KR20060109943A - 평판형 마이크로 렌즈와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

기계적 또한 열적으로 안정하고 여러 광학 분야에서 이용 가능한 평판형 마이크로 렌즈를 간편하고 또한 저비용으로 제공한다. 마이크로 렌즈는 투광성 DLC막(41)을 이용하여 형성되어 있고, 그 DLC막(41)은 굴절률이 변조된 영역(Rmn)을 포함하고, 그 굴절률이 변조된 영역을 광속이 통과할 때 집광 작용을 발생하는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

평판형 마이크로 렌즈와 그 제조 방법{FLAT SHEET TYPE MICRO-LENS AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은 여러 광학 분야에서 이용될 수 있는 평판형 마이크로 렌즈와 그 제조 방법의 개선에 관한 것이다.

평판형 마이크로렌즈는 여러 광학 분야에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 광통신 분야에 있어서, LD(laser diode)와 광파이버 사이의 광 결합을 위한 집광 렌즈로서 바람직하게 이용될 수 있다. 또한, 프로젝터중의 집광용 렌즈 어레이로서, 평판형 마이크로렌즈 어레이(microlens array)가 바람직하게 이용될 수 있다.

도 5a는 종래의 평판형 마이크로렌즈 어레이의 일례를 모식적인 일부 파탄 사시도로 도시하고 있고, 도 5b는 도 5a의 렌즈 어레이의 광학적 기능을 모식적인 단면도로 도해하고 있다[「마이크로렌즈(어레이)의 초정밀 가공과 양산화 기술」 기술 정보 협회 출판, 2003년 4월 28일, 제 20 페이지 내지 제 21 페이지, 및 제 71 페이지 내지 제 81 페이지 참조). 이 평판형 마이크로렌즈 어레이(1)는 균질한 박판 유리(1a)의 한쪽의 주면을 따라서, 어레이 형상으로 배열된 복수의 고굴절률 영역(1b)을 포함하고 있다. 그들 고굴절률 영역(1b)의 각각은 박판 유리(1a)내에 있어서 대략 반구형의 형상(예컨대, 직경이 200㎛이고, 깊이가 80㎛임)을 갖고 있다. 따라서, 도 5b에 도해되어 있는 바와 같이, 각 고굴절률 영역(1b)은 하나의 작은 볼록 렌즈로서 작용하고, 거기에 입사하는 평행광(2)은 초점(F)에 집광된다.

도 6a 내지 도 6c는, 도 5a 및 도 5b의 평판형 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법의 일례를 모식적인 단면도로 도해하고 있다. 도 6a에 있어서, 유리 기판(1a)상에 어레이 형상으로 배열된 소구멍(3a)을 갖는 금속 레지스트층(3)이 포토리소그래피와 에칭에 의해 형성된다. 도 6b에 있어서, 주지의 이온 교환법에 의해, 즉 대향하는 복수의 화살표(4)로 표시되어 있는 바와 같은 이온 교환에 의해, 레지스트층(3)의 소구멍(3a)을 거쳐서 고굴절률 영역(1b)이 형성된다. 이 때, 이온 교환은 이온의 등방적 열확산에 의해 진행하므로, 고굴절률 영역(1b)은 유리 기판(1a)내에서 자연적으로 대략 반구형상으로 형성된다. 물론, 금속 레지스트층(3)은 열확산 온도에 견디는 내열성을 갖는 동시에, 이온의 통과를 저지하는 기능을 갖고 있어야 된다. 그리고, 도 6c에 있어서, 레지스트층(3)이 제거되어서, 평판형 마이크로렌즈 어레이(1)를 얻을 수 있다.

또, 이러한 마이크로렌즈는 광의 굴절 현상을 이용하고 있어, 굴절형 마이크로렌즈이다. 또한, 이와 같이 투광성 기판내에 굴절률 분포를 갖는 렌즈는 GRIN (GRaded INdex) 렌즈로 불리기도 한다.

그런데, 종래부터 마이크로렌즈로서 굴절형 마이크로렌즈가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 광학 시스템의 사이즈, 중량, 비용 등을 저감시키는 관점에서, 회절형의 마이크로렌즈가 주목받고 있다. 회절형 마이크로렌즈는 광의 회절 현상을 이용하여 렌즈 기능을 발생시키는 것이다. 회절형 마이크로렌즈는 주로 릴리프(relief)형(또는 막두께 변조형) 마이크로렌즈와 굴절률 변조형 마이크로렌즈로 대별된다. 릴리프형 마이크로렌즈에서는, 전형적으로는 투광성 기판의 표면에 동심원형상의 복수의 미세한 링형 홈이 형성되어 있고, 그들 홈의 깊이(즉, 기판의 두께)가 주기적으로 변화되는 구조를 갖고 있다. 한편, 굴절률 변조형 마이크로렌즈는, 전형적으로는 평판형 기판이 동심원형상의 복수의 미세한 띠형 링 영역으로 나누어져 있고, 그들 영역의 굴절률이 주기적으로 변화되는 구조를 갖고 있다.

투광성 기판의 두께의 주기적 변화나 굴절률의 주기적 변화는 그 기판을 통과하는 광의 위상을 주기적으로 변화시켜, 회절 격자와 동일하게 광의 회절 효과를 발생시킨다. 그리고, 회절 격자의 격자 피치가 작아짐에 따라서, 회절 격자를 통과하는 광의 회절각이 커진다. 따라서, 동심원의 중심으로부터 주연부에 도달함에 따라서 동심원형상 회절 격자의 피치를 감소시킴으로써, 그 회절 격자를 통과하는 광을 볼록 렌즈와 같이 집광할 수 있다.

도 7a 내지 도 7f는 종래의 릴리프형 마이크로렌즈의 제작 방법의 일례를 모식적인 단면도로 도해하고 있다. 또한, 도 8a 및 도 8b는 도 7a 내지 도 7f의 제작 방법에서 사용되는 노광 마스크를 모식적인 평면도로 도시하고 있다.

도 7a에 있어서, Si 기판(11)상에 포지티브(positive)형 포토레지스트층(12)을 형성하고, 제 1 포토마스크(13)를 거쳐서 자외광(14a)이 조사된다. 이 제 1 포토마스크(13)는 도 8a에 도시되어 있는 바와 같은 동심원형상의 띠형 링 패턴을 갖 고, 링간의 피치는 동심원의 중심으로부터 주연부를 향함에 따라서 감소되고 있다. 또, 도 8a에 있어서는 도면의 명료화와 간략화를 위해 단지 2개의 투광 링이 도시되어 있지만, 실제로는 더욱 많은 링이 포함될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

도 7b에 있어서, 노광된 레지스트층(12)을 현상하여 제 1 레지스트 패턴(12a)이 형성된다. 그리고, 그 제 1 레지스트 패턴(12a)을 마스크로 하여, 화살표(14b)로 표시된 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해, 소정 깊이의 띠형 홈 링이 형성된다.

도 7c에 있어서, 제 1 레지스트 패턴(12a)을 제거함으로써, 2 레벨(binary level)(광의 위상을 2단계로 변조)의 릴리프형 마이크로렌즈(11a)를 얻을 수 있다. 또, 띠형 홈 링의 폭과 깊이는 2 레벨 또는 다중 레벨의 릴리프형 마이크로렌즈의 각각에 따라서 가장 양호한 회절 효율이 얻어지도록 설정된다.

도 7d 내지 도 7f는 도 7a 내지 도 7c와 같은 공정에 이어서 4 레벨의 릴리프형 마이크로렌즈를 제작하는 공정을 도해하고 있다.

도 7d에 있어서, 도 7c까지와 동일한 공정에서 형성된 Si 기판(11a)의 상면에 제 2 레지스트층(15)을 더 형성하고, 제 2 마스크(16)를 거쳐서 자외광(14c)을 조사한다. 도 8b는 이 제 2 마스크(16)를 모식적 평면도로 도시하고 있다. 도 8a 및 도 8b로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2 마스크(16)는 제 1 마스크(13)에 비하여 2배의 개수의 띠형 투광 링을 갖고 있다. 다시 말하면, 제 2 마스크의 띠형 투광 링 및 띠형 불투광 링은 제 1 마스크의 띠형 투광 링 및 띠형 불투광 링에 비하여 약 1/2의 폭을 갖고 있다.

도 7e에 있어서, 노광된 제 2 레지스트층(15)을 현상하여 도 7e에 표시되어 있는 바와 같은 제 2 레지스트 패턴(15a)이 형성된다. 그리고, 그 제 2 레지스트 패턴(15a)을 마스크로 하여, 화살표(14d)로 표시되어 있는 RIE에 의해 소정 깊이까지의 에칭이 더 실행된다.

도 7f에 있어서, 제 2 레지스트 패턴(15a)을 제거하여, 4 레벨의 위상 변화를 발생할 수 있는 릴리프형 마이크로렌즈(11b)를 얻을 수 있다. 또, 2 레벨의 회절형 렌즈에 비하여, 다중 레벨의 회절형 렌즈에서는 높은 회절 효율을 얻을 수 있고, 보다 높은 집광 효율을 얻을 수 있다. 또한, 전술한 바와 같은 포토리소그래피와 RIE의 공정을 N회 반복함으로써, 2N 레벨의 릴리프형 마이크로렌즈를 제작할 수 있다. 단지, 이론상은 무한수 레벨의 회절 렌즈에서 100%의 회절 효율이 얻어지게 되지만, 제작 공정수와 비용이 증대하므로, 실제상은 95%의 회절 효율이 얻어지는 8 레벨의 회절형 렌즈로 충분할 것이다(전술한 공정을 N=3회 반복함으로써 제작 가능).

발명의 요약

도 6a 내지 도 6c에 도해되어 있는 바와 같이 유리 기판내의 이온 교환에 의해 형성되는 굴절형 마이크로렌즈 어레이에 있어서는, 그 이온 교환에 의해 높일 수 있는 굴절률 변화 Δn은 약 0.17 정도에 불과하다. 따라서, 그러한 비교적 작은 굴절률 차이에 기인하여, 짧은 초점 거리의 렌즈를 제작하기 어렵다. 또한, 이온의 교환 영역(1b)은 등방적 열확산에 의해 형성되므로, 그 렌즈 영역(1b)은 반드시 대략 반구형상으로 형성되어, 렌즈 두께를 변경하여 초점 거리를 조절하는 것도 곤란하다.

회절형 마이크로렌즈에 대해서는, 릴리프형 마이크로렌즈에서는, 투광성 기판에 에칭에 의해 홈을 새겨야 하므로, 그 기판은 그 나름의 두께를 요구한다. 또한, 에칭에 의해 새긴 홈의 깊이를 정확하게 조절하는 것이 용이하지는 않다. 더욱이, 릴리프형 마이크로렌즈는 그 표면에 미세한 요철을 가지므로, 먼지나 오염물이 부착되기 쉽다는 문제도 있다.

한편, 회절형 마이크로렌즈를 굴절률 변조형 마이크로렌즈로서 제작하는 것은 곤란하다. 왜냐하면, 전술한 바와 같이 유리판의 이온 교환에 의해 얻어지는 굴절률 변화는 최대라도 Δn=0.17 정도여서, 효과적인 굴절률 변조형 회절 격자를 형성하는 것이 곤란하기 때문이다. 또한, 예컨대 석영계 유리에 자외광과 같은 에너지 빔을 조사하는 것에 의해서도 굴절률을 높일 수 있는 것이 공지되어 있지만, 그 경우의 굴절률 변화는 이온 교환의 경우에 비하여 더 작다(Δn=0.01 이하 정도).

전술한 바와 같은 선행 기술에 의한 마이크로렌즈에 있어서의 상황을 감안하여, 본 발명은 기계적 또한 열적으로 안정하고 여러 광학 분야에서 이용 가능한 평판형 마이크로렌즈를 간편하고 또한 저비용으로 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 마이크로렌즈는 투광성 DLC(diamond-1ike carbon : 다이아몬드상 카본)막을 이용하여 형성되어 있고, 그 DLC막은 굴절률이 변조된 영역을 포함하고, 그 굴절률이 변조된 영역을 광속이 통과할 때에 집광 작용을 발생하는 것을 특징으로 하고 있다.

또, 그 마이크로렌즈는 굴절형 마이크로렌즈일 수 있어서, 그 경우에는, DLC막의 일 주면측에 있어서 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절형 렌즈 영역이 형성되고 있고, 그 렌즈 영역은 DLC막의 그 하나의 주면(主面)과 대략 구면의 일부에 해당하는 계면에 둘러싸인 볼록 렌즈의 형상을 갖거나, 또는 그 하나의 주면과 그 주면에 대하여 평행한 중심축을 갖는 대략 원기둥면의 일부에 해당하는 계면에 둘러싸인 기둥형상 볼록 렌즈의 형상을 갖고 있어도 좋다.

또한, 렌즈 영역은 DLC막을 관통하는 대략 원기둥형상을 갖고 있어도 좋고, 이 경우에는, 원기둥형상의 중심축은 DLC막에 직교하고 있어서 그 중심축에 가까울수록 굴절률이 높아진다. 더욱이, 렌즈 영역은 DLC막을 관통하는 띠형 영역이여도 좋고, 이 경우에는, 그 띠형 영역의 폭방향의 중앙을 통과하고 또한 DLC막에 직교하는 면에 가까울수록 굴절률이 높아진다.

더욱이, 본 발명의 마이크로렌즈는 회절형 마이크로렌즈일 수도 있고, 그 경우에는, DLC막은 동심원형상의 복수의 띠형 링 영역을 포함할 수 있고, 그들 띠형 링 영역은 회절 격자로서 작용하도록 굴절률이 상대적으로 변조되고 있고, 그들 띠형 링 영역의 폭은 동심원의 중심으로부터 먼 띠형 링 영역일수록 좁아져 있다.

동심원형상의 복수의 띠형 링 영역을 포함하는 회절형 마이크로렌즈에 있어서, DLC막은 동심원형상의 m개의 링 구역을 포함할 수 있고, 그들 링 구역의 각각은 n개의 띠형 링 영역을 포함하고, 링 구역의 각각에 있어서 내측의 띠형 링 영역은 외측의 띠형 링 영역에 비하여 높은 굴절률을 갖고, 링 구역의 각각에 있어서 서로 대응하는 띠형 링 영역은 서로 동일한 굴절률을 갖고 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 회절형 마이크로렌즈에 있어서, DLC막은 서로 평행한 복수의 띠형 영역을 포함할 수도 있고, 그들 띠형 영역은 회절 격자로서 작용하도록 굴절률이 상대적으로 변조되고 있고, 그들 띠형 영역의 폭은 소정의 띠형 영역으로부터 먼 띠형 영역일수록 좁아져 있다.

서로 평행한 복수의 띠형 영역을 포함하는 회절형 마이크로렌즈에 있어서, DLC막은 서로 평행한 m개의 띠 구역을 포함할 수 있고, 그들 띠 구역의 각각은 n개의 띠형 영역을 포함하고, 띠 구역의 각각에 있어서 소정의 띠형 영역에 가까운 띠형 영역은 먼 띠형 영역에 비하여 높은 굴절률을 갖고, 띠 구역의 각각에 있어서 서로 대응하는 띠형 영역은 서로 동일한 굴절률을 갖고 있는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의한 마이크로렌즈는 0.4㎛ 내지 2.0㎛의 범위내의 파장을 포함하는 광에 대하여 렌즈 작용을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 마이크로렌즈는 광통신 분야나 프로젝터와 같이 넓은 광학 분야에서 이용 가능하다.

본 발명에 의한 마이크로렌즈를 제작할 경우에, DLC막은 플라즈마 CVD(화학기상 퇴적)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이 플라즈마 CVD에 의하면, 비교적 저온에 있어서, 실리콘 기판, 유리 기판, 폴리머 기판, 그 밖의 여러가지의 기체(基體)상에 투광성 DLC막을 형성할 수 있다.

DLC막중에 있어서 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 영역은 그 DLC막에 에너지 빔을 조사하여 굴절률을 높임으로써 간편하게 형성될 수 있다. 그리고, 그 에너지 빔 조사로서, 자외선(UV), X선, 싱크로트론(synchrotron) 방사(SR)광, 이온 빔, 전자 빔 등을 이용할 수 있다. 또한, 하나의 DLC막중에 어레이 형상으로 배열된 복수의 마이크로렌즈가 동시의 에너지 빔 조사에 의해 간편하게 형성될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시형태에 있어서의 굴절형 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법을 도해하는 모식적인 단면도,

도 2a 내지 도 2d는 도 1a 내지 도 1c의 굴절형 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법에 있어서 사용할 수 있는 각인 금형의 형성 방법을 도해하는 모식적 단면도,

도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 회절형 마이크로렌즈를 도해하는 모식적인 평면도이며, 도 3b는 거기에 대응하는 단면도,

도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b의 회절형 마이크로렌즈의 제작 방법의 일례를 도해하는 모식적인 단면도,

도 5a는 종래의 굴절형 마이크로렌즈 어레이를 도시하는 모식적인 일부 파탄 사시도이며, 도 5b는 그 기능을 도해하는 모식적인 단면도,

도 6a 내지 도 6c는 도 5a 및 도 5b의 굴절형 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법을 도해하는 모식적 단면도,

도 7a 내지 도 7f는 종래의 릴리프형의 회절형 마이크로렌즈의 제작 방법을 도해하는 모식적인 단면도,

도 8a 및 도 8b는 도 7a 내지 도 7f의 릴리프형 마이크로렌즈의 제작 방법에 사용되는 마스크를 도시하는 모식적인 평면도.

우선, 본원 발명을 고안함에 있어서, 본 발명자들은, 투광성 DLC (diamondlike carbon : 다이아몬드형 카본)막에 에너지 빔을 조사함으로써 그 굴절률을 높일 수 있다는 것을 확인하고 있다. 그러한 DLC막은 실리콘 기판, 유리 기판, 그 밖의 여러가지의 기체상에 플라즈마 CVD(화학기상 퇴적)에 의해 형성할 수 있다. 그러한 플라즈마 CVD에 의해 얻어지는 투광성 DLC막은 통상 1.55 정도의 굴절률을 갖고 있다.

DLC막의 굴절률을 높이기 위한 에너지 빔으로서는, 자외선(UV), X선, 싱크로트론 방사(SR)광, 이온 빔, 전자 빔 등을 이용할 수 있다. 또, SR광은 일반적으로 자외광으로부터 X선까지의 넓은 파장 범위의 전자파를 포함하고 있다.

예를 들면, He 이온을 800keV의 가속 전압하에서 5×10¹⁷/㎠의 도스(dose)량으로 주입함으로써, 굴절률 변화량을 Δn=0.65 정도까지 높일 수 있다. 또, H, Li, B, C 등의 이온의 주입에 의해서도, 마찬가지로 굴절률을 높일 수 있다. 또한, 0.1㎚ 내지 130㎚의 스펙트럼을 갖는 SR광을 조사함으로써도, 굴절률 변화량을 최대로 Δn=0.65 정도까지 높일 수 있다. 더욱이, UV광 조사에서는, 예컨대 파장248㎚의 KrF 엑시머(excimer) 레이저광을 펄스당 160mW/㎟의 조사 밀도로 100Hz의 주기로 펄스 조사되면, 굴절률 변화량을 Δn=0.22 정도까지 높일 수 있다. 또, ArF(193㎚), XeCl(308㎚), XeF(351㎚) 등의 엑시머 레이저광이나 Ar 레이저광(488㎚)의 조사에 의해서도, 마찬가지로 굴절률을 높일 수 있다. 이들 DLC막의 에너지 빔 조사에 의한 굴절률 변화량은, 종래의 유리의 이온 교환에 의한 굴절률 변화량(최대에서도 Δn=0.17) 또는 석영계 유리의 UV광 조사에 의한 굴절률 변화량(Δn=0.01 이하 정도)에 비하여 현저하게 큰 것을 알 수 있다.

도 1a 내지 도 1c에 있어서, 본 발명의 일 실시형태에 의한 굴절형 마이크로렌즈 어레이의 제작 방법이 모식적인 단면도로 도해되어 있다.

도 1a에 있어서, DLC막(21)상에 마스크층(22)이 형성되어 있다. 마스크층(22)으로서는, 에너지 빔(23)의 투과를 제한할 수 있는 기능을 갖는 여러가지의 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 마스크층에 대한 에너지 빔의 투과량의 설계에 따라 최적화되도록, 금, 크롬, 니켈, 알루미늄, 텅스텐 등으로부터 선택할 수 있다. 이 마스크층(22)은 어레이 형상으로 배열된 미세한 오목부(22a)를 갖고 있다. 그들 오목부(22a)의 각각은 대략 구면의 일부 또는 대략 원기둥면(이 원기둥면의 중심축은 도면의 지면에 직교)의 일부로 이루어지는 저면을 갖고 있다. 그들 오목부(22a)의 어레이를 포함하는 마스크층(22)을 거쳐서, 에너지 빔(23)이 DLC막(21)에 조사된다.

도 1b에 있어서, 에너지 빔(23)의 조사후에 마스크층(22)을 제거함으로써, DLC막(21)중에 형성된 마이크로렌즈 어레이(21a)를 얻을 수 있다. 즉, 에너지 빔(23)의 조사에 의해, 마스크층(22)의 오목부(22a)의 어레이에 대응하여, DLC막(21)내에 있어서 고굴절률 영역(21a)의 어레이가 형성되어 있다. 이 때, 마스크층(22)의 오목부(22a)는 구면형상 또는 원기둥면형상의 저면을 갖고 있으므로, 오목부(21a)의 중앙으로부터 주연을 향함에 따라서 마스크층의 두께가 증대하고 있다. 즉, 에너지 빔(23)은 오목부(22a)의 주연부에 비하여 중앙부에서 투과하기 쉬워진다. 따라서, 고굴절률 영역(21a)의 깊이는, 그 중앙부에서 깊고 주연부에서 얕은 구면형상 볼록 렌즈 또는 원기둥면형상 볼록 렌즈의 형상을 갖고 있다. 그 결과, 그들 고굴절률 영역(21a)의 각각이 그대로 하나의 마이크로렌즈로서 작용할 수 있다.

또, 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있는 바와 같은 에너지 빔(23)에 의해 마이크로렌즈 어레이를 제작할 경우, 대략 구면형상 또는 대략 원기둥면형상의 오목부(22a)의 깊이를 조절함으로써, 마이크로렌즈(21a)의 두께를 조절할 수 있고, 즉 그 초점 거리를 조절할 수 있다. 또한, 오목부(22a)의 깊이를 변화시키지 않아도, 조사하는 에너지 빔(23)의 투과능을 변화시킴으로써도 마이크로렌즈(21a)의 초점 거리를 조절할 수 있다. 예를 들면, 에너지 빔(23)으로서 He 이온 빔을 사용할 경우, 그 이온의 가속 에너지를 높여서 투과능을 높임으로써, 마이크로렌즈(21a)의 초점 거리를 짧게 할 수 있다. 또한, DLC막에 대한 에너지 빔(23)의 도스량이 높을수록 굴절률 변화An이 커지므로, 그 도스량을 조절함으로써도 마이크로렌즈(21a)의 초점 거리를 조절하는 것도 가능하다.

도 1c는 다른 형태의 마이크로렌즈 어레이를 모식적인 단면도로 도시하고 있다. 이 마이크로렌즈(21b)는 DLC막(21)을 관통하는 원기둥형상 또는 띠형 영역을 갖고 있다. 마이크로렌즈(21b)가 원기둥형상일 경우, 그 중심축(21c)은 DLC막(21)의 두께방향에 평행하고, 중심축(21c)에 가까울수록 굴절률이 높게 되어 있다. 마이크로렌즈(21b)가 띠형일 경우, 그 폭방향의 중심을 지나는 중심면(도면의 지면에 직교)(21c)은 DLC막(21)의 두께방향에 평행하고, 중심면(21c)에 가까울수록 굴절률이 높게 되어 있다.

도 1c의 마이크로렌즈 어레이도, 도 1a에 유사의 방법에 의해 형성될 수 있다. 즉, 마스크층(22)의 얇은 영역 및 DLC막(21)을 관통할 수 있는 높은 에너지의 빔(23)을 조사함으로써, 중심선 또는 중심면(21c)에 가까운 영역일수록 높은 도스량으로 그 에너지 빔이 조사되게 되어서 굴절률이 보다 높아지게 된다.

도 1a에 도시되고 있는 바와 같은 대략 구면형상 또는 대략 원기둥면 형상의 저면을 갖는 오목부(22a)를 포함하는 마스크층(22)은 여러가지의 방법에 의해 제작할 수 있다. 예를 들면, DLC막(21)상에 균일한 두께의 마스크층(22)을 형성하고, 그상에 어레이 형상으로 배열된 미세한 구멍 또는 평행하게 배열된 선형의 개구를 갖는 레지스트층을 형성한다. 그리고, 그 레지스트층의 미세한 구멍 또는 선형의 개구로부터 등방적 에칭을 실행함으로써, 그 미세한 구멍 아래의 마스크층(22)내에 대략 반구형상 또는 대략 반원기둥형상의 오목부(22a)를 형성할 수 있다.

도 1a에 도시되어 있는 바와 같은 대략 구면형상 또는 대략 원기둥면 형상의 저면을 갖는 오목부(22a)를 포함하는 마스크층(22)은 도 2의 모식적인 단면도에 도해되어 있는 바와 같은 방법으로 제작될 수 있는 각인 금형을 이용하여 간편하게 제작할 수도 있다.

도 2a에 있어서, 예를 들면 실리카의 기판(31)상에 레지스트 패턴(32)이 형성된다. 이 레지스트 패턴(32)은 기판(31) 뿐만 아니라 어레이 형상으로 배열된 복수의 미세한 원형 영역상 또는 평행하게 배열된 복수의 가는 띠형 영역상에 형성되어 있다.

도 2b에 있어서, 레지스트 패턴(32)이 가열 용융되어서, 각 미소 원형 영역상 또는 가는 띠형 영역상에서 용융된 레지스트(32)는 그 표면 장력에 의해 대략 구면형상 또는 대략 원기둥면 형상의 볼록 렌즈 형상의 레지스트(32a)가 된다.

도 2c에 있어서, 대략 볼록 렌즈 형상의 레지스트(32b)와 함께 실리카 기판(31a)을 이온 에칭(RIE)하면, 레지스트(32b)의 직경 또는 폭이 RIE에 의해 축소하면서 실리카 기판(31a)이 에칭된다.

그 결과, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 대략 구면형상 또는 대략 원기둥면 형상의 볼록부(31b)가 배열된 실리카의 각인 금형(31c)이 최종적으로 얻어진다. 또, 볼록부(31b)의 높이는 도 2c에 있어서의 레지스트(32b)의 에칭 속도와 실리카 기판(31a)의 에칭 속도의 비율을 조절함으로써 조절할 수 있다. 이렇게 해서 얻어진 각인 금형(31c)은, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같은 오목부(22a)를 포함하는 마스크층(22)의 제작에 바람직하게 사용될 수 있다. 즉, 예를 들면 마스크층(22)이 금 재료로 형성되어 있는 경우, 금은 전연성이 우수하므로, 그 금 마스크층(22)에 각인 금형(31c)에 의해 각인함으로써, 간편하게 오목부(22a)를 형성할 수 있다. 또한, 각인 금형(31c)은 한번 제작하면 반복 사용 가능하므로, 에칭에 의해 마스크층(22)중의 오목부(22a)를 형성할 경우에 비하여 매우 간편하고 또한 저비용으로 오목부(22a)를 형성하는 것을 가능하게 한다.

또, 본 발명에서와 같이 DLC막을 사용한 굴절형 마이크로렌즈 어레이는, 종래의 유리 기판을 사용한 경우에 비하여, 에너지 빔 조사에 의해 고굴절률의 렌즈를 형성할 수 있으므로, 유리 기판에 비하여 매우 얇은 DLC막중에 굴절형 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다. 그러나, DLC막을 채용한 굴절형 마이크로렌즈에 있어서도, 후술하는 회절형 마이크로렌즈에 비하면 두꺼운 DLC막을 필요로 한다.

10㎛ 내지 20㎛ 정도 이상의 두께를 필요로 한다. 도 3a의 모식적인 평면도와 도 3b의 모식적인 단면도에 있어서, 본 발명의 다른 실시형태에 의한 회절형 마이크로렌즈가 도해되어 있다. 회절형 마이크로렌즈는 굴절형 마이크로렌즈에 비하여 얇게 제작하는 것이 가능하며, 1㎛ 내지 2㎛ 정도의 두께의 DLC 박막막중에 회절형 마이크로렌즈를 제작할 수 있다. 즉, 이 회절형 마이크로렌즈(40)도, DLC막(41)을 이용하여 제작되고 있고, 동심원형상의 복수의 띠형 링 영역(Rmn)을 포함하고 있다. 여기에서, 참조부호(Rmn)는, 제 m번째의 링 구역중의 제 n번째의 띠형 링 영역을 나타내는 동시에, 동심원의 중심으로부터 그 띠형 링 영역의 외주까지의 반경도 나타내는 것으로 한다. 그들 띠형 링 영역(Rmn)은 동심원의 중심으로부터 멀수록, 감소된 폭을 갖고 있다.

서로 인접하는 띠형 링 영역(Rmn)은 서로 다른 굴절률을 갖고 있다. 도 3의 회절형 마이크로렌즈는, 그것이 2 레벨의 회절형 렌즈일 경우에는, n=2번째까지의 띠형 링 영역을 포함하는 링 구역을 m=3번째까지 포함하고 있게 된다. 그리고, 동일한 링 구역중에서는, 외측에 비하여 내측의 띠형 링 영역쪽이 높은 굴절률을 갖고 있다.

이것으로부터 유추될 수 있는 바와 같이, 4 레벨의 회절형 렌즈에서는, 하나의 링 구역이 n=4번째까지의 띠형 링 영역을 포함하고, 이 경우에도 동일한 링 구역중에서는 동심원의 중심에 가까운 띠형 링 영역일수록 높은 굴절률을 갖고 있다. 즉, 하나의 링 구역중으로 내주측으로부터 외주측을 향해서 4단계의 굴절률 변화가 형성되어 있다. 그리고, 그러한 4단계의 굴절률 변화의 주기가 링 구역마다 m회 반복되게 된다.

또, 띠형 링 영역(Rmn)의 외주 반경은, 스칼라(scalar) 근사를 포함하는 회절 이론으로부터 다음 수학식 1에 따라서 설정할 수 있다. 이 수학식 1에 있어서, L은 렌즈의 회절 레벨을 나타내고, λ는 광의 파장을 나타내고, 그리고 f는 렌즈의 초점 거리를 나타내고 있다. 또한, 최대의 굴절률 변화량 Δn은 최대의 위상 변조 진폭Δφ=2π(L-1)/L을 발생시킬 수 있는 것으로 되어야 한다.

[수학식 1]

도 4a 및 도 4b의 모식적인 단면도에 있어서, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 2 레벨의 회절형 마이크로렌즈의 제작 방법의 일례가 도해되어 있다.

도 4a에 있어서, DLC막(41)상에, 예를 들면 Ni의 도전층(42)이 주지의 EB(전자 빔) 증착법에 의해 형성된다. 이 Ni 도전층(42)상에는 도 3중의 n=1에 대응하는 띠형 링 영역(Rmn)(m=1 내지 3)을 덮도록 레지스트 패턴(43)이 형성된다. 그 레지스트 패턴(43)의 개구부에 전기 도금에 의해 금 마스크(44)가 형성된다.

도 4b에 있어서, 레지스트 패턴(43)이 제거되어서, 금 마스크(44)가 남겨진다. 그리고, 그 금 마스크(44)의 개구부를 통하여, 에너지 빔(45)이 DLC막(41)에 조사된다. 그 결과, 에너지 빔(45)에 조사된 띠형 링 영역(Rm1)(도면중에서 41a)의 굴절률을 높일 수 있고, 에너지 빔(45)이 마스크된 띠형 링 영역(Rm2)(도면중에서 41b)은 당초의 DLC막의 굴절률을 유지하고 있다. 즉, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 2 레벨의 회절형 마이크로렌즈를 얻을 수 있다. 또, 에너지 빔 조사후의 금 마스크는 시안(cyan)계의 에칭 액에 실온에서 몇분 정도 침지함으로써 용해되어서 제거된다.

또, 도 4a 및 도 4b의 예에서는 DLC막마다 그상에 마스크층이 형성되지만, 도 8a에 도시되어 있는 바와 같은 독립의 마스크의 개구부와 차폐부를 반대로 한 마스크를 이용하여 DLC막에 에너지 빔 조사하여도 좋다. 또한, 도 8b에 도시되어 있는 바와 같은 독립의 마스크의 개구부와 차폐부를 반대로 한 마스크를 이용하여 DLC막에 더 에너지 빔 조사함으로써, 4 레벨의 회절형 마이크로렌즈가 형성될 수 있는 것이 이해될 것이다. 이 경우에, DLC막에 에너지 빔 조사하여 회절형 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 도 7a 내지 도 7f에 도해된 릴리프형 마이크로렌즈의 제작 방법에 비하여, 현저하게 간략한 것도 이해될 것이다.

더욱이, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같은 각인 금형 대신에, 도 7f에 도시되어 있는 바와 같은 형상을 갖는 각인 금형을 이용하여 DLC막상의 금 마스크층에 각인하고, 그 각인된 금 마스크층을 거쳐서 에너지 빔 조사함으로써, 1회의 에너지 빔 조사로 다중 레벨의 회절형 마이크로렌즈를 제작하는 것도 가능하다.

또한, 회절형 마이크로렌즈에 대한 전술한 실시형태에서는 굴절형 렌즈의 구면형상 볼록 렌즈에 대응하는 회절형 마이크로렌즈가 설명되었지만, 본 발명은 굴절형 렌즈의 원기둥면 형상 볼록 렌즈에 대응하는 회절형 마이크로렌즈에도 마찬가지로 적용할 수 있는 것이 이해될 것이다. 그 경우에는, 굴절률 변조된 동심원형상의 복수의 띠형 링 영역 대신에, 굴절률 변조된 서로 평행한 복수의 띠형 영역을 형성하면 좋다. 이 경우, 예를 들면 도 3b의 단면도에 있어서, 굴절률 변조된 서로 평행한 복수의 띠형 영역은 그 도면의 지면에 대하여 수직하게 신장하고 있게 된다. 또한, 그 경우에 있어서, 도 4b중의 금 마스크(44)도 그 도면의 지면에 대하여 수직하게 신장하고 있으면 좋다.

본 발명에 따르면, 기계적 또한 열적으로 안정하게 여러 광학 분야에서 이용 가능한 평판형 마이크로렌즈를 간편하고 또한 저비용으로 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 회절형 마이크로렌즈는 굴절률 변조형이며, 종래의 릴리프형 마이크로렌즈와 달라서 평탄한 표면을 갖고 있으므로, 반사 방지 코팅을 용이하게 형성할 수 있고, 또한 먼지 등이 부착하기 어려워서 렌즈 기능의 저하가 방지될 수 있다. 더욱이, DLC막은 여러 기체 표면상에 형성할 수 있으므로, 본 발명의 마이크로렌즈는 다른 광학부품과 일체 형성하는 것이 가능하다.

Claims (14)

1. 마이크로렌즈에 있어서,

   상기 마이크로렌즈는 투광성 DLC막을 이용하여 형성되어 있고, 상기 DLC막은 굴절률이 변조된 영역을 포함하고, 상기 굴절률이 변조된 영역을 광속이 통과할 때에 집광 작용을 발생하는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막의 하나의 주면(主面)측에 있어서 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절형 렌즈 영역이 형성되어 있고, 상기 렌즈 영역은 상기 하나의 주면과 대략 구면의 일부에 해당하는 계면으로 둘러싸인 볼록 렌즈의 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막의 하나의 주면측에 있어서 각 상기 마이크로렌즈에 대응하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절형 렌즈 영역이 형성되어 있고, 상기 렌즈 영역은 상기 하나의 주면과 그 주면에 대하여 평행한 중심축을 갖는 대략 원기둥면의 일부에 해당하는 계면으로 둘러싸인 기둥형상 볼록 렌즈의 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막에는 각 상기 마이크로렌즈에 대응하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절형 렌즈 영역이 형성되어 있고, 상기 렌즈 영역은 상기 DLC막을 관통하는 대략 원기둥형상을 갖고 있고, 상기 원기둥형상의 중심축은 상기 DLC막에 직교하고 있어서 그 중심축에 가까울수록 굴절률이 높아지는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막에는 각 상기 마이크로렌즈에 대응하여 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 굴절형 렌즈 영역이 형성되어 있고, 상기 렌즈 영역은 상기 DLC막을 관통하는 띠형 영역이며, 상기 띠형 영역의 폭방향의 중앙을 통과하고 또한 상기 DLC막에 직교하는 면에 가까울수록 굴절률이 높아지는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막은 동심원형상의 복수의 띠형 링 영역을 포함하고, 그들 띠형 링 영역은 회절 격자로서 작용하도록 굴절률이 상대적으로 변조되어 있고, 상기 띠형 링 영역의 폭은 상기 동심원의 중심으로부터 먼 링 영역일수록 좁아지는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 DLC막은 동심원형상의 m개의 링 구역을 포함하고, 상기 링 구역의 각각은 n개의 상기 띠형 링 영역을 포함하고, 상기 링 구역의 각각에 있어서 내측의 띠형 링 영역은 외측의 띠형 링 영역에 비하여 높은 굴절률을 갖고, 상기 링 구역의 각각에 있어서 서로 대응하는 띠형 링 영역은 서로 동일한 굴절률을 갖고 있는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 DLC막은 서로 평행한 복수의 띠형 영역을 포함하고, 그들 띠형 영역은 회절 격자로서 작용하도록 굴절률이 상대적으로 변조되어 있고, 상기 띠형 영역의 폭은 소정의 띠형 영역으로부터 먼 띠형 영역일수록 좁아지는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 DLC막은 서로 평행한 m개의 띠 구역을 포함하고, 상기 띠 구역의 각각 은 n개의 상기 띠형 영역을 포함하고, 상기 띠 구역의 각각에 있어서 상기 소정의 띠형 영역에 가까운 띠형 영역은 먼 띠형 영역에 비하여 높은 굴절률을 갖고, 상기 띠 구역의 각각에 있어서 서로 대응하는 띠형 영역은 서로 동일한 굴절률을 갖고 있는 것을 특징으로 하는

   평판형 마이크로렌즈.
10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 마이크로렌즈는 0.4㎛ 내지 2.0㎛의 범위내의 파장을 포함하는 광에 대하여 렌즈 작용을 발휘할 수 있는 것을 특징으로 하는

    평판형 마이크로렌즈.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 기재된 평판형 마이크로렌즈를 제조하기 위한 방법에 있어서,

    상기 DLC막은 플라즈마 CVD에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는

    평판형 마이크로렌즈 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 DLC막중에 있어서 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 영역은 그 DLC막에 에너지 빔을 조사하여 굴절률을 높임으로써 형성되는 것을 특징으로 하는

    평판형 마이크로렌즈 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 에너지 빔 조사로서, 자외선 조사, X선 조사, 싱크로트론 방사광 조사, 이온 빔 조사, 및 전자선 조사중 적어도 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는

    평판형 마이크로렌즈 제조 방법.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

    하나의 DLC막중에 어레이 형상으로 배열된 복수의 마이크로렌즈를 동시의 에너지 빔 조사에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는

    평판형 마이크로렌즈 제조 방법.

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