KR20070074644A - 발광 어레이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

발광 어레이를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20070074644A
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앤드류 제이. 오우더커크
캐서린 에이. 리더데일
올레스터 주니어. 벤슨
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

발광 어레이를 제조하기 위한 방법은 광학 재료를 연마하기 위해 정밀하게 성형된 패턴화된 연마제를 사용한다. 하나 이상의 패턴화된 연마제가 광학 재료의 하나 이상의 교차축을 따라 접촉하여 광학 재료를 연마한다. 결과적인 정밀하게 성형 및 배치된 광학 요소는 광원의 어레이와 정렬되고, 그에 접합된다.
광학 재료, 패턴화된 연마제, 광원 어레이, 광학 요소, 교차축

Description

발광 어레이를 제조하기 위한 방법 {PROCESS FOR MANUFACTURING A LIGHT EMITTING ARRAY}
본 발명은 광학 요소 및 반도체 요소 같은 성형된 요소의 어레이를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다.
현재, 수 밀리미터 미만의 적어도 하나의 치수를 가지는 광학 요소(즉, 광을 반사, 굴절 및 흡수 그리고/또는 열을 전도하는, 적어도 하나의 평면을 따라 면가공된(faceted), 무기 또는 유기 재료의 성형체) 및 반도체 요소는 다수의 프로세스에 의해 제조된다. 이들 프로세스는 원하는 형상을 성형하기 위해, 몰딩(molding), 개별요소의 랩핑(lapping), 소결이 이어지는 졸-겔로부터의 광학 요소의 캐스팅, 미소복제(microreplication) 및 표면 장력이나 수축현상을 사용하는 프로세스를 포함한다. 이들 프로세스 중, 랩핑만이 내화 또는 결정 재료로부터의 정밀한 형상의 제조를 가능하게 한다. 그러나, 랩핑은 특히, 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 사파이어 같은 높은 열 전도성을 가지는 세라믹에 대하여 다수의 광학 요소를 제조하기에 가장 느리고, 가장 고가인 프로세스 중 하나이다. 부가적으로, 개별적으로 랩핑 성형된 요소는 개별적으로 취급되어야만 하며, 이는 어려운 일이다.
광학 재료를 연마하기 위해 정밀하게 성형된 패턴화된 연마제를 사용하는 발광 어레이 제조 방법이 설명되어 있다. 하나 이상의 패턴화된 연마제는 광학 재료의 하나 이상의 교차축을 따라 접촉하고, 광학 재료를 연마한다. 결과적인 정밀하게 성형 및 배치된 광학 요소는 LED의 어레이 같은 광원의 어레이와 정렬되고 그에 접합된다.
또한, 본 출원은 작업편으로부터 성형된 요소를 제조하는 방법을 개시하며, 작업편은 적어도 부분적으로, 성형된 요소의 어레이를 형성하는 채널을 형성하도록 연마된다. 채널의 표면은 패턴화된 연마제로 광학적 품질로 연마된다.
도1a 및 도1b는 패턴화된 연마제의 대표적 실시예의 사시도이다.
도2a 내지 도2d는 성형된 요소를 제조하기 위한 프로세스의 제1 실시예를 예시하는 단면도이다.
도3a 내지 도3f는 성형된 요소를 제조하는 프로세스의 제2 실시예를 도시하는 단면도이다.
도4a 내지 도4c는 성형된 요소를 제조하는 프로세스의 제3 실시예의 단면도이다.
도5 및 도6은 채널 형성을 예시하는 도면이다.
도7a 내지 도7c는 광학 요소의 어레이를 제조하는 대표적 프로세스를 도시하는 단면도이다.
도8a 내지 도8d는 광학 요소의 LED 다이를 제조 및 부착하는 대표적 프로세스를 도시하는 단면도이다.
도9 및 도10은 LED 다이에 광학 요소를 접합하는 대표적 실시예를 도시하는 단면도이다.
도1a 및 도1b는 개별 광학 및/또는 반도체 요소의 어레이를 형성하기 위해 기재를 연마하기 위한 패턴화된 연마제(10, 30)의 대표적 실시예를 도시한다. 여기서 사용시, 연마는 기재를 동시에 연마 및 폴리싱(polishing)하는 것을 포함할 수 있지만, 폴리싱은 별개의 단계로 이루어질 수 있다. 부가적으로, 여기서, 요소 또는 성형된 요소에 관련하여 사용될 때, "개별" 및 "단체화된(singulated)"은 식별가능한 단위체인 요소를 지칭하며, 반드시 다른 요소로부터 분리되어있을 필요는 없다. 마찬가지로, 단체화는 식별가능한 단위체를 형성하는 것을 지칭하며, 반드시 서로 분리하는 것은 아니다. 도시된 바와 같이, 패턴화된 연마제(10, 30)는 가공면(12, 32)과 지지부(backing)(14, 34)를 포함한다. 가공면(12, 32)은 돌출부(16, 36), 입자(18, 38) 및 바인더(20, 40)를 포함한다.
패턴화된 연마제(10, 30)는 지지부(14, 43)에 바인더(20, 40)내에 분산된 입자(18, 38)의 합성체를 적용함으로써 형성된다. 지지부(14, 34)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 막, 천, 종이, 부직포, 금속 포일, 파이버글래스 및 그 조합 같은 재료를 포함할 수 있다. 바인더(20, 40)는 입자(18, 38)를 분산시키기 위한 매체로서 기능하며, 또한, 합성체를 지지부(14, 34)에 접합한다. 패턴화된 연마 제(10, 30)는 합성체를 몰딩함으로써, 정밀한 3차원 형상으로 성형된다.
전형적인 몰딩 작업은 합성체, 또는 수지를 몰드내에서 성형하는 것을 수반하며, 이는 후속하여, 자외선 광, 전자, x-레이 또는 열 에너지에 의해 경화된다. 대안적으로, 합성체는 플라스틱 상태로 있는 동안 성형되고, 원하는 형상을 형성하도록 경화될 수 있다. 예로서, 입자로 충전된 페놀 바인더가 몰딩 툴로 몰딩되고, 방사선 또는 열로 경화될 수 있다. 특히, 패턴화된 연마제(10, 30)는 정확한 제원(specification)으로 형성될 수 있다.
3M Company에 의해 제조된 TrizactTM 연마제는 패턴화된 연마제의 예이다. 적절한 패턴화된 연마제는 연마제 입자 및 바인더를 포함한다. 바인더 재료는 폴리머, 금속 또는 세라믹으로 형성된다. 소정의 예는 우레탄, 에폭시, 아클릴레이티드 우레탄, 아크릴레이티드 에폭시, 단- 및 다-기능기 아크릴레이트, 페놀릭, 전자성형 니켈 및 글래스형 재료를 포함한다.
입자(18, 38)는 약 0.5 내지 약 20㎛ 또는 소정 실시예에서는 약 1.5 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는다. 입자(18, 38)는 용융 알루미늄 산화물(fused aluminum oxide)(갈색 열처리된, 및 백색 알루미늄 산화물을 포함), 세라믹 알루미늄 산화물, 그린 실리콘 카바이드, 실리콘 카바이드, 실리카, 크로미아, 용융 알루미나:지르코니아, 다이아몬드, 강철 산화물, 세리아, 입방정 붕소 질화물, 붕소 카바이드, 가닛 및 그 조합을 포함할 수 있다. 가공 보조제 같은 다른 보조제가 연마 성능을 개량 및 향상시키기 위해 포함될 수 있다.
입자(18, 38)는 바인더내로 직접 혼합되거나, 바인더내로의 혼합 이전에 연마제 응집체로 먼저 성형될 수 있다. 연마제 응집체를 형성하기 위해, 입자는 실리카나 실리케이트 글래스 같은 글래스형 재료내에 접합되어 절삭 성능을 향상시킨다. 연마제 응집체는 그후, 바인더내에 혼합된다.
패턴화된 연마제(10, 30)의 돌출부는 임의의 다양한 형상으로 성형될 수 있다. 실시예는 연마 경로에 수직으로 취해진 단면이 비구면 원호, 사다리꼴, 쌍곡선, 피라미드 및 그 조합을 포함하는 비원형 원호 및 원형 원호인 돌출부(16, 36)를 포함한다. 패턴화된 연마제를 사용하여 형성된 개별 광학 및/또는 반도체 요소의 단면은 패턴화된 연마제(10, 30)의 경로에 수직으로 취해진 돌출부(16, 36)의 반전 단면을 갖는다. 부가적으로, 개별 요소는 적어도 하나의 평면을 따라 면가공되며, 보다 복잡한 단면 형상은 성형된 요소상에 보다 복잡한 면을 생성할 수 있다.
패턴화된 연마제(10, 30)와는 달리, 종래의 연마제는 일반적으로, 평활한 평면형 표면을 형성하도록 사용되는 것이 일반적이다. 홈 형성을 최소화하기 위해, 연마제 피크의 피치(그 사이의 간격)은 랜덤화되거나, 피크는 샌딩(sanding) 운동에 대하여 경사진 각도로 배향되고, 연마제는 샌딩동안 진동한다. 대안적으로, 종래의 연마제의 피크는 비특정 형상으로 얕아지며, 한번의 랩핑 단계를 수반한다.
패턴화된 연마제(10, 30)는 또한, 종래의 갱-소우(gang-saw)와도 구별될 수 있다. 갱 소우는 기계적으로 정렬되고 개별적으로 부착된 다수의 금속 블레이드의 열이다. 금속 블레이드는 사용과 함께 무뎌진다. 패턴화된 연마제는 다이, 몰드 또는 기타 기술로부터 정밀하게 정렬 및 제조된 합성 재료의 단체형 열이며, 다수의 기능 및 활용도를 갖도록, 그리고, 사용중에 침식되고 날카로와지도록 조성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 패턴화된 연마제는 동시에 연마 및 폴리싱된다. 이 특징은 갱 소우를 사용한 절삭을 포함하는 다른 방법 보다 성형된 요소에 적은 손상을 초래한다. 패턴화된 연마제는 또한, 연마 보조제, 충전 입자, 입자 표면 처리, 계면활성제, 패시베이션 보조제, 산화제, 결합제, 분산제 및 기타 첨가제를 포함할 수 있다. 이들 재료의 예는 미국공보 제2003/0024169 A1(Kendall 등)에 기술되어 있다.
도2a 내지 도2d는 정밀하게 성형된 패턴화된 입자로부터 정밀한 개별 광학 및/또는 반도체 요소를 성형하는 프로세스를 예시한다. 도2a는 가공면(102)과 지지부(104)를 갖는 패턴화된 연마제(100)를 도시한다. 가공면(102)은 돌출부(106)를 포함하고, 지지부(104)는 기준부(108)를 포함한다.
사용시, 패턴화된 연마제(100)는 개별 광학 및/또는 반도체 요소를 형성하도록 기재를 연마하기 위한 다수의 툴 중 임의의 것을 통해 사용된다. 패턴화된 연마제(100)는 회전가능한 실린더, 벨트 또는 평판의 적어도 일부에 적용되어 연마 프로세스를 위한 툴을 생성할 수 있다.
도2b는 광학 및/또는 반도체 재료로 이루어진 작업편(110)을 도시한다. 작업편(110)은 기재(112) 및 캐리어(114)를 포함한다. 적절한 기재는 글래스, 방해석, 사파이어, 아연 산화물, 실리콘 카바이드, 다이아몬드 및 그 조합 같은 경질 무기 재료 같은 광학 재료를 포함한다. 광학 재료는 또한 이들 재료의 적층체, 예 로서, 글래스에 접합된 실리콘 카바이드, 글래스에 접합된 사파이어, 글래스에 접합된 방해석 및 글래스에 접합된 폴리머 막을 포함할 수 있다. 광학 재료의 유리한 특성은 적어도 0.01cm2/s의 열확산성, 투명도, 고 굴절지수, 저 색상 및 저 독성을 포함한다. 기판 재료(112)는 또한 실리콘 카바이드나 사파이어상에 퇴적된 실리콘 또는 반도체 같은 반도체 재료를 포함할 수도 있다. 기재(112)가 임의의 유형의 광학 및/또는 반도체 재료로 구성될 수 있지만, 패턴화된 연마제(110)를 사용한 연마 및 폴리싱은 특히, 파열성, 극도의 경질 및/또는 온도 민감성 재료에 대해 유리하며-이러한 재료는 종래의 방법을 사용한 절삭이 매우 어렵고, 몰딩이 불가능하다.
제한을 의도하지 않고, 개시된 요소를 위해 특히 유용성을 가지는 글래스는 약 1.7을 초과하는 굴절 지수와 750℃ 미만의 유리 전이 온도, 보다 바람직하게는 650℃ 미만의 유리 전이 온도를 가지는 무연 글래스를 포함한다. 모든 조건이 같다면, 낮은 열팽창 계수를 갖는 글래스가 바람직하다. 소정의 예시적 글래스는 모두 Schott Glass(독일)로부터 입수할 수 있는 n-LAF7, n-LAF3, n-LAF33 및 n-LAF46와, Ohara Corp.로부터 입수할 수 있는 S-NPH2를 포함한다.
캐리어(114)는 본 기술 분야에 잘 알려진 다수의 재료 중 임의의 것으로 구성될 수 있다. 적합한 재료는 매우 기계적으로 안정하여야 한다.
작업시, 패턴화된 연마제(100)의 가공면(102)은 작업편(110)의 기재(112)와 접촉한다. 작업편(110)은 연속 운동 또는 발진 운동 중 어느 하나에 의해 연마되 어 작업편(110)내의 채널 및 이 채널에 의해 형성된 요소의 폴리싱 표면을 광학적 품질로 적어도 부분적으로 형성한다. 패턴화된 연마제(100)와 작업편(110) 사이의 상대 운동은 예시도의 단면에 수직이다. 연마는 건조상태에서 또는 액체 윤활제 및 냉각제를 사용하여 수행된다. 액체 윤활제가 사용되는 경우, 상술한 입자 유형 중 하나를 포함하는 연마제 슬러리가 추가될 수 있다. 연마제 슬러리(통상 화학 기계 연마(CMP)에 사용됨)는 본 기술 분야에 알려져 있다. 예로서, 실리카, 알루미나 또는 세리아 연마제 입자와 산화제, 폴리머, pH 안정화제, 분산제 및 계면활성제 같은 화학적 첨가제를 포함하는 수성 기반 복합 현탁체가 적합한 폴리싱 패드와 조합하여 사용될 수 있다. 적절한 폴리싱 액은 돌출부와 접촉 또는 상호작용하는 입자의 지점에서 증가된 반응성 또는 부식성을 제공한다. 폴리싱 액의 반응성 또는 부식성을 제어하기 위해 다른 온도가 사용될 수 있다. 대안적으로, 패턴화된 연마제(100)는 연마제 슬러리와 조합하여 사용되는 연마제가 없는 패드에 의해 형성된다. 연마제가 없는 패드는 채널의 형상을 규정하고, 연마제 슬러리는 채널의 표면을 광학적 품질로 폴리싱한다.
요소의 표면은 루즈(loose) 및 고정 연마제 폴리싱을 포함하는 다수의 종래의 폴리싱 기술 중 임의의 것을 사용하여 폴리싱될 수 있다. 루즈 연마제 폴리싱에서, 연마제 재료(CeO2, SiO2, Al2O3, 다이아몬드 등)의 슬러리는 솔벤트(통상적으로 물)와 조합되고, 패드 또는 플래튼 재료에 적용된다. 연마 대상 기재는 연마제 슬러리가 패드-기재 인터페이스에 공급되는 동안, 수직 부하하에, 패드 또는 플래 튼 재료에 대하여 이동된다. 통상적인 패드 재료는 우레탄, 펠트, 천 또는 냅핑된(napped) 중합성 재료 같은 다공성 폴리머이다. 고정 연마제 폴리싱에서, 연마재 재료는 수지, 금속 또는 비트로스(vetreous)(글래스)일 수 있는 접합 재료내에 강성적으로 유지된다. 이 상황에서, 기재 또는 폴리싱 대상 재료는 역시 수직 부하하에 패드 또는 플래튼 재료에 대하여 이동된다. 폴리싱 액은 폴리싱을 돕기 위해 고정 연마제-기재 인터페이스에 적용될 수 있다. 폴리싱 액의 유형은 재료 제거를 보조하도록 설계된 pH의 수성 또는 비수성 액체 중 어느 하나일 수 있다. 연마제 입자의 슬러리는 또한 폴리싱 작용을 제공하기 위해 고정된 연마제와 함께 사용될 수 있다. 고정 연마제 및 루즈 연마제 폴리싱을 위한 폴리싱 패드 양자 모두는 다양한 기계적 구성으로 이루어질 수 있으며, 재료 제거, 표면 마감 및 대규모 토포그래피 형태 유지의 적절한 균형을 생성하도록 설계된 특성으로 이루어질 수 있다.
도2c는 연마 프로세스 동안 패턴화된 연마제(100)와 작업편(110)을 예시한다. 연마를 위해, 연마 프로세스 동안 패턴화된 연마제(100)와 기판(112)을 접촉 상태로 유지하기 위해, 기재(112)에 대향한 캐리어(114)와 가공면(102)에 대향한 지지부(104)상에 힘이 작용되어야 한다. 이들 힘은 견고한 재료, 유순성 재료(예로서, 고무) 또는 공기나 액체 담지면 같은 유체를 통해 작용된다.
도2d는 개별 요소(116)와 채널(118)을 구비한 작업편(110)을 도시한다. 각 개별 요소(116)는 측면(116a) 및 상단면(116b)을 포함한다. 연마는 채널(118)을 형성하고, 채널(118)을 형성하는 하나 이상의 패턴화된 연마제로 동시에 또는 점진 적으로 측면(116a) 및 상단면(116b) 모두 또는 그 중 일부를 폴리싱하고, 그후, 표면(116a, 116b)을 폴리싱함으로써 이루어질 수 있다. 동시에 수행되는 경우, 연마율은 표면(116a, 116b)을 광학적 품질로 폴리싱하기에 충분히 신속하다. 점진적으로 수행되는 경우, 둘 이상의 패턴화된 연마제가 사용되고, 각 연마제는 프로세스 동안 점증적으로 미세해지거나, 프로세스 전반에 걸쳐 입자가 점증적으로 미세해지는 연마제 슬러리가 추가될 수 있다.
또한, 패턴화된 연마제(100)는 별개의 다른 크기의 입자가 돌출부(106)의 특정 부분에 분산 또는 집중되는 상태로 준비될 수도 있다. 예로서, 보다 큰 입자는 높은 제거율과 조립질 마감을 요소(116)에 제공하도록 돌출부(106)의 팁에 통합될 수 있다. 보다 미세한 입자는 요소(116)의 측면(116a)을 폴리싱하기 위해 돌출부(106)의 측부에 집중될 수 있다. 패턴화된 연마제(100)의 각 돌출부(106) 사이의 표면인 랜드(land)는 요소(116)가 돌출부(106)와 거의 같은 높이를 갖는 경우, 작업편(110)의 상단면(116b)을 연마하는 상이한 입자 크기를 포함할 수 있다. 다중기능 영역을 갖는 패턴화된 연마제의 예는 PCT 공보 제WO01/45903A1(Ohishi)에 기술되어 있다.
도3a 내지 도3f는 대안적 방법을 보여준다. 여기서, 다이아몬드 소우 또는 유사한 유형의 툴이 사용되어 채널을 대략적으로 성형하고, 이는 그후, 하나 이상의 패턴화된 연마제로 마감가공된다.
도3a는 기개(212)와 캐리어(214)를 갖는 작업편(210)과 돌출부(206)를 구비한 패턴화된 연마제(200)를 포함한다. 작업시, 작업편(210)은 돌출부(206)가 단지 부분적으로 채널을 형성하도록 패턴화된 연마제(200)로 연마된다.
도3a의 단계의 결과가 도3b에 도시되어 있다. 작업편(210)은 이제, 부분적으로 형성된 채널(218a)을 갖는다.
다음에, 도3c에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 소우(220)는 추가로 채널을 성형하기 위한 가이드로서 부분적으로 형성된 채널(218a)을 사용한다. 다이아몬드 소우(220)는 각 채널(218a)을 개별적으로 절삭하여, 부분적으로 성형된 채널(218b)을 형성한다. 부분적으로 성형된 채널(218a)을 사용하는 것은 다이아몬드 소우(220)가 각 채널(218b)을 적절한 위치에 절삭하는 것을 보증한다. 도3d는 각 부분적으로 형성된 채널(218b)의 형성 이후의 작업편(210)을 도시한다. 비록, 거의 기재(212)를 관통하는 절삭이 도시되어 있지만, 다이아몬드 소우(220)는 또한, 기재(212)를 통한 완전한 절삭에 의해 부분적으로 성형된 채널(218b)을 형성할 수도 있다.
채널의 형성을 마무리하기 위해, 패턴화된 연마제(200)가 작업편(210)을 연마하여, 채널(218)을 형성하고, 요소(216)를 형성한다. 이는 도3e에 예시되어 있다. 패턴화된 연마제(200)는 최초에 사용된 바와 동일한 패턴의 연마제 또는 서로 다른 패턴의 연마제일 수 있다. 또한, 폴리싱은 상술한 CMP 및 고정 연마제 기술을 사용하여 달성될 수 있다.
개별 요소(216)가 도3f에서 캐리어(214)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 패턴화된 연마제(200)는 표면(216a, 216b) 중 적어도 일부를 광학적 품질로 연마하였다.
기재(212)는 완전히 전반적으로 연마되거나, 연마가 완전히 전체적으로 연마되기 이전에 중지될 수 있다. 기판(212)을 통한 완전한 연마 이전에 연마가 중단되는 경우, 결과적인 성형된 요소의 어레이는 기판(212)의 이면측의 잔여부를 이면 연삭함으로써 단체화될 수 있다. 이는 단체화된 성형된 요소의 이면측으로부터 볼 때, 가공면의 제2 평면을 생성한다.
도4a 내지 도4c는 대안적 방법을 예시한다. 도4a는 거친 채널(318c)을 갖는 기재(312)를 도시한다. 기재(312)는 상술한 방법 또는 본 기술 분야에 잘 알려진 다른 방법 중 임의의 방법에 의해 연마 또는 절삭될 수 있다.
도4b에 도시된 바와 같이, 연성의 쉽게 폴리싱되는 재료인 등각 코팅(conformal coating)(312a)이 화학 기상 증착 또는 스퍼터링 같은 기술을 사용하여 거칠게 성형된 기재(312)상에 퇴적된다. 코팅(312a)은 실리카, 실리케이트 글래스 또는 인듐 주석 산화물일 수 있으며, 부분적으로 성형된 요소 전체를 덮어야 한다. 패턴화된 연마제는 그후, 코팅(312a)을 연마하여 채널(318)을 형성하고, 채널(318)의 표면을 광학적 품질로 폴리싱한다. 도4c는 결과적인 제품인 요소(316a)를 도시한다.
또 다른 대안적 방법(미도시)에서, 최초에 패턴화된 연마제가 사용되어 부분적으로 성형된 채널을 형성하도록 작업편상의 기재를 절삭한다. 그후, 동일 또는 다른 패턴의 연마제가 부분적으로 성형된 채널의 표면에 대해 측방향으로 패턴화된 연마제를 압박함으로써, 부분적으로 성형된 채널의 측면을 연마한다. 이 방법으로부터 얻어지는 채널은 패턴화된 연마제의 돌출부 보다 넓다.
개별 요소는 그들이 개별적으로 사용되거나 어레이로서 사용되도록 단체화될 수 있다. 개별적으로 사용되는 경우, 캐리어는 그 제거를 통해 성형된 요소를 단체화하도록 분리가능할 수 있다.
성형된 요소는 각 요소의 베이스가 특정 원하는 형상을 갖도록 성형될 수 있으며, 성형된 요소는 면가공된다. 형상 및 면은 하나 이상의 교차축을 따라 작업편을 연마함으로써 형성된다. 도5 및 도6은 이 개념을 예시한다.
도5는 정사각 베이스(굵은 선으로 도시)를 갖는 요소의 형성을 예시한다. 도5는 중앙선(CL1) 및 중앙선(CL2)을 도시하며, 이는 작업편에 형성된 채널의 중앙선을 나타낸다. 중앙선(CL1)을 따른 연마, 약 90°만큼의 패턴화된 연마제에 대한 작업편의 회전 및 중앙선 CL2을 따른 연마는 정사각 베이스를 갖는 요소를 생성한다.
도6은 육각형 베이스(굵은선으로 도시)를 갖는 요소의 형성을 예시한다. 도6은 중앙선(CL3), 중앙선(CL4) 및 중앙선(CL5)을 도시한다. 여기서, 상대 회전은 세 연마 단계 사이에서 약 60°이다. 이 프로세스로, 셋 이상의 면을 갖는 성형된 요소가 형성되며, 성형된 요소는 3 내지 8개 면이 쉽게 형성될 수 있다. 각 부가축을 따른 지향성 연마는 성형된 요소상에 보다 복잡한 면을 생성한다.
채널의 경로는 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 선형이거나, 굴곡될 수 있다. 복수의 굴곡된 교차 경로가 형성되거나, 완만히 굴곡된 원호 또는 사인곡선 형상일 수 있으며, 그래서 회전체가 형성되지 않을 수 있다.
부가적으로, 채널은 비월(interleaving) 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 이 방법에서, 복수의 제1 채널이 패턴화된 연마제를 사용하여 작업편에 형성된다. 패턴화된 연마제가 들어올려지고, 소정 거리 측방향이동되며, 하강되어 제1 채널에 평행한, 그러나 그로부터 편위되어 있는 복수의 제2 채널을 형성하며, 그래서, 제1 및 제2 채널이 비월된다. 필요시 제2 채널을 형성하기 위해 다른 패턴화된 연마제가 사용될 수 있다. 이 프로세스는 원하는 수의 채널이 얻어질 때까지 하나 이상의 패턴화된 연마제를 사용하여 지속된다.
각 요소의 높이는 디자인 선택의 문제이지만, 통상적으로, 약 10mm까지, 보다 통상적으로는 약 300㎛ 내지 약 4mm의 치수이다. 각 요소의 베이스 폭은 높이의 약 1/10 내지 약 1/2이며, 각 요소 사이의 거리는 높이의 약 1/2이다. 성형된 요소의 형상비는 통상적으로 2:1 또는 5:1이다. 투명 광학 재료로 이루어진 요소는 광을 시준(collimate) 또는 집속하도록 도시된 바와 같은 테이퍼진 형상을 가질 수 있다. 그러나, 소정 실시예에서, 수직 또는 거의 수직 측면을 갖는 개별 요소를 생성하는 것이 유용할 수 있다.
정밀한 개별 요소를 제조하기 위해서, 패턴화된 연마제는 원하는 형상을 형성하기 위해 필요한 각 축을 따라 연마하도록 작업편에 대하여 정확하게 배치되어야 한다. 이는 다수의 방법 중 임의의 방법으로 수행될 수 있다. 도2a에 도시된 바와 같이, 패턴화된 연마제(100)는 기준부(108)를 포함하고, 이 기준부는 연마 동안 적소에 패턴화된 연마제(100)를 배치 및 유지하도록 툴의 가이드에 끼워진다. 하나 이상의 돌출부(106) 같은 기준부는 가공면(102)상에 존재할 수 있다. 기준부는 가이드를 사용하여 기계적이될 수 있거나, 배치를 제어하는 제어 메커니즘에 신 호를 제공할 수 있다. 제어 메커니즘은 패턴화된 연마제(100), 작업편(110) 또는 양자 모두의 위치를 동적으로 조절한다. 제어 메커니즘은 광학적, 기계적, 전기적 또는 자기 신호를 사용할 수 있다.
대안적으로, 롤러 및 하나 또는 두 개의 측벽이 벨트를 구비한 툴을 위한 에지 가이드로서 사용될 수 있다. 측벽은 벨트의 에지의 위치를 규정한다.
광학 요소의 어레이는 발광 다이오드(LED) 다이 같은 단체화된 광원에 접합될 수 있다. 그러나, 설명된 프로세스에 의해 제조된 개별 광학 요소는 어레이를 형성하는 정확한 위치에 존재하기 때문에, 광학 요소의 어레이는 LED 다이의 어레이와의 정렬에 이상적이며, 광학 요소 및 다이 중 어느 하나 또는 양자 모두는 분리형 캐리어에 고정된다. 도7a 내지 도7c는 LED 다이의 어레이에 접합될 수 있는 광학 요소의 어레이를 제조하는 다른 방법을 예시한다.
도7a는 돌출부(406)와 돌출부(422a)를 구비한 패턴화된 연마제(400)를 도시한다. 도7b는 광학 재료(424b, 424c)를 구비한 작업편(410)과 캐리어(414)를 도시한다. 여기서, 작업편(410)은 광학 재료의 다중층의 사용을 예시한다. 예로서, 층(424b)은 글래스, 세라믹 또는 폴리머일 수 있다. 적절한 폴리머는 열경화성, 열가소성 및 지향성 열가소성 폴리머를 포함한다. 층(424c)을 위한 적절한 재료는 글래스, 세라믹 또는 폴리머와, 다층 광학 막 거울 또는 편광자, 금속을 포함하는 무기층, 인듐주석 산화물, 아연 산화물, 금속 메시, 격자, 네트워크 또는 와이어-격자 편광자 같은 기타 광학 재료를 포함한다. 와이어-격자 편광자는 미국 특허 제6,243,199호(Hansen 등) 및 미국 특허 제6,785,050호(Lines 등)에 설명되어 있 다. 와이어 격자 편광자는 선택적으로 보호 코팅으로 덮여질 수 있다.
도7c는 연마 프로세스로부터 형성된 광학 요소(416)를 도시한다. 광학 요소(416)는 채널(418b)을 가지는 측면(416a) 및 상단면(416b)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 패턴화된 연마제(400)의 돌출부(422a)는 상단면(416b)에 채널(418b)을 형성하고, 이는 LED의 부착을 돕는다. 패턴화된 연마제(400)는 광학적 품질로 폴리싱된 표면(416a, 416b)을 가지며, 이는 바람직하게는 약 20nm 이하의 표면 조도(RA)를 갖는다.
소정 실시예에서, 광학 요소(416)에 부착된 LED 다이는 광학 요소(416)와의 접합 이전에 어레이로 배열된다. 이 프로세스는 도8a 내지 도8d에 예시되어 있다.
관련 접근법에서, 도7b에 도시된 것 같은 둘 이상의 층상 작업편은 상술한 것들 같이 광학 재료로 구성된 제2 웨이퍼에 접합된 반도체 웨이퍼를 포함할 수 있다. 반도체 웨이퍼는 기재, 전극층 및 전자발광을 경유하여 광을 생성하기에 적합한 반도체층을 포함할 수 있다. 반도체 웨이퍼에 형성된 LED는 "플립 칩" 디자인을 가질 수 있으며, 여기서, 전극 양자 모두는 웨이퍼의 일 측부로부터 억세스될 수 있다. 웨이퍼내의 LED의 발광면에 대응하는 반도체 웨이퍼의 대향 측부는 광학 재료의 층에 접합된다. 종래의 접합 방법이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 사용될 수 있다. 반도체/광학 조합 작업편은 그후, 여기에 설명된 패턴화된 연마제 중 임의의 것, 예로서, 도1b의 것을 사용하여 연마될 수 있다. 필요시, 존재시, 반도체 웨이퍼의 전극층은 연마 프로세스 동안 폴리머 또는 기타 재료의 얇은 층으로 보호될 수 있다. 이런 폴리머 또는 기타 재료는 추후 열, 플라즈마 에칭 또는 적절한 솔벤트를 사용하여 제거될 수 있다. 연마는 조합 작업편의 일측부 또는 양 측부로부터 개시될 수 있다. 반도체 웨이퍼 측부로부터 개시되는 경우, 그리고, 도1b의 것들 같은 테이퍼진 돌출부가 웨이퍼내의 LED 사이에 채널을 절삭하기 위해 사용되는 경우, 이때, 연마 절차가 완료되었을 때, 최종 결과는 서로에 견고히 접합되고 본질적으로 정렬된, 그러나, 작은 개별 LED 다이에 접합된 작은 개별 광학 요소를 개별적으로 정렬 및 장착할 필요는 없는 다수의 개별 LED 다이/광학 요소이다.
도8a는 접착제(526)에 의해 캐리어(524)에 부착된 기재(522)를 도시한다. 본 예에서, 기재(522)는 반도체 재료의 웨이퍼이며, 캐리어(524)는 적절한 솔벤트, 가열, UV 노광 또는 적당한 박리력을 사용하여 분리될 수 있다. 캐리어(524)는 접착제층과 선택적으로 웨이퍼 프레임을 갖는 플라스틱 막 같은 재료를 포함할 수 있다. 적절한 플라스틱 막은 다이싱 테이프로서 본 기술 분야에 알려진 것들, 예로서, 뉴저지주 프린스톤 소재의 AI Technology에 의해 판매되는 다이싱 테이프를 포함한다. 웨이퍼 프레임은 플라스틱 또는 금속으로 이루어질 수 있지만, 이는 왜곡, 굴곡, 부식 및 열에 대해 내성적이어야 한다.
패턴화된 접착제(500)는 기개(522)를 연마하여 채널을 형성하며, 이 채널은 LED 다이를 형성한다. 도8b에 도시된 바와 같이, 기판(522)의 두께는 돌출부(516)의 높이 보다 작다. 제1 연마 단계에 후속하는 연마 단계에서, 기판(522)상의 응력을 경감시키기 위해, 채널은 적절한 재료로 충전될 수 있으며, 이 재료는 후속하 여 최종 연마 단계 이후 열화 또는 세척 제거된다. 적절한 재료는 용융성, 가연성 또는 광열화성인 강성 중합성 재료이다. 이 백필링(backfilling) 기술은 또한 설명된 실시예 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
캐리어(524)에 부착된, 측면(538a) 및 상단면(538b)을 갖는 결과적인 LED 다이(538)가 도8c에 도시되어 있다. 패턴화된 연마제(500)를 사용한 반도체 재료의 웨이퍼의 다이싱은 동시에, 측면(538a)을 광학적 품질로 폴리싱하며, 따라서, 웨이퍼 다이싱과 연계된 비용 및 시간을 감소시킨다. 부가적으로, 웨이퍼를 다이싱하는 현용의 방법은 다이의 현저한 비율의 칩핑(chipping)을 초래한다. 설명된 연마제 프로세스는 보다 소수의 칩핑된 다이를 초래하며, 이는 또 다른 현저한 비용 절약이다. 표면의 대부분에 걸쳐 웨이퍼를 다이싱하는 다른 장점은 다이서 속도가 완성된 다이의 치수에 보다 덜 의존적이라는 것이다. 예로서, 대형 웨이퍼를 작은 다이로 단체화하는 것은 종래의 다이싱 기술의 사용시 매우 시간소모적이다.
광학 요소(416)의 어레이(도7c)는 그후, LED 다이(538)의 어레이에 부착된다. 도8d에 도시된 바와 같이, 광학 요소(416)는 LED 다이(538)와 일대일 쌍을 이룬다. 쌍을 이룬 광학 요소와 LED 어레이는 개별적으로 또는 어레이로서 사용될 수 있다. 광학 요소(416)와 LED 다이(538)의 각 조합은 캐리어(414, 524)를 제거함으로써, 또는 캐리어(414, 524)를 통한 절삭에 의해 단체화될 수 있다.
대안적 방법에서, 기재(522)는 기재(424b, 424c) 위에 적층된다(도7b). 패턴화된 연마제는 기재(522, 424c, 424b) 중 일부 또는 모두를 통해 연마한다. 따라서, LED에 접합된 광학 요소의 어레이는 광학 및 반도체 요소를 서로에 대해 정 렬할 필요 없이, 그리고, 별개의 연마 단계를 수행할 필요 없이 형성된다.
다이(538)는 다수의 방법 중 임의의 방법에 의해 광학 요소(416)에 접합될 수 있다. 도9는 한가지 접합 형태를 예시한다. 도9는 광학 요소(416)와 LED 다이(538)의 단체화된 쌍을 예시한다. 경화성 수지(540)가 다이(538) 및 광학 요소(416)를 수납하여 이 쌍을 함께 접합한다.
대안적으로, 도10에 예시된 바와 같이, 고온 용융 접착제(542)가 광학 요소(416)와 LED 다이(538) 사이에 적용된다. 적절한 고온 용융 접착제의 예는 반결정 폴리올레핀, 열가소성 폴리에스터 및 아크릴 수지를 포함한다.
다른 실시예에서, 다이(538)의 표면(538b), 광학 요소(416)의 상부면(416c) 또는 양자 모두는 실리카 또는 다른 무기 재료의 얕은 플라즈마 보조 또는 종래의 CVD 프로세스로 코팅된다. 이에는 평탄화 및 열, 압력, 물 또는 기타 화학적 보조제의 조합을 사용한 접합이 이어진다. 또한, 수소 이온을 표면중 적어도 하나에 충돌(bombarding)시킴으로써 접합성이 개선될 수 있다. 부가적으로, 뉴욕 소재의 John Wiley & Sons에서 1999년 발간된 Semiconductor Wafer Bonding의 4 및 10장에서 Q.-Y. Tong 및 U.Gosele가 설명하고 있는 바와 같은 반도체 웨이퍼 접합 기술이 사용될 수 있다. 다른 웨이퍼 접합 방법은 미국 특허 제5,915,193호(Tong 등) 및 제6,563,133호(Tong)에 설명되어 있다.
광학 요소 및 반도체를 제조 또는 마감가공하는 설명된 프로세스는 광학적 품질의 정밀하게 배치된 요소의 어레이의 동시 제조를 도출한다. LED 같은 광원에 대한 광학 요소의 접합 또는 결합은 LED로부터의 광의 시준과, LED로부터 멀어지는 방향으로의 열 전도 양자 모두를 수행한다. 결과적인 프로세스는 효과적이며, 고품질 제품을 생산한다.

Claims (18)

  1. 광원 제조 방법이며,
    적어도 하나의 패턴화된 연마제를 갖는 광학 요소의 어레이를 형성하는 단계와,
    각 광학 요소에 발광 장치를 부착하는 단계를 포함하는 광원 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 발광 장치의 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    발광 장치의 어레이는 개별 발광 장치가 개별 광학 요소에 정렬되도록 광학 요소의 어레이에 부착되는 광원 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 광학 요소는 글래스, 방해석, 사파이어, 아연 산화물, 실리콘 카바이드, 다이아몬드, 폴리머 막 및 그 조합으로부터 선택된 재료로 구성되는 광원 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 광학 요소는 적어도 약 0.01cm2/s의 열 확산성을 갖는 재료로 구성되는 광원 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 광학 요소는 발광 장치로부터 멀어지는 방향으로 열을 전도 하고, 발광 장치로부터의 광을 시준하도록 패턴화된 연마제에 의해 성형되는 광원 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 각 발광 장치는 반도체 재료로 구성되는 광원 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 패턴화된 연마제는 광학 요소의 어레이를 형성하는 채널을 형성하는 돌출부를 포함하는 광원 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 부착 단계는 부착된 광학 요소 및 발광 장치를 경화성 수지내에 수납하는 단계를 더 포함하는 광원 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 부착 단계는 광학 요소의 어레이와 발광 장치 중 적어도 하나를 표면처리하는 단계를 더 포함하는 광원 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 표면 처리 단계는 무기 재료의 얕은 플라즈마 보조 CVD 프로세스로 표면을 코팅하는 단계를 포함하고, 그후, 평탄화 및 접합 단계가 이어지는 광원 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 표면 처리 단계는 무기 재료의 종래의 CVD 프로세스로 표면을 코팅하는 단계를 포함하고, 그후, 평탄화 및 접합 단계가 이어지는 광원 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 표면 처리 단계는 수소 이온을 표면에 투사(bombarding)하는 단계를 포함하는 광원 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서, 표면 처리 단계는 고온 용융 접착제를 적용하는 단계를 포함하는 광원 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 발광 장치가 부착된 광학 요소를 단체화하는 단계를 더 포함하는 광원 제조 방법.
  15. 광원 제조 방법이며,
    적어도 하나의 패턴화된 연마제를 갖는 광학 요소의 어레이를 형성하는 단계와,
    적어도 하나의 패턴화된 연마제를 갖는 발광 장치의 어레이를 형성하는 단계와,
    개별 발광 장치가 개별 광학 요소에 정렬되도록 광학 요소의 어레이에 발광 장치의 어레이를 부착하는 단계를 포함하는 광원 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 광학 요소의 어레이는 제1 패턴화된 연마제를 갖도록 형성 되고, 발광 장치의 어레이는 제2 패턴화된 연마제를 갖도록 형성되는 광원 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서, 광학 요소의 어레이 및 발광 장치의 어레이는 동시에 형성되는 광원 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서, 광학 요소 및 발광 장치는 적어도 하나의 약 10mm 미만의 치수를 갖는 광원 제조 방법.
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