560)들의 주위(periphery)에 대응할 수 있다. 주위에서의 복제 재료(540)의 제거는 도 8e 에 도시된 바와 같이 다이싱 레인(555)을 용이하게 제거함으로써 복수개의 복제물 대량 생산을 용이하게 하며, 따라서 복수개의 복제물을 위에 가지는 기판의 분리는 오직 지지용 기판(550)을 통해서 분리시키는 것만을 포함하며, 즉, 복제물에 영향을 미치지 않게 되는데, 만약 분리하는 동안에 발생된 응력 때문에 복제물을 위한 재료가 복제물로부터 다이싱 레인으로 연장된다면 복제물은 디라미네이션(delamination)될 수 있다. 물론, 돌출 특징부(protruding feature)가 있거나 또는 없는, 어느 하나의 형상을 제공하기 위한 마스크가 마스터 기판 및/또는 지지용 기판상에 형성될 수 있다.
도 7a 내지 도 8c 가 특정의 위치들에서 복제 재료의 일부가 경화되는 것을 방지하기 위한 마스크를 가진 형상을 도시하지만, 마스크는 복제 재료와 경화용 소스(curing source) 사이의 그 어떤 곳에라도 제공될 수 있으며, 예를 들면, 복제 재료와 접촉하는 마스터 기판의 일 측에 제공될 수 있다.
불투과 또는 광학적으로 흡수성 재료는 지지용 기판과 복제물 사이에 샌드위치될 수도 있는데, 예를 들어 그 재료가 구경 제한부(aperture stop)를 제공하려고 할 때 그러하다. 현재, 불투과 재료는 렌즈들이 복제된 이후에 통상적으로 렌즈 직경들 바깥에 제공되는데, 이는 불투과 재료가 복제 재료의 경화를 저해할 수 있기 때문이다. 임의의 구현예들에서 이용되는 불투과 재료 또는 광학적으로 흡수성이 있는 재료는 예를 들면, 원료 상태의(raw) 폴리아미드 (예를 들면, 듀퐁 엘렉트로닉스의 Kapton (등록상표)), (예를 들어 검은색으로) 착색된 폴리이미드, 다른 유 형의 폴리머(예를 들면, Brewer Science Specialty Materials 의 PSKTM 2000), 블랙 크롬, 다른 유형의 금속, 양극 산화시킨 금속, 건조 필름, 세라믹, 예를 들어 검은색으로 착색된 접착제, 유리, 실리콘, 감광성 유리(예를 들어, Schott AG 로부터의 Forturan (등록상표) 또는 일본 도쿄의 Hoya 코포레이션의 PEG3)등이다. 이러한 불투과 또는 광학적으로 흡수성 재료들은 시이트(sheet) 형태로, 즉, 연속된(solid) 형태로 제공될 수 있거나, 펀칭되거나, 드릴되거나, 또는 리소그래픽 기술을 반드시 이용할 필요 없이 다르게 패턴화될 수 있다. 이들 불투과 재료들은 적층의 방향에서 유연성이 있을 수 있고, 순응성이 있고(conformal) 그리고/또는 압축성이 있을 수 있으며, 이는 실질적으로 평면이 아닌 표면에 대한 불투과 재료들의 고정을 용이하게 할 수 있는데, 예를 들면 표면 조도(surface roughness)를 가지는 표면이거나, 또는 부분적으로 표면상의 특징부를 덮는 표면에 대한 재료들의 고정을 용이하게 할 수 있다. 대안으로서, 불투과 재료는 지지용 기판 또는 마스터 기판상으로 스핀 형성(spin)되거나, 코팅되거나, 또는 라미네이션(lamination)될 수 있다.
도 9a 및 도 9b 에 도시된 바와 같이, 오목 렌즈(612)를 포함하는 마스터 기판(610)은 복제 재료(640)를 경화시키는데 이용되는 파장들을 투과시킨다. 복제 재료(640)는 지지용 기판(650)상에 제공될 수 있으며, 이것은 불투과 재료(656)를 위에 포함한다. 도 9a 및 도 9b 에 도시된 바와 같이, 복제 재료(640)는 처음에 불투과 재료(656)의 일부와 접촉할 뿐이지만, 마스터 기판(610)이 복제 재료(640)와 접촉한 이후에, 복제 재료(640)는 불투과 재료를 완전히 덮을 수 있다. 도 9b 를 참 조하면, 복제 재료(640)는 마스터 기판(610)을 통하여 경화될 수 있어서 렌즈 부분(662)들을 포함하는 복제물(660)을 형성한다. 도 9c 를 참조하면, 마스터 기판(610)이 제거될 수 있고, 다이 부착 필름(DAF)(670) 또는 다른 접착제가 제공되어 복제물(660)을 둘러쌀 수 있다.
도 9d 는 도 9c 의 평면도를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이, 불투과 재료(656)는 복제물(660)의 렌즈 부분(652) 둘레에 고리형의 구경 제한부를 형성할 수 있지만, DAF(670)로 연장되지 않는다. 불투과 재료(656)를 이러한 영역으로 제한하는 것은, 즉, 불투과 재료가 다이싱 레인으로 연장되는 것을 억제하는 것은, 마이크로-광학 장치를 분리 절단(singulation)하는데 도움이 될 수 있고 즉, 개별적인 다이(die)들로 분리시키는 것을 단순화시킬 수 있고 복제물(660)의 디라미네이션(delamination) 가능성을 감소시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 구현예는 복제 재료(640)를 제공하기 전에, 임의의 크기, 형상 및 위치를 가진 구경 제한부가 지지용 기판(650)상에 제공되는 것을 허용할 수 있다. 도 9c 및 도 9d 에 도시된 바와 같이, 복제물(660)은 지지용 기판(650)에 걸쳐 연장될 수 있고, 예를 들면 불투과 재료에 걸쳐서 DAF(670) 아래에 연장될 수 있다. 그러나, 본 발명의 이전 구현예들에 따르면, 마스크들은 마스터 및/또는 지지용 기판상에 이용될 수 있어서 DAF(670) 아래의 복제물(660)을 제거하는데, 이것은 개별 다이로 분리시키는 것을 더욱 단순화시킬 수 있고 복제물(660)의 디라미네이션 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 9e 및 도 9F 는 본 발명의 구현예에 따른 대안의 단계들을 도시한다. 도 9e 및 도 9f 에 도시된 바와 같이, 불투과 재료(656,696)들은 지지용 기판(650)의 양쪽 면들에 제공될 수 있고, 지지용 기판(650)의 양쪽 면에서 지지용 기판(650)과 복제물(660,690) 사이에 샌드위치될 수 있다. 도 9e 에 도시된 바와 같이, 복제물(660,690)들은 개별의 마스터 기판(610,680)들을 이용하여 형성될 수 있고, 복제물(660,690)들을 형성하는 복제 재료의 경화는 개별의 마스터 기판(610,680)들을 통하여 형성될 수 있어서, 불투과 재료(656,696)들은 경화를 저해하지 않는다. 다시, 렌즈 부분(662)의 바깥에 있는 복제 재료는 마스터 기판(610, 680)과 함께 적절한 마스크를 이용하여 제거될 수 있다.
도 9g 에 도시된 바와 같은, 다른 대안의 불투과 재료(658)는 지지용 기판(650)의 저부에 제공될 수 있으며, 즉, 렌즈 부분(662)들의 반대편에 제공될 수 있다. 불투과 재료(658)는 z 방향을 따라서 렌즈 부분(662)들과 여전히 정렬되어 있기 때문에, 복제 재료는 여전히 위로부터 경화될 수 있어서 렌즈 부분(652)들의 적절한 구성을 보장한다.
불투과 재료가 복제 렌즈들의 상부 표면에 있는 다른 대안이 도 10a 내지 도 10d 에 도시되어 있다. 이것은 복제 재료의 보다 유연성 있는 경화를 허용할 수 있으며, 즉, 경화 전에 이미 존재하는 불투과 재료의 효과에 관하여 걱정하지 않으면서 경화가 이루어질 수 있으며, 이용 가능한 복제 재료들을 증가시킨다. 더욱이, 불투과 재료가 없는 것은 2 중 면의 복제를 용이하게 할 수 있는데, 예를 들면, 지지용 기판의 양면에서 상부 및 저부 스탬프(stamp)들을 서로 오직 한번만 정렬할 필요가 있다.
도 10a 에 도시된 바와 같이, 불투과 재료(656)가 위에 없는, 지지용 기 판(650)의 제 1 표면에는 마스터 기판(610)에 의해 스탬핑(stamping)되어야 하는 복제 재료(640)가 제공될 수 있는 반면에, 지지용 기판(650)의 제 2 표면에는 다른 마스터 기판(710)으로 스탬핑되어야 하는 복제 재료(740)가 제공될 수 있다. 도시된 특정의 예에서, 마스터 기판(610)은 오목 렌즈(612)들을 포함하고, 마스터 기판(710)은 볼록 렌즈(712)를 포함하지만, 구현예들을 그에 제한되는 것은 아니고, 그 어떤 마스터 기판이라도 이용될 수 있다. 만약 복제 재료의 모두가 경화되지 않는다면, 마스터 기판(710)은 불투과 재료(716)를 포함할 수 있다.
다음에, 마스터 기판(610,710)은 개별의 복제 재료(640,740)들과 접촉될 수 있고, 도 10b 에 도시된 바와 같이 복제된 렌즈(660,760)들을 포함하는 2 중 면의 요소(770)를 형성하도록 경화될 수 있다. 2 중 면의 요소(770)는 예를 들면 광학 헤드, 카메라등에서 이용되는 적층체의 수직 높이를 더욱 감소시킬 수 있다.
다음에, 도 10c 에 도시된 바와 같이, 복제된 요소(660,760)들중 하나 또는 양쪽 모두가 제공될 수 있으며, 예를 들면 불투과 재료로 코팅될 수 있으며, 불투과 재료는 예를 들면 크롬, 블랙 실리콘, 양극 산화 처리된 알루미늄등과 같은 것이다. 불투과 재료가 어떻게 패턴화될 것인가는, 예를 들면, 이용된 불투과 재료, 이용된 복제 재료, 아래에 놓인 복제 재료에 영향을 미치지 않으면서 불투과 재료를 효율적으로 제거하기 위한 부식액(etchant)의 가용성(availability), 적절한 리프트-오프 재료(lift-off material), 즉, 불투과 재료를 복제된 렌즈들에 고정되게 남겨두면서, 불투과 재료의 부분들을 제거할 수 있는 리프트 재료들의 가용성 등에 달려 있을 수 있다. 예를 들면, 리프트 오프 또는 에칭, 예를 들면 습식 에칭(wet etching)이 이용될 수 있다. 리프트-오프 재료들이 채용된다면, 그러한 재료들은 솔벤트가 아닌 레지스트 현상액(resist developer)으로 리프트-오프를 허용할 임의의 재료일 수 있다.
불투과 재료(680,780)의 적절한 패터닝이 완료된 이후에, 불투과 재료 패턴(682,782)을 가진 최종의 요소(772)가 도 10d 에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 다시, 불투과 재료 패턴(682,782)들은 여진히 z 방향을 따라서 렌즈 부분들과 정렬되어 있다.
복제 재료(640,740)들은 같거나 또는 상이할 수 있고, 따라서 경화 메카니즘이 같거나 상이할 수 있고, 그 위에 제공되는 불투과 재료(680,780)가 같거나 상이할 수 있고, 그것의 패터닝(patterning)이 같거나 상이할 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
상기의 구현예들은 웨이퍼 레벨(wafer level)에서 만들어졌을 때 예를 들면 주사기(syringe)의 배열(array)을 이용하여 각각의 다이에 대하여 복제 재료를 제공하는 것을 도시하였지만, 모든 다이들의 복제는 웨이퍼상에서 단일의 방울(single blob)로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 11a 및 도 11b 에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(850)는 그 위에 제공된, 예를 들면 웨이퍼(850)의 중앙에 제공된 복제 재료(840)를 가질 수 있다. 복제 재료(840)의 높이 및 폭은 다양한 파라미터들에 달려 있을 수 있는데, 예를 들면, 이용된 복제 재료의 점도, 기판의 재료에 달려 있을 수 있다. 마스터 기판이 복제 재료(840)와 접촉할 때, 복제 재료(840)는 웨이퍼(850)를 가로질러 개별적인 복제물을 형성하기에 충분하게 전체 웨이퍼(850) 에 걸쳐 펼쳐질 수 있다.
도 11c 는, 마스터 기판이 웨이퍼(850)와 접촉되고 복제 재료가 경화된 이후에 본 발명의 임의의 구현예들에 따라서 형성된 복수개의 복제물(860)들에 대한 개략적인 부분 평면도를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이, 복제물(860)은 다이싱 레인(870)의 외측에 남아 있을 수 있어서, 복제물(860)이 분리 절단되었을 때, 복제물은 분리에 의해서 직접적으로 응력을 받지 않는다.
본 발명의 예시적인 구현예들이 여기에 개시되었으며, 특정의 용어들이 사용되지 않을지라도, 그러한 용어들은 총괄적이고 기술적인(descriptive) 의미로서 사용되고 해석되어야 하며, 제한의 목적을 위해서 사용되지 않는다. 따라서, 다음의 청구항들에 기재된 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않으면서 형태 및 상세에서의 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 점을 당업자가 이해할 것이다.
본 발명은 마이크로 광학 요소 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 마이크로 광학 렌즈(micro-optical lens)를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은:
    지지용 기판과 마스터 기판(master substrate) 사이에 복제 재료를 제공하는 단계로서, 마스터 기판은, 마이크로 광학 렌즈 몰드(micro-optical lens mold) 및, 상기 마이크로 광학 렌즈 몰드로부터 이격되고 마이크로 광학 렌즈를 둘러싸는 홈(trench)을 포함하는 제 1 표면을 가지며, 마이크로 광학 렌즈 몰드 및 홈은 서로로부터 완전하게 분리되는, 복제 재료의 제공 단계;
    복제 재료를 평탄화시키는 단계;
    지지 기판을 마스터 기판의 제 1 표면을 향해 가져오는 단계; 및,
    마이크로 광학 렌즈 및 상기 마이크로 광학 렌즈를 둘러싸는 스탠드오프(standoff)를 포함하는 복제물(replica)을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 단계;를 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    평탄화시키는 단계는 가열된 평탄 요소를 복제 재료에 적용하는 것을 포함하고,
    경화시키는 단계는 평탄화된 복제 재료를 단단하게 하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복제물(replica)을 지지 기판으로 에칭시키는 단계를 더 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    경화 단계중에, 광이 홈 안에 있는 복제 재료에 입사되는 것이 방지되는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    경화 단계 이후에,
    마스터 기판을 제거하는 단계; 및,
    경화되지 않은 복제 재료를 지지 기판으로부터 제거하는 단계;를 더 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    마스터 기판은 마스터 웨이퍼의 일부인, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    마이크로 광학 렌즈 몰드는 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드인, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    복제 재료를 제공하는 단계는 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드를 넘치도록 채우는(overfilling) 것을 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    평탄화시키는 단계중에, 홈은 복제 재료로 채워지는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    평탄화시키는 단계는 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드를 넘치도록 채우는 복제 재료와 평탄 표면을 접촉되게 하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    평탄 표면은 지지 기판의 일부인, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    복제 재료의 적어도 일부분이 마스터 기판의 오목한 마이크로 광학 렌즈 몰드 안에 남아 있도록, 복제 재료의 적어도 일부분을 지지 기판으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    마스터 기판에 마이크로 광학 렌즈 몰드 및 홈을 제공하는 것은 마이크로 광학 렌즈 몰드로부터 미리 결정된 거리로 이격된 홈을 형성하는 것을 포함함으로써, 마스터 기판의 평탄 표면의 일부는 마이크로 광학 렌즈 몰드와 홈 사이에 있고 마이크로 광학 렌즈 몰드와 홈을 분리시키는, 마이크로 광학 렌즈의 형성 방법.
  16. 마이크로 광학 장치의 제조 방법으로서,
    마이크로 광학 렌즈를 형성하기 위한 구조 특징부(structural features)들을 가진 마스터 기판의 제 1 표면과 지지 기판 사이에 복제 재료를 제공하는 단계로서, 지지 기판 및 마스터 기판중 적어도 하나는 마스크를 가지는, 복제 재료의 제공 단계;
    지지 기판 및 마스터 기판중 적어도 하나에 압력을 적용하는 단계;
    마아크로 광학 렌즈 및, 마이크로 광학 렌즈를 둘러싸는 스탠드오프(standoff)를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 단계로서, 마스크를 가진 표면을 통해 광을 제공하는 것을 포함하는, 복제 재료의 경화 단계; 및,
    복제물을 포함하는 지지 기판을 제거하는 단계;를 포함하고,
    마스크는 마이크로 광학 렌즈와 스탠드오프 사이에서 마이크로 광학 렌즈를 둘러싸는 영역에 대응하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    경화 단계는 마스터 기판을 통해 광을 제공하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    마스터 기판은 PDMS 및 PTFE 중 하나 이상을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    경화 단계중에 경화되지 않은 복제 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    경화 단계는 지지 기판을 통해 광을 제공하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    마이크로 광학 렌즈를 포함하는 복제물은 마스크에 겹쳐지도록 형성되고, 마스크는 불투명 물질을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    마스크는 복제 재료에 접촉하는 표면에 대향되는 표면상에 있는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    마스크는 복제 재료에 접촉하는 지지 기판의 표면상에 있는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    마이크로 광학 렌즈 및 스탠드오프를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 단계는 마이크로 광학 렌즈와 스탠드오프 사이에 공간을 형성하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    지지 기판 및 마스터 기판중 적어도 하나에 마스크를 제공하는 것은 마이크로 광학 렌즈와 스탠드오프 사이 공간의 영역에 겹치도록 마스크를 위치시키는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  26. 제 16 항에 있어서,
    마이크로 광학 렌즈 및 스탠드오프를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 단계는 경화된 마이크로 광학 렌즈 및 스탠드오프를 형성하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    마이크로 광학 렌즈 및 스탠드오프를 포함하는 복제물을 형성하도록 복제 재료를 경화시키는 단계는 마스터 기판을 향하는 실질적으로 평탄한 표면을 가진 경화된 스탠드오프를 형성하는 것을 포함하는, 마이크로 광학 장치의 제조 방법.
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