KR101844688B1 - 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents

프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원(15)과 실리콘 기판(11)의 일부가 식각되어 형성된 실리콘 동심원(17)이 반복 형성된 평면 구조를 포함하고, 그 제조방법은 건식 식각을 통해 제조한 실리콘 기판 몰드(11)와 두 번의 열 재흐름 공정을 이용하여 3차원 유리 구조를 제조함으로써 프레넬 마이크로렌즈(10)를 완성한다.
본 발명은 프레넬 마이크로렌즈를 복잡한 구조의 소자로 활용하고자 할 때 열 재흐름 공정을 통하여 제작하는 것이 가능하게 하고, 프레넬 마이크로렌즈를 광학 MEMS 소자에 적용할 수 있는 발판을 마련할 수 있게 하는 이점이 있다.

Description

프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법{FRESNEL MICROLENS, AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}
본 발명은 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 재흐름 공정을 통해 프레넬 마이크로렌즈를 제조하는 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
프레넬 마이크로렌즈는 마이크로미터 크기의 구조를 갖는 프레넬 렌즈로서 물리학자 Augustin-Jean Fresnel에 의해 고안된 렌즈이다.
프레넬 마이크로렌즈는 다수 개의 동심원(concentric annular) 구조가 반복되어 있는 형태이다. 프레넬 마이크로렌즈는 넓은 개구부와 짧은 초점거리 특성이 있는 반면, 같은 특성의 구면렌즈의 경우보다 부피가 매우 작기 때문에 박막 공정(Surface micromachining) 기반의 반도체 공정에 매우 적합한 소자라 할 수 있다.
그런데 프레넬 마이크로렌즈는 유리를 가공하여 형성하므로 복잡한 3차원 구조에는 적용이 어렵다.
대안으로 레이저 가공법을 이용한 프레넬 존 플레이트가 보고된 바 있으나, 프레넬 마이크로렌즈는 프레넬 존 플레이트와는 광학적 기작이 다른 차이점이 있다.
유사한 기술로 아래의 특허문헌 1(US2009/0288449 A1)가 있다.
특허문헌 1은 열 재흐름 공정을 사용하여 유리 마이크로렌즈를 제작하나 단일 개구부를 갖는 몰드에 의한 제작 방식이다.
도 1에는 단일 개구부를 갖는 몰드에서 유리의 열 재흐름 공정을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 기존의 열 재흐름 공정은 열경화성 몰드(1)의 기하학적 구조 및 몰드(1)와 유체(3) 사이의 표면장력을 고려하여 열 재흐름 공정의 결과를 예측하고 프레넬 마이크로렌즈를 제작한다.
하지만, 대부분 경우 유체(3)를 감싸고 있는 몰드(1)와 개구부(2)가 하나이기 때문에 기하학적으로 단순한 구조만 설계할 수 있는 단점이 있다.
특허문헌 1: US2009/0288449 A1
본 발명의 목적은 열 재흐름 공정을 이용하여 프레넬 마이크로렌즈를 제조함과 더불어 다수 개의 개구부를 갖는 몰드 적용으로 복잡한 구조의 프레넬 마이크로렌즈를 제조할 수 있도록 한 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원과 실리콘 기판의 일부가 식각되어 형성된 실리콘 동심원이 반복 형성된 평면 구조를 포함한다.
상기 유리 동심원은 실리콘 기판에 형성한 다수 개의 개구부에 형성되어 서로 동일 평면상에 배열된다.
상기 다수 개의 개구부는 서로 다른 구조이다.
상기 실리콘 동심원은 실리콘 기판 바닥면에서 일정거리 이격되어 있다.
상기 실리콘 동심원을 지지하기 위한 지지대가 포함된다.
상기 유리 동심원은 붕규산유리로 된다.
상기 유리 동심원의 단면은 곡률반지름(Rc)를 갖는다.
실리콘 기판의 일부를 식각하여 실리콘 동심원을 형성하고 상기 실리콘 동심원과 유리의 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원이 반복되는 평면 구조를 형성하는 전처리 공정단계와 상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 형성하는 후처리 공정단계를 포함한다.
상기 전처리 공정단계는 실리콘 기판의 상면에 금속 박막과 감광제를 이용하여 이중 마스크 패터닝을 수행하는 단계와 1차 건식 식각을 수행하여 다수 개의 개구부를 형성하는 단계와 2차 건식 식각을 수행하여 실리콘 동심원 및 실리콘 동심원을 지지하기 위한 지지대가 포함되게 하는 단계와 상기 실리콘 동심원이 형성된 면에 유리 기판을 접합하는 단계와 상기 유리 기판의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 기판이 용융되고 상기 개구부를 채우도록 하는 단계와 상기 개구부를 통해 상기 실리콘 기판의 상부로 돌출되는 유리를 연마를 통해 평탄화시켜 상기 유리 동심원이 형성되게 하는 단계를 포함한다.
상기 후처리 공정단계는 상기 유리 동심원의 중심부를 습식 식각하는 단계와 상기 유리 동심원과 접하는 상기 실리콘 기판을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이를 확보하는 단계와 상기 유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계와 상기 실리콘 기판의 바닥면 연마를 수행하는 단계를 포함한다.
또는 상기 후처리 공정단계는 상기 유리 동심원과 접하는 상기 실리콘 기판을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이를 확보하는 단계와 상기 실리콘 기판의 바닥면 중심부를 건식 식각하여 상기 유리 동심원의 중심부가 하부로 노출되게 하는 단계와 상기 유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계와 상기 실리콘 기판의 바닥면과 상기 실리콘 기판의 바닥면 방향으로 돌출되는 유리의 연마를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유리의 연화점 이상의 온도는 820~950℃ 범위이다.
본 발명은 실리콘 기판의 일부를 식각하여 실리콘 동심원 및 서로 상이한 다수 개의 개구부를 갖는 몰드를 제작하고, 열 재흐름 공정으로 몰드의 개구부에 용융된 유리를 채워 위에서 내려다보았을 때 유리 동심원과 실리콘 동심원이 반복 형성된 구조의 프레넬 마이크로렌즈를 제조한다.
이는 프레넬 마이크로렌즈를 복잡한 구조의 소자로 활용하고자 할 때 열 재흐름 공정을 통하여 제작하는 것이 가능하게 하고, 프레넬 마이크로렌즈를 광학 MEMS 소자에 적용할 수 있는 발판을 마련할 수 있게 하는 효과를 가진다.
도 1은 단일 개구부를 갖는 몰드에서 유리의 열 재흐름 공정을 보인 단면도.
도 2는 다수 개의 서로 다른 개구부를 갖는 몰드에서 유리의 열 재흐름 공정을 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈를 보인 평면도 및 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈 제조방법의 전처리 공정단계를 보인 공정도.
도 5는 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈 제조방법의 후처리 공정단계를 보인 공정도.
도 6은 구면의 부분곡면 적층을 통한 본 발명의 프레넬 마이크로렌즈 설계 개념도.
도 7은 유리 부피 조절을 통한 본 발명의 프레넬 마이크로렌즈 설계 및 열 재흐름 공전 전과 후를 보인 단면도.
도 8은 도 7에서 추가적인 개구부를 통한 프레넬 마이크로렌즈 설계 및 열 재흐름 공정 전과 후를 보인 단면도.
도 9는 열 재흐름 공전 전과 후를 보인 전산유체역학 시뮬레이션 결과 도면.
도 10은 시뮬레이션 결과로 예측한 구면렌즈와 프레넬 마이크로렌즈의 프로파일 비교 그래프.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 다수 개의 서로 다른 개구부를 갖는 몰드에서 유리의 열 재흐름 공정을 보인 것이다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 서로 다른 다수 개의 개구부(6)를 갖는 열경화성 몰드(5)에 열가소성 물질인 유리(7)를 채우고 열 재흐름 공정을 수행하면 몰드(5)와 용융된 유리(7) 사이의 표면장력에 의해 유리(7)가 곡면을 형성한다.
유리를 포함한 많은 물질들은 연화점 이상의 고온에서 유체 형태로 존재하기 때문에 주변 몰드, 표면장력 등의 환경에 따라 다양한 형태로 변형시킬 수 있다. 이러한 3차원 구조 제작 공정을 통칭하여 열 재흐름 공정이라고 한다.
상기한 원리를 기본으로 하여 다수 개의 서로 다른 구조의 개구부를 갖는 몰드를 제작하고 열 재흐름 공정을 통해 프레넬 마이크로렌즈를 제조한다.
제조된 프레넬 마이크로렌즈는 초소형 MEMS 소자 및 장치에 적용될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈를 보인 평면도 및 단면도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 프레넬 마이크로렌즈(10)는 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원(15)과 실리콘 기판(11)의 일부가 식각되어 형성된 실리콘 동심원(17)이 반복 형성된 평면 구조를 포함한다.
반복 형성된 유리 동심원(15)은 구면렌즈 기능을 대체한다.
유리 동심원(15)은 실리콘 기판(11)에 형성한 다수 개의 개구부(13)에 형성되어 서로 동일 평면상에 배열된다. 다수 개의 개구부(13)에 형성된 유리 동심원(15)이 구면렌즈의 구면을 부분곡면으로 나누어 평면상에 배열한 것이 된다.
다수 개의 개구부(13)가 형성된 실리콘 기판(11)이 유리 동심원(15)을 형성하는 몰드의 역할을 한다.
다수 개의 개구부(13)는 서로 다른 구조이다. 구면렌즈를 대체할 수 있도록 유리 동심원(15)의 단면은 곡률반지름(Rc)를 갖는다. 각 개구부(13)에 형성되는 유리 동심원(15)의 단면 곡률반지름(Rc)는 서로 동일하다.
실리콘 동심원(17)은 실리콘 기판(11) 바닥면에서 일정거리 이격되고 이를 지지하기 위한 지지대(19)가 포함된다. 지지대(19)는 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 동심원(17)의 안정적인 지지를 위해 4곳에 포함할 수 있다.
유리 동심원(15)은 붕규산유리로 된다.
초소형 MEMS 소자 및 장치들은 반도체 공정을 기반으로 제작되며 가장 일반적으로 사용되는 기판이 실리콘과 유리이다. 이때, 유리는 붕규산유리가 바람직한데, 이는 붕규산유리가 실리콘과 비슷한 열 팽창률, 강한 내열성, 내화학성 등 높은 기계적 특성을 가지기 때문이다. 또한, 붕규산유리는 고진공, 플라즈마, 고온 등을 동반하는 반도체 공정에서 매우 안정적이기 때문에 활용도가 높다.
이하에서는 프레넬 마이크로렌즈의 제조방법에 대해 설명한다.
도 4에는 본 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈 제조방법의 전처리 공정단계를 보인 공정도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 실시예에 의한 프레넬 마이크로렌즈 제조방법의 후처리 공정단계를 보인 공정도가 도시되어 있다.
프레넬 마이크로렌즈의 제조방법은 전처리 공정단계와 후처리 공정단계로 나눌 수 있다.
전처리 공정단계는 실리콘 기판(11)의 일부를 식각하여 실리콘 동심원(17)을 형성하고 실리콘 동심원(17)과 유리의 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원(15)이 반복되는 평면 구조를 형성하는 단계이다. 여기서 평면 구조는 프레넬 마이크로렌즈를 위에서 내려다보았을 때 보여지는 모습을 의미한다.
후처리 공정단계는 유리 동심원(15)의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 형성하는 단계이다.
도 4에 도시된 바에 의하면, 전처리 공정단계는 a)실리콘 기판(11)의 상면에 금속 박막(21)과 감광제(Photoresit)(23)를 이용하여 이중 마스크 패터닝을 수행하는 단계와, b)1차 건식 식각을 수행하여 다수 개의 개구부(13)를 형성하는 단계와, c)2차 건식 식각을 수행하여 실리콘 동심원(17) 및 실리콘 동심원(17)을 지지하기 위한 지지대(19)가 포함되게 하는 단계와, d)실리콘 동심원(17)이 형성된 면에 유리 기판(BSG)(15a)을 접합하는 단계와, e)유리 기판(15a)의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 유리 기판(15a)이 용융되고 개구부(13)를 채우도록 하는 단계와 f)개구부(13)를 통해 실리콘 기판(11)의 상부로 돌출되는 유리를 연마를 통해 평탄화시켜 유리 동심원(15)이 형성되게 하는 단계를 포함한다.
a) 단계는 다단 건식 식각을 위한 이중 마스크 패터닝을 수행하는 단계이다. 금속박막(21) 또는 산화박막과 감광제(23)를 이용하여 건식 식각을 위한 이중 마스크를 제작한다. 이중 마스크는 실리콘 기판(11)의 상면에서 식각될 부분을 제외한 부분에 부착한다.
b) 단계는 등방 특성을 향상시킨 조건으로 1차 건식 식각을 수행한다. 제작하고자 하는 소자의 기하학적 구조에 따라 등방성 정도는 조절하여 진행할 수 있다. 본 실시예에서는 웨이퍼 표면과 식각된 격벽 사이의 각도가 약 80°가 될 수 있는 식각 조건을 가정한다.
1차 건식 식각은 플라즈마 또는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
1차 건식 식각을 수행하면 실리콘 기판(11)은 다수 개의 개구부(13)가 형성된 구조가 된다. 다수 개의 개구부(13)가 형성된 실리콘 기판(11)이 몰드가 된다.
c) 단계는 황산과수 클리닝 등을 이용하여 감광제(23)를 제거한 후 건식 식각을 추가로 수행한다.
2차 건식 식각은 플라즈마 또는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
2차 건식 식각에서 감광제(23)를 제거한 부분에 추가 식각이 이루어지고 실리콘 동심원(17) 및 실리콘 동심원(17)을 지지하기 위한 지지대(19)가 형성된다.
건식 식각을 1,2차로 나누어 수행하는 것은 실리콘 동심원(17)의 단면 각도 및 이를 지지하는 지지대(19)의 형상을 고려한 것이다.
d) 단계는 실리콘 동심원(17)이 형성된 면에 유리 기판(15a)을 1Torr 이하의 진공 환경에서 양극 접합한다. 유리 기판(15a)은 붕규산유리 기판이다.
e) 단계는 붕규산유리의 연화점 이상 온도(약 820℃)에서 열 재흐름 공정을 수행한다. 바람직하게는 820~950℃ 온도 범위에서 열 재흐름 공정을 수행한다.
열 재흐름 공정 수행에 의해 유리 기판(15a)이 용융되고 개구부(13)를 채우게 된다. 용융에 의해 개구부(13)를 채운 유리는 도면부호 15b가 된다.
f) 단계는 실리콘 기판(11)의 개구부(13)를 채운 후 상부로 돌출되는 유리를 화학적 기계적 연마(CMP)를 통해 평탄화시킨다.
CMP(Chemical mechanical polishing)는 화학적 및 기계적인 방법으로 웨이퍼 등을 연마하는 반도체 공정을 의미한다.
실리콘 기판(11)의 상부로 돌출되는 유리를 화학적 기계적 연마를 통해 평탄화시키면 상부에서 볼 때 유리 동심원(15)과 실리콘 동심원(17)이 반복 형성된 평면 구조가 된다.
후처리 공정단계는 일 실시예와 다른 실시예의 두 가지 방법이 있으며, 전처리 공정단계 후 두 가지 방법 중 하나를 선택하여 적용할 수 있다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 일 실시예의 후처리 공정단계는 전처리 공정에 의해 f) 단계까지 제조된 상태에서 g1)유리 동심원(15)의 중심부를 습식 식각하는 단계와, h1)유리 동심원(15)과 접하는 실리콘 기판(11)을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이(T)를 확보하는 단계와 i1)유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 유리 동심원(15)의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계와, j1)실리콘 기판(11)의 바닥면 연마를 수행하는 단계를 포함한다.
g1) 단계는 금속박막(31), 감광제(33), 산화막, 질화막 등의 마스크 물질을 사용하여 유리 동심원(15)의 중심부 유리를 습식 식각한다.
금속박막(31)과 감광제(33)를 이용하여 습식 식각을 위한 마스크 물질을 제작하고, 마스크 물질을 실리콘 기판(11)의 상면에서 유리 동심원(15)의 중심부를 제외한 부분에 부착한다. 이후 산, 염기용제와 같은 화학물질에 노출시켜 수행한다.
h1) 단계는 건식 식각을 수행하여 설계한 높이의 유리 높이(T)를 확보한다.
건식 식각은 실리콘 기판(11)의 상부에 식각될 부분을 제외한 부분에 금속박막(35)을 부착하고 플라즈마 또는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
i1) 단계는 붕규산유리의 연화점 이상 온도(약 820℃)에서 열 재흐름 공정을 수행한다. 바람직하게는 820~950℃ 온도 범위에서 열 재흐름 공정을 수행할 수 있다. 이때 온도에 따라 유리의 점성률이 달라지므로 유리 동심원과 실리콘 동심원이포함된 실리콘 기판의 기하학적 구조와 열 재흐름 공정 시간을 고려하여 적합한 값을 설정할 수 있다.
열 재흐름 공정을 수행 후 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖게 된다.
j1) 단계는 실리콘 기판의 바닥면 연마(CMP) 공정을 수행한다. 실리콘 기판(11)의 바닥면 연마를 수행하면 유리 동심원(15)이 상하로 노출되어 렌즈의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 다른 실시예의 후처리 공정단계는 일 실시예와 달리 습식 식각 단계가 포함되지 않는다.
다른 실시예의 후처리 공정단계는, 전처리 공정에 의해 f) 단계까지 제조된 상태에서 g2)유리 동심원(15)과 접하는 실리콘 기판(11)을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이(T)를 확보하는 단계와, h2)실리콘 기판(11)의 바닥면 중심부를 건식 식각하여 유리 동심원(15)의 중심부가 하부로 노출되게 하는 단계와, i2)유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 유리 동심원(15)의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계와 j2)실리콘 기판(11)의 바닥면과 실리콘 기판(11)의 바닥면 방향으로 돌출되는 유리의 연마를 수행하는 단계를 포함한다.
g2) 단계는 실리콘 기판(11)의 건식 식각을 수행하여 설계한 높이의 유리 높이(T)를 확보한다. 이때, 건식 식각은 실리콘 기판(11)의 상부에 식각될 부분을 제외한 부분에 금속박막(41)을 부착하고 플라즈마 또는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
h2) 단계는 실리콘 기판(11)의 바닥면 중심부를 건식 식각한다. 이때, 건식 식각은 실리콘 기판(11)의 바닥면 중심부를 제외한 부분에 감광제(43)를 부착하고 플라즈마 또는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
실리콘 기판(11)의 바닥면 중심부를 건식 식각하면 유리 동심원(15)의 중심부가 하부로 노출된다.
i2) 단계는 열 재흐름 공정을 수행하는 단계이다. 열 재흐름 공정은 i1) 단계와 동일한 조건으로 수행될 수 있다.
열 재흐름 공정에 의해 유리 동심원(15)의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖게 된다.
j2) 단계는 실리콘 기판(11)의 바닥면 연마(CMP) 공정을 수행한다. 실리콘 기판(11)의 바닥면 연마를 수행하면 바닥면이 평단해지고 유리 동심원(15)이 상하로 노출되어 렌즈의 기능을 수행할 수 있다.
상술한 프레넬 마이크로렌즈의 제조방법은 구면렌즈의 부분곡면을 같은 평면상에 배열하는 방식으로 설계하고 제조할 수 있고, 유리 동심원의 단면은 같은 곡률반지름(Rc)를 갖도록 할 수 있다.
도 6에는 구면렌즈에서 구면의 부분곡면 적층을 통한 본 발명의 프레넬 마이크로렌즈 설계 개념도를 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 구면의 부분곡면과 비교시 동일한 곡률반지름 Rc를 갖도록 프레넬 마이크로렌즈를 설계할 수 있다.
상술한 열 재흐름 공정을 이용한 프레넬 마이크로렌즈의 제조방법은 아래의 두 가지 가정을 기반으로 한다.
가정 1: 열 재흐름 공정 전후의 붕규산유리의 부피는 일정하다.
가정 2: 두 번째 열 재흐름 공정이 진행되기 전 상태(도 7의 (a), 도 8의 (a) 참조)에서 정의된 실리콘과 유리 계면의 유속은 O이다. 즉, 실리콘 격벽으로부터 유리가 흘러내리거나 주변으로 넘치지 않는다.
이때, 독립적으로 분리되어 있지 않은 유체가 다수 개의 개구부를 갖는 실리콘 기판(즉, 몰드) 내에 있을 경우 표면 에너지 최소화를 위하여 모든 개구부에서 동일한 곡률반지름(도 5의 (b)에서 Rc 참조)을 갖게 된다.
상술한 프레넬 마이크로렌즈의 제조방법은 유리 부피 조절 또는 추가적인 개구부를 통해 프레넬 마이크로렌즈를 설계할 수 있다.
도 7에는 유리 부피 조절을 통한 본 발명의 프레넬 마이크로렌즈 설계 및 열 재흐름 공전 전과 후를 보인 단면도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7에서 추가적인 개구부를 통한 프레넬 마이크로렌즈 설계 및 열 재흐름 공정 전과 후를 보인 단면도가 도시되어 있다.
유리 부피 조절을 통해 프레넬 마이크로렌즈를 설계하기 위해서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 우선 프레넬 마이크로렌즈로 제조하고자 하는 구면렌즈의 기하학적 변수인 반지름 r과 곡률반지름 Rc를 설정한다.
다음으로, 프레넬 마이크로렌즈의 광학적 특성과 공정 마진을 고려하여, 동심원의 개수 n, 유리 동심원의 높이 T, 실리콘과 유리의 동심원 폭 Xn1, Xn2, Xn3, g를 설정한다.
다음으로, 설정된 변수들을 기반으로 설계하고자 하는 프레넬 마이크로렌즈(도 7의 (b))의 단면적을 예측할 수 있고, 이 부피 값과 동일 부피가 될 수 있게 (Sn1+Sn2+Sn3=Ln1+Ln2+Ln3) 중심 동심원의 높이(도 7의 (a)의 Tn1)을 도 5의 g1) 단계에서 조절한다.
추가적인 개구부를 통한 프레넬 마이크로렌즈 설계하기 위해서는 도 8에 도시된 바와 같이, 우선 프레넬 마이크로렌즈로 제조하고자 하는 구면렌즈의 기하학적 변수인 반지름 r과 곡률반지름 Rc를 설정한다.
다음으로, 프레넬 마이크로렌즈의 광학적 특성과 공정 마진을 고려하여, 동심원의 개수 n, 유리 동심원의 높이 T, 실리콘과 유리의 동심원 폭 Xn1, Xn2, Xn3, g를 설정한다.
다음으로, 설정된 변수들을 기반으로 설계하고자 하는 프레넬 마이크로렌즈(도 8의 (b))의 단면적을 예측할 수 있고, 이 부피 값과 동일 부피가 될 수 있게 (Sn1+Sn2+Sn3=Ln1+Ln2+Ln3+Lbottom) 바닥면 개구부의 지름(도 8의 (b)의 Lbottom)을 도 5의 g2) 단계에서 조절한다.
상술한 프레넬 마이크로렌즈의 제조방법에 의해 프레넬 마이크로렌즈를 설계하고 검증하였다.
도 9에는 열 재흐름 공전 전과 후를 보인 전산유체역학 시뮬레이션 결과 도면이 도시되어 있고, 도 10에는 시뮬레이션 결과로 예측한 구면렌즈와 프레넬 마이크로렌즈의 프로파일 비교 그래프가 도시되어 있다.
설계 예로, 프레넬 마이크로렌즈는 반지름 r=500㎛, 곡률반지름 Rc=700㎛, 유리 동심원 개수 n=2, 유리 동심원의 높이 T=80㎛, 실리콘 동심원의 폭 g=100㎛일 때 각각의 유리 동심원의 폭은 Xn1=306㎛, Xn2=94㎛로 설계하였다. 이때에 적합한 중심 유리 동심원의 높이 Tn1은 41㎛이다.
상기와 같이 설계된 프레넬 마이크로렌즈를 전산유체역학 시뮬레이션을 통해 열 재흐름 공정의 예상 결과를 확인해 보면, 도 7에 도시된 바와 같이, 열 재흐름 공정 후 유리 동심원의 단면이 곡률반지름 Rc를 가지게 되나 열 재흐름 공전 전과 동일 부피가 됨에 의해 유리 부피 조절을 통한 프레넬 마이크로렌즈 설계가 가능함이 확인된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 구면렌즈와 시뮬레이션 결과로 예측한 프레넬 마이크로렌즈의 프로파일도 거의 일치함이 확인된다.
상술한 바와 같이, 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법은 건식 식각을 통해 제조한 실리콘 기판 몰드와 두 번의 열 재흐름 공정을 이용하여 3차원 유리 구조를 제조하여 프레넬 마이크로렌즈를 완성한다.
상술한 프레넬 마이크로렌즈 및 그 제조방법은 1차적으로 열 재흐름 공정을 이용하여 소자를 제조하는 다른 MEMS 소자 설계 및 개발자에게 가이드라인을 제시할 수 있다. 그리고 MEMS 기술을 이용하여 제조된 프레넬 마이크로렌즈는 미세 광학 소자를 이용하는 모든 광학 분야에 적용될 수 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 몰드 2: 단일 개구부
3: 유체 5: 몰드
6: 서로 다른 다수 개의 개구부 7: 유리
10: 프레넬 마이크로렌즈 11: 실리콘 기판(몰드)
13: 개구부 15: 유리 동심원
15a: 유리 기판 15b: 유리
17: 실리콘 동심원 19: 지지대
21: 금속박막 23: 감광제
31,35, 41: 금속박막 33,43: 감광제

Claims (13)

  1. 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원과 실리콘 기판의 일부가 식각되어 형성된 실리콘 동심원이 반복 형성된 평면 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리 동심원은 실리콘 기판에 형성한 다수 개의 개구부에 형성되어 서로 동일 평면상에 배열되는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다수 개의 개구부는 서로 다른 구조인 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 동심원은 실리콘 기판 바닥면에서 일정거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리콘 동심원을 지지하기 위한 지지대가 포함되는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리 동심원은 붕규산유리로 된 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리 동심원의 단면은 곡률반지름(Rc)를 갖는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈.
  8. 실리콘 기판의 일부를 식각하여 실리콘 동심원을 형성하고 상기 실리콘 동심원과 유리의 열 재흐름 공정으로 용융된 유리 동심원이 반복되는 평면 구조를 형성하는 전처리 공정단계; 및
    상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 형성하는 후처리 공정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전처리 공정단계는
    실리콘 기판의 상면에 금속 박막과 감광제를 이용하여 이중 마스크 패터닝을 수행하는 단계;
    1차 건식 식각을 수행하여 다수 개의 개구부를 형성하는 단계;
    2차 건식 식각을 수행하여 실리콘 동심원 및 실리콘 동심원을 지지하기 위한 지지대가 포함되게 하는 단계;
    상기 실리콘 동심원이 형성된 면에 유리 기판을 접합하는 단계;
    상기 유리 기판의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 기판이 용융되고 상기 개구부를 채우도록 하는 단계; 및
    상기 개구부를 통해 상기 실리콘 기판의 상부로 돌출되는 유리를 연마를 통해 평탄화시켜 상기 유리 동심원이 형성되게 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유리 기판은 붕규산유리인 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 후처리 공정단계는,
    상기 유리 동심원의 중심부를 습식 식각하는 단계;
    상기 유리 동심원과 접하는 상기 실리콘 기판을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이를 확보하는 단계;
    상기 유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 바닥면 연마를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 후처리 공정단계는,
    상기 유리 동심원과 접하는 상기 실리콘 기판을 건식 식각하여 설계한 높이의 유리 높이를 확보하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 바닥면 중심부를 건식 식각하여 상기 유리 동심원의 중심부가 하부로 노출되게 하는 단계;
    상기 유리의 연화점 이상의 온도에서 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 유리 동심원의 단면이 곡률반지름(Rc)를 갖도록 하는 단계; 및;
    상기 실리콘 기판의 바닥면과 상기 실리콘 기판의 바닥면 방향으로 돌출되는 유리의 연마를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 유리의 연화점 이상의 온도는 820~950℃ 범위인 것을 특징으로 하는 프레넬 마이크로렌즈 제조방법.
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