KR20160118091A - 감광성 유리에 3차원의 미세 구조물 및 미세 패턴을 형성하기 위한 3차원 광조사 장치, 및 이를 이용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광선에 감광 특성을 가지는 유리를 3차원 미세 구조물 그리고 일정한 반복 패턴을 형성하기 위한 방법과 그 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 감광성 유리를 제공하는 단계; 광선 조사 장치를 이용하여 감광성 유리의 원하는 부위만 선택적으로 조사하는 단계; 선택적으로 조사하는 단계에 있어 본 발명에서 제공하는 장치와 방법에 의해 미리 입력된 프로그램에 따라 광선 세기와 형태, 노출 시간, 위치, 각도를 제어하는 단계; 및 상기 3차원적으로 광선 조사된 감광성 유리를 열처리 한 후 불산 희석액 이나 무기산 또는 불산과 무기산의 혼합 희석액으로 식각하는 단계를 수행하여 미세 구조물 및 미세 패턴을 얻는 방법에 관한 것이다.

Description

감광성 유리에 3차원의 미세 구조물 및 미세 패턴을 형성하기 위한 3차원 광조사 장치, 및 이를 이용하는 방법{The Equipment forming 3 Dimensional Microstructure and Micropattern by Light exposure of 3 Dimensional to Photosensitive glass, and The Method Using thereof}

본 발명은 감광성 유리에 3차원적으로 광조사(光照射)를 수행할 수 있는 장치를 이용하여 3차원의 미세 패턴 및 미세 구조물을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 이는 각종 환경 및/또는 바이오 센서, 병변 진단용 칩, 또는 광학 필터 등의 부품 제작에 적용 가능하다.

감광성 유리에 미세 구조물 또는 미세 패턴을 형성하는 것은 일반적으로 빛, 예를 들면 자외선 대역의 빛을 조사한 부분과 조사하지 않은 부분의 선택 즉, 특정 파장대의 자외선을 선택적으로 조사하는 것부터 시작한다.

현재까지 개발, 생산 및 판매되는 감광성 유리들의 감광성은 유리의 조성 중 미량 함유된 세륨(Ce)의 특성에 크게 의존한다. 세륨은 230~400nm의 자외선 대역에서 반응하는데, 보다 상세하게는 230~260nm가 첫 번째 최고 흡수 영역이고 300~400nm 대역이 두 번째 흡수 대역이다. 감광성 유리 제조사들은 흡수 대역으로서 310±25nm 즉, 285~335nm의 범위의 자외선을 권장한다.

자외선 조사 시 감광성 유리의 구성 성분 중 3가 상태의 세륨이 전자 하나를 잃어 4가 상태가 되는 즉, (Ce³⁺ → Ce⁴⁺ + e-) 반응이 일어나는데 이때 전자가 또 다른 감광성 유리 구성 성분인 은(Ag)이온 등과 결합하면 온전한 은 원자가 되고 상기 은 원자들은 서로 응집하여 클러스터(Cluster)를 형성하게 된다. 후속된 열처리 과정에서 이 클러스터들을 중심으로 결정화가 진행되고 그 결정화된 부분만 밀도가 높아지게 된다.

비정질 감광성 유리의 경우, 자외선이 조사되지 않은 부분은 비정질로 남는데, 식각 과정에서 밀도가 높은 결정화된 부분이 비정질 부분 보다 산(Acid)과 접촉할 기회가 더 많으므로 결과적으로 식각률에 있어 차이를 보인다. 열처리를 마친 감광성 유리에서 결정화된 부분의 식각률은 비정질 부분의 식각률에 비해 최대 20배까지 달하는 것으로 보고되어 있다.

한편, 결정성인 감광성 유리도 있다. HOYA사의 PEG3C가 대표적인데, 빛이 조사된 부분에서 화학적으로 안정된 메탈 실리케이트(Metal silicate)가 생성되므로 빛을 조사하지 않은 부분에 비해 산에 의한 식각률이 낮다.

열처리되기 전에는 글래스 변화를 육안으로 구분하기 어렵다. 그러나 열처리 이후 글래스는 그 차이가 육안으로 관찰될 수 있을 만큼 노광, 비노광 부위의 색 변화가 뚜렷해지는데 노광 정도에 따라 색의 농도 차이도 생긴다. 이러한 감광성 유리의 특성을 이용해 MEMS(Micro Electro Mechanical System), MOEMS(Micro Optical Electro Mechanical System)소자, SOC(System on a chip), 미소 렌즈, 광학 필터 등을 제작할 수 있다.

감광성 유리에 레이저를 조사하는 방법은 감광성 유리 제조사인 Schott Glass사(독일)의 제품명 FOTURAN을 가공하는 방법 중 하나로 Schott Glass사의 감광성 유리의 판매에 대한 전권을 가지고 있는 Invenios사(독일)의 게시 및 배포 자료에 관련 내용이 있고 오래 전부터 감광성 유리에 레이저를 조사하여 미세구조를 형성시키는 방법의 논문들이 발표되어 있다.

이와 관련한 특허문헌으로 등록특허 제 10-1165084 호(공고일 2012.07.12, 이하 '선행기술' 이라 함)는 감광성 유리에 레이저를 조사, 열처리, 식각하여 미세 패턴을 형성하는 것에 관해 개시하고 있다. 상기 특허는 청구항 1에서 불산, 무기산 및 유기산을 상온 보다 높은 온도로 가열하여 300~1000Khz 초음파를 글래스에 1분~60분간 가하여 미세패턴을 형성한다고 개시하고 있다.

감광성 유리가 개발된 후부터, 즉 선행기술의 출원 전부터 감광성 유리의 식각을 용이하게 하기 위해 희석된 산 용액을 식각액으로 사용하여 왔으며, 식각방법으로서 온도를 높인 다음 초음파를 가하여 식각해 왔으며 이는 여러 감광성 유리 제조사들에서 권장하는 사항이다.

감광성 유리 자체의 두께 및 질량, 구현하고자 하는 미세구조물이나 패턴의 형태 및 치수, 및 식각액의 산 농도에 따라 초음파의 주파수, 위상(Phase), 출력 및 인가 시간을 달리 하는 것은 당연한데, 선행기술이 제시하는 각각의 미세 패턴 또는 구조물을 구현하기 위한 조건으로서 300~1000Khz의 초음파는 매우 광범위하여 특정되었다고 볼 수 없고, 게다가 초음파 각 주파수마다의 인가시간에 따른 식각률에 관한 자료는 제시되어 있지 않다.

선행기술의 청구항 5에서 제시되는 감광성 유리 기판을 단층 또는 다층으로 적층하는 내용은 감광성 유리 제조업체인 HOYA사 감광성 유리 제품 PEG3와 PEG3C의 공개 자료 중 일부와 동일하다.

선행기술의 청구항 6에서는 "자외선 레이저(10nm~450nm), 적외선 레이저(700nm~1mm), 기체 레이저(700nm~1um) 고체 레이저(700nm~1um), 액체 레이저(35nm~750nm), 또는 반도체 레이저(1um~35um)를 특징으로 하는 감광성 유리 기판의 미세패턴 형성 방법" 이 개시되어 있다. 현재까지 개발된 감광성 유리의 구성 성분 중에서 특정 성분이 반응하는 파장은 상기의 배경기술에서 기술된 바와 같이 230~400nm 이다. 고체, 액체, 기체 레이저 할 것 없이 레이저는 매질(Medium)의 종류마다 그 고유의 발진 주파수가 있는데 230~400nm 범위에서 발진하거나 주파수를 변환 할 수 있는 레이저는 한정되어 있다. 그런데 선행기술의 구성은 10nm 에서 35um 까지 즉, 극 자외선 대역에서 가시광 영역을 거쳐 적외선 그리고 라디오전파(마이크로파) 까지 포함하고 있다. 그러나, 레이저는 위상이 같은 단일 파장의 집합 이므로 각각의 파장을 발진 시키기 위한 매질은 정확히 무엇인지 그리고 그 파장을 조사했을 때 각각의 특성에 관한 자료가 있어야 특정되었다고 볼 수 있다.

기체 레이저 중에 엑시머 레이저의 한 종류인 제논클로라이드(XeCl)의 직접 발진 파장이 308nm로 감광성 유리 제조사의 권장 파장에 가장 부합하고, 역시 엑시머 레이저인 크립톤 플로라이드(KrF)는 248nm로 사용 가능하다.

그러나 엑시머 레이저는 자연계에 미량 존재하는 0족 원소를 사용하는 기체레이저로 가스의 가격이 매우 고가이고, 엑시머 레이저용 광학계의 유지비용이 매우 높아 실제 감광성 유리의 가공에 사용하는 곳이 없다.

고체레이저인 네오디뮴(Nd) 야그(Yittrium aluminum garnet; YAG)는 1064nm 파장으로 발진하는데 이것을 감광성 유리에 바로 조사할 수는 없기 때문에 이를 비선형 광학 소자에 통과시켜 파장을 변화시킨 후 사용한다. 제2 고조파(Second harmonic generation) 비선형 광학 소자를 통과하면 고체레이저는 1064nm에서 532nm로 바뀌고, 제3 고조파(Third harmonic generation) 비선형 광학 소자를 통과하면 고체레이저가 1064nm의 1/3인 355nm 파장이 되어 감광성 유리에 조사하여 반응 시킬 수 있는 범위에 들어가고 제4 고조파(Fourth harmonic generation) 소자를 거치면 고체레이저가 1064nm의 1/4인 266nm 파장으로 줄어들어 사용 가능해진다.

현재까지 개발된 비정질 감광성 유리들은 세륨의 특성에 가장 크게 의존하고 그 다음으로 미량 첨가된 성분들의 특성에 의존하는데, 세륨이 자외선에 반응하여 전자를 내놓더라도 다른 구성 성분의 종류 및 함량에 따라 클러스터의 발생에 큰 차이를 보인다. 그러므로 제조사에서 권장하는 파장 범위를 벗어나면 반응이 제대로 일어나지 않아 자외선 비조사 영역과 조사 영역의 물성 차이가 거의 발생하지 않는다. '물성 차이가 거의 발생하지 않는다'는 의미는 출력이 강한 레이저를 조사하거나 400nm 이상의 파장을 갖는 레이저라도 출력이 강하거나 또는 극히 짧은 시간 동안 높은 에너지를 조사하는 피코 또는 펨토초 레이저 등을 사용할 경우 Multi photon absorption이 일어나면서 거의 모든 물질이 물리적 반응을 일으키기 때문이다. 피코 또는 펨토초 레이저를 감광성 유리에 조사할 경우 극히 짧은 순간에 한 점에 집중된 높은 에너지 그 자체로 인해 열처리 과정을 거치지 않고도 결정화 되거나 패임에 의한 패턴 형성, 절단 등이 가능하다. 이러한 현상은 감광성 유리가 아닌 일반 유리에서도 일어나므로 감광성 유리를 사용하는 것이 무의미해진다. 보다 낮은 에너지를 가지는 빛의 조사에 의한 감광 반응과 구별된다.

그런 이유로 감광성 유리에 레이저를 조사하는 방법은 제한적 일 수밖에 없는데 선행기술에 개시된 기술은 청구항 6에서 10nm~450nm, 700nm~1um 또는 35nm~1um, 1um~35um로 한정함으로서 감광성 유리가 감광 반응하지도 않는 파장대를 광범위하게 포함하고 있고, 청구항 7의 기술 역시 고체, 액체, 기체, 반도체라는 매질을 서술하고 있을 뿐 위상이 같은 특정 파장을 발진하기 위해 정확히 어떤 매질을 사용하는지에 각각의 파장을 조사하기 위한 특성에 대한 설명이 없다.

선행기술에 개시된 기술은 청구항 12에서 감광성 유리에 레이저를 1°~175° 범위의 각도로 조사한다고 되어 있고 과제를 실시하기 위한 구체적인 내용에서 레이저 장치의 구성을 설명하고 있다. 직각이 아닌 각도로 조사될 경우 레이저 점(Spot)은 본래의 형상에서 변형된다. 레이저 매질에서 레이저가 발진하여 레이저 콜리메이터, 스플리터, 대물렌즈 같은 광학계를 거친 레이저 점(Spot)이 원형일 경우 조사 각도가 기울어질수록 본래의 형상보다 변형이 커진 타원이 되면서 에너지 분포에 큰 차이를 보이게 된다. 레이저 점(Spot)의 형태가 어떠한 형태라도 조사각도가 기울어질수록 본래의 형상에서 변형이 심해지고 에너지 분포의 차이가 심해지므로 균일한 조사가 이루어 질 수 없는데, 선행기술에 개시된 기술은 레이저 발생 장치와 광학계 그리고 기판 이송 스테이지로 구성되는 일반적인 레이저 가공 시 사용하는 방법을 언급할 뿐 레이저 제어를 위한 구체적인 방법을 제시하지 않고 있다. 또한 입사각도가 45°에 가까워 질수록 반사율이 높아지고, 45°각도가 되면 전반사가 일어나 감광이 거의 일어나지 않으며, 45°에서 멀어질수록 반사율이 낮아진다. 그러므로 상기 선행 기술은 무의미한 각도 범위를 포함하고 있어 입사각의 특정이 특별한 의미를 가지지 못한다.

선행기술에 개시된 기술은 청구항 13에서 "0.0001 W~50 kW의 출력"을 한정하고 있는데 0.0001W 즉 100마이크로 와트 출력으로 감광성 유리에 조사하는 것은 출력이 너무 낮아 조사시간이 매우 길어야 하므로 실제 무의미하며 50kW의 출력은 미군에서 시험 중인 대륙간탄도미사일 요격용 레이저(~30kW급)보다도 강한 출력으로서 양산용으로 적합하지 않아 결과적으로 상기 한정 구성 역시 지나치게 광범위한 출력 범위를 제시하고 있다.

선행기술의 청구항 15에 개시된 기술은 "미세 패턴은 선폭이 30nm~3mm이며, 가로세로비(aspect ratio)가 최대 1:50인 것을 특징"으로 한다고 개시되어 있고, 청구항 15 그리고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 [0038]에서 레이저 빔의 직경은 1nm부터 5000um인 것을 사용한다고 개시되어 있는데, 레이저에 의한 30nm 선폭 구현은 상기에서 설명한 펨토초 레이저 같은 매우 고가의 특수한 레이저를 사용했을 때 조차도 구현하기 어렵고 일반적으로 많이 사용되는 레이저의 경우에도 조사 대상이 되는 물질의 특성에 따라 최저2um 정도이기 때문에 상기 개시는 실제로 구현 불가능한 범위를 포함하고 있다.

단일체의 감광성 유리에서 가로세로비 1:50이 불가능한 이유를 예를 들어 설명하면, 비정질 감광성 유리에서 결정화가 진행된 부분의 식각률이 비정질인 부위의 그 것보다 최대 20배 까지인 것으로 알려져 있는데, 실제로는 20배 보다 낮고, 감광성 유리 기판의 윗면과 아랫면이 결정화도에 있어서 차이를 보여 실제로는 식각률이 서로 다르게 나타난다.

500um 두께의 비정질 감광성 유리 기판에 적절한 자외선 파장대의 레이저를 직경 10um 크기로 조사하고, 열처리 과정에서 기판 아래 부분 까지 모두 결정화가 잘 진행되었다고 가정하는 매우 이상(Ideal)적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

결정화가 진행된 부분의 식각률이 비정질인 부위 식각률의 약 20배 이므로 감광성 유리 기판의 윗면, 아랫면이 20um로 수직 식각될 때 마다 1um씩 결정화 되지 않은 부분이 식각된다. 그러므로 500um가 관통되도록 식각을 진행한다고 하면 레이저 점(Spot) 본래 크기인 직경 10um로 중간 지점인 250um까지 식각이 진행되는 동안 한쪽 면에서 다른 부분들이 최대 12.5um가 식각된다. 따라서 레이저 점(Spot)의 본래 크기인 직경 10um에 25um를 더하면 > 35um가 된다. 감광성 유리 기판의 두께도 500um에서 윗면, 아래면이 각각 12.5um씩 줄어 475um가 된다. 그렇게 식각된 감광성 유리 기판의 두께에서 관통된 직경을 나누어 가로세로비를 구하면 이론적으로 구현 가능한 가로세로비는 1:13 정도이다. 대부분의 감광성 유리 제조사에서 제공하는 자료에는 한 장의 감광성 유리웨이퍼로 구현 가능한 가로세로비는 최대 1:10 이다.

그러므로 선행기술의 청구항 15에서 개시하는 가로세로비 1:50은 식각을 마친 감광성 유리를 여러 장 적층하는 것을 제외하면 단일 감광성 유리에서 구현할 수 있는 방법이 없다. 다만 호야사의 자료에 의하면 매우 제한 적인 조건으로 1:30 까지 구현한 것으로 소개되어 있다.

기존의 멤스(MEMS) 소자 제조용 단결정 반도체는 재료 자체의 특성으로 인해, 웨이퍼의 두께 방향으로 수직이거나 원자배열 방향에 따른 특정 각도의 경사만 구현 할 수 있었으며, 경사 구조가 필요할 경우 계단 형식을 취하고 있다.

그에 비해 감광성 유리는 자외선이 조사될 때 유리 자체의 각도를 달리하거나 자외선 발생 및 광학계 자체를 기울여 조사되는 각도를 다르게 하는 3차원 노광이 가능하다. 이에 선행기술의 청구항 12에 개시된 기술은 레이저를 1°~175°의 각도 범위로 조사한다고 되어 있으나 실제 구현할 수 있는 방법이 제시되어 있지 않다.

본 발명은 감광성 유리에 3차원적인 자외선 조사를 가능하게 하는 방법과 이를 구현하는 장치, 및 3차원 미세 패턴 및/또는 미세 구조가 구현된 형태를 제공한다.

상기 3차원의 미세 구조는 예를 들면 경사진 격자 형태이며, 이는 일례일 뿐 발명이 구현 가능한 미세 구조 및/또는 미세 패턴은 이에 한정되지 않는다.

상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은 감광성 유리 기판을 제공하는 단계; 및

상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 광선을 3차원적으로 조사하는 단계; 를 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법을 제공한다.

상기 광선을 3차원적으로 조사하는 단계는 폭 조절이 가능한 슬릿(Slit)을 이용하여 수행되는 것이고, 미리 입력된 프로그램에 의해 감광성 유리 기판과 슬릿의 위치 또는 각도, 슬릿의 폭 및 광선 노출 시간을 조절하는 것을 포함한다.

본 발명은, 구현하고자 하는 3차원 미세 패턴 또는 미세 구조에 따라, 상기 감광성 유리 기판과 반응하는 레이저 파장 범위가 다른 감광성 수지를 선택하여 상기 감광성 유리 기판에 도포, 노광 및 세척을 실시하는 단계; 및

상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 상기 감광성 수지가 반응하는 파장의 레이저로 광선을 3차원적으로 조사하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

본 발명은, 광선이 조사된 상기 감광성 유리 기판을 열처리하고 식각하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

상기 식각하는 단계는 상온~60 ℃, 불산 희석액 및 불산과 무기산의 희석액을 포함하는 식각액 내에서 초음파 또는 기계적 진동을 1분~40분간 인가하여 수행될 수 있다.

상기 광선 조사는 230~1064nm 파장을 갖는 광원으로 수행될 수 있다.

본 발명은 상기 광선 조사 방법을 수행하기 위한 장치 또한 제공한다.

본 발명은, 감광성 유리 기판을 고정하는 스테이지; 및 상기 스테이지 상에서 구동하고 레이저를 선택적으로 통과, 반사 또는 차단시키는 한 쌍의 슬릿 형성체를 가지는, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치를 제공한다.

상기 한 쌍의 슬릿 형성체는 상기 감광성 유리 기판 상에서 수평적 위치 이동이 가능하여 광선 조사 위치를 조절하는 것일 수 있다.

상기 한 쌍의 슬릿 형성체는 양 슬릿 형성체 간의 간격이 좁아지거나 넓어져 조사되는 광선의 형태를 조절하는 것일 수 있다.

상기 한 쌍의 슬릿 형성체 또는 상기 스테이지는 기울어짐이 가능하여 조사되는 광선의 각도를 조절하는 것일 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 슬릿 형성체, 감광성 유리의 위치와 각도, 슬릿(Slit) 크기, 광선 노출 시간을 미리 입력된 프로그램에 따라 달리하여 감광성 유리 기판에 3차원으로 미세 패턴과 미세구조물을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 감광성 유리 기판에 3차원으로 미세 패턴과 미세구조물을 형성하는 장치의 일부를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 장치가 양 슬릿 형성체 간의 폭이 좁아지고, 슬릿의 위치가 감광성 유리 기판의 한쪽으로 이동된 상태의 사시도이다.
도 3은 도 2의 장치 상태의 측면도이다.
도 4는 도 2의 상태에서 조사될 광선의 각도를 조절하기 위해 슬릿 형성체와 감광성 유리 기판을 포함하는 스테이지가 기울어진 상태의 측면도이다.
도 5는 좁아진 상태의 슬릿과 그 하부의 감광성 유리 기판을 확대하여 보여주는 측면도이다.
도 6은 자외선을 조사하는 동안의 감광성 유리 기판의 사진도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로 자외선 조사에 따라 감광성 유리 기판에 3차원의 미세 패턴 또는 미세구조물이 형성된 상태를 보인 사진도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되거나 필요한 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드 지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.

도 1은, 감광성 유리 기판(20)을 고정하는 스테이지(30); 및 상기 스테이지(30) 상에서 구동하고 레이저를 선택적으로 통과, 반사 또는 차단시키는 한 쌍의 슬릿 형성체(11,12)을 가지는, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치(전체 장치는 미도시)의 사시도이다. 스테이지(30) 위에 감광성 유리 기판(20)(또는 감광성 유리)가 위치하게 되며, 슬릿 형성체(11,12)의 간격을 조절하여 광선의 조사 형태 및 범위를 조절할 수 있다.

도 2 및 도 3은, 상기 한 쌍의 슬릿 형성체(11,12)이 상기 감광성 유리 기판(20) 상에서 수평적 위치 이동하여 광선 조사 위치가 조절되거나 양 슬릿 형성체(11,12) 간의 간격을 좁혀 조사되는 광선의 형태나 직경이 조절되는 상태의 사시도 및 그 측면도이다. 광선 조사 시 원하는 형태의 미세 패턴 및 미세 구조가 미리 입력된 프로그램에 따라 슬릿의 간격이 조절되고 그 위치가 조정되는 것이다.

도 4는, 상기 한 쌍의 슬릿 형성체(11,12) 또는 상기 감광성 유리 기판(20)을 포함하는 스테이지(미도시)를 기울여 조사되는 광선의 각도(입사각)가 조절되는 상태의 측면도이다. 슬릿 형성체(11,12)에서 광선에 직접 닿는 부분은 광선을 잘 흡수하는 세라믹, 고분자 및/또는 이들을 코팅한 금속이나 복합체로 제작할 수 있다.

또한 각도를 달리하여 광선을 조사할 때 광선이 슬릿 형성체(11,12)의 끝 부분에서 반사되어 감광성 유리에 입사될 수 있으므로 슬릿 형성체(11,12)의 끝 부분 내각이 재료의 기계적 특성이 허용하는 한도 내에서 작을수록 좋다. 슬릿의 폭 조절 및 위치 조절 모두 자동화된 서보 모터에 의한 정밀 제어가 가능하다. 광선의 입사각 조절을 위한 슬릿 형성체(11,12)의 각도 및 감광성 유리 기판(20)의 각도 조절 역시 자동화된 틸팅스테이지(Tilting stage)를 사용하여 제어할 수 있다.

도 5는 슬릿의 끝 부분을 확대한 것으로 광선이 슬릿 형성체(11,12)의 끝 부분에서 반사되어 감광성 유리 기판(20)에 입사되지 않게 한 예이다.

본 발명은, 감광성 유리에 3차원 미세 패턴과 구조물을 형성하기 위해 광선을 조사할 때 크기(폭) 변환이 가능한 슬릿(Slit)과 감광성 유리를 미리 입력된 프로그램에 따라 위치와 각도를 조절하고, 집속된(Collimated) 광선의 조사 시간을 조절하는 것을 특징으로 한다.

더욱 상세하게는, 본 발명은, 감광성 유리 기판을 제공하는 단계; 및

상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 광선을 3차원적으로 조사하는 단계; 를 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법을 제공한다.

상기 광선을 3차원적으로 조사하는 단계는 폭 조절이 가능한 슬릿(Slit)을 이용하여 수행될 수 있고, 미리 입력된 프로그램에 의해 감광성 유리 기판과 슬릿의 위치 또는 각도, 슬릿의 폭 또는 광선 노출 시간을 조절하는 것을 포함할 수 있다.

광학계가 고정된 상태에서 감광성 유리를 기울일 경우 광선에 노출되는 단면적이 줄어들어 균일한 3차원 패턴을 구현할 수 없게 되므로 본 발명에서 제공하는 크기(폭) 조절이 가능한 슬릿을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 첨부된 도 6 및 도 7의 사진에서와 같이 구현하고자 하는 3차원 미세 패턴 또는 미세 구조에 따라, 상기 감광성 유리 기판과 반응하는 레이저 파장 범위가 다른 감광성 수지를 선택하여 상기 감광성 유리 기판에 도포, 노광 및 세척을 실시하는 단계; 및

상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 상기 감광성 수지가 반응하는 파장의 레이저로 광선을 3차원적으로 조사하는 단계; 를 더욱 포함할 수 있다.

또한 광선이 조사된 상기 감광성 유리 기판을 열처리하고 식각하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

상기 식각하는 단계는 상온~60℃, 불산 희석액 및 불산과 무기산의 희석액을 포함하는 식각액 내에서 초음파 또는 기계적 진동을 1분~40분간 인가하여 수행될 수 있다.

상기 광선 조사는 230~1064nm 파장을 갖는 광원으로 수행될 수 있다.

상기 광선 조사는 자외선 영역의 광원으로 수행될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 감광성 유리에 3차원 미세 패턴 그리고 구조물을 형성하는 방법은, 감광성 유리 기판을 제공하는 단계(S1); 미리 입력된 프로그램에 의해 슬릿(Slit)과 감광성 유리의 위치, 각도, 슬릿 크기(폭) 및 자외선 노출 시간을 조절하여 집속된(Collimated) 광선 또는 레이저 빔으로 감광성 유리 기판에 조사하는 단계(S2); 상기 3차원 선택적으로 광선 조사된 감광성 유리를 열처리하여 결정화된 부분과 비정질 부분을 구별시키는 단계(S3); 및 식각 단계(S4)를 포함한다.

이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.

먼저, 3차원 미세 패턴 그리고 구조를 형성하기 위한 감광성 유리를 준비한다(S1). 감광성 유리에서 광선 조사에 의한 클러스터 생성 범위와 형태를 조절하기 위해 선택적으로 감광성 유리와는 다른 파장대역에서 반응하는 감광성 수지를 도포하고 수지에 적합한 파장을 선택적으로 조사, 경화, 세척하여 감광성 유리에 적합한 파장의 조사 부위를 조절할 수 있다.

광선 조사를 마친 감광성 유리의 열처리 단계에서 유리 내부에 형성된 클러스터(Cluster)를 중심으로 결정화가 진행되고 결정화가 진행됨에 따라 밀도가 높아지면 광선 비조사 부분 대비 조사 부분의 식각률이 최대 20배 까지 이므로 선택적 식각이 가능하다.

미리 입력된 프로그램에 의해 슬릿(Slit)의 폭, 감광성 유리 위에서 슬릿의 위치, 슬릿과 감광성 유리의 각도를 연동하여 조절하면서 광선을 조사한다(S2). 광선을 조사하지 않을 때에는 셔터에 의해 차단된다.

슬릿(Slit)의 폭 조절, 위치 조절 모두 자동화된 서보 모터에 의한 정밀 제어가 가능하다. 광선의 입사각 조절을 위한 슬릿(Slit)과 감광성 유리의 각도 조절 역시 자동화된 틸팅스테이지(Tilting stage)를 사용하여 제어한다. 스테이지의 바닥에서 광선이 난반사되어 원하지 않는 부위에 클러스터를 형성할 수 있기 때문에 스테이지의 바닥이 개방된 형태인 것을 선택하거나 광선을 흡수하는 물질을 코팅하는 것이 좋다.

또한 스테이지는 회전이 가능하며 이 역시 미리 입력된 프로그램에 의해 자동으로 제어할 수 있다.

시판되는 감광성 유리는 HOYA, Schott glass, 3D Glass solutions 등의 회사에서 웨이퍼(Wafer)형태나 슬라이드 형태로 판매하고 있으며, 각 제조사 별로 구성 성분의 차이가 있고 이로 인해 주로 반응하는 광선은 조금씩 다르다. 슬릿(Slit)과 감광성 유리의 위치와 각도를 연동하여 조절하면서 슬릿의 형태 및 크기와 광선 조사 시간을 달리하면 다양한 미세 패턴과 구조물 제작이 가능해진다.

광원은 230~1064nm 범위의 자외선 파장을 발생시키는 램프 그리고 상기 파장 범위 내에서 발진하는 레이저를 사용할 수 있고 감광성 유리에 도달하는 에너지를 측정하여 조사시간을 달리할 수 있다.

상기의 3차원적인 광선 조사 방법은 멤스를 포함한 반도체 공정에서 포토마스크를 사용하는 노광 공정과 인쇄회로 기판 제작에서의 노광 공정이 2차원 평면상에서 이루어지는 것과 다르다.

광선 조사 공정(S2)이 끝나면 온도 상승률 2~10 ℃ /min 으로 하여 2~3단계로 상승시켜 최고 550~ 630 ℃ 내에서 광선 조사된 부분의 결정화를 위한 열처리를 한다(S3). 감광성 유리 제조사들에서 권장하는 열처리 최고 온도는 575 ℃이고 시간은 60~120분 정도이다. 감광성 유리의 두께, 제작하고자하는 패턴에 따라 온도 상승률과 단계별 도달 온도 그리고 최고 온도 및 유지시간들을 달리할 수 있다.

열처리 단계(S3) 후 3~10%의 불산 희석액 또는 불산과 무기산들의 혼합 희석액을 이용하여 상온~60 ℃ 범위 내에서 식각한다(S4). 감광성 유리의 식각률 역시 각 제조사마다 다르며, 구현하고자 하는 미세패턴이나 구조물의 형상에 따라 불산 희석액 또는 불산과 무기산들의 혼합 희석액의 농도를 달리할 수 있다. 식각 단계에서 초음파를 인가하거나 산 희석액의 순환과 함께 전동기나 공압에 의한 기계적 진동 장치를 이용하여 유리와 산 희석액에 진동을 가하여 식각을 용이하게 할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

11, 12 : 슬릿 형성체
20 : 감광성 유리 기판
30 : 스테이지

Claims (10)

1. 감광성 유리 기판을 제공하는 단계; 및
   상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 광선을 3차원적으로 조사하는 단계; 를 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광선을 3차원적으로 조사하는 단계는 폭 조절이 가능한 슬릿(Slit)을 이용하여 수행되는 것이고, 미리 입력된 프로그램에 의해 감광성 유리 기판과 슬릿의 위치 또는 각도, 슬릿의 폭 또는 광선 노출 시간을 조절하는 것을 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   구현하고자 하는 3차원 미세 패턴 또는 미세 구조에 따라, 상기 감광성 유리 기판과 반응하는 레이저 파장 범위가 다른 감광성 수지를 선택하여 상기 감광성 유리 기판에 도포, 노광 및 세척을 실시하는 단계; 및
   상기 감광성 유리 기판의 위치 또는 각도를 조절하며 상기 감광성 수지가 반응하는 파장의 레이저로 광선을 3차원적으로 조사하는 단계; 를 더욱 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   광선이 조사된 상기 감광성 유리 기판을 열처리하고 식각하는 단계를 더욱 포함하는 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 식각하는 단계는 상온~60 ℃, 불산 희석액 및 불산과 무기산의 희석액을 포함하는 식각액 내에서 초음파 또는 기계적 진동을 1분~40분간 인가하여 수행되는 것인 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 광선 조사는 230~1064nm 파장을 갖는 광원으로 수행되는 것인 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 방법.
7. 감광성 유리 기판을 고정하는 스테이지; 및
   상기 스테이지 상에서 구동하고 레이저를 선택적으로 통과, 반사 또는 차단시키는 한 쌍의 슬릿 형성체를 가지는, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 한 쌍의 슬릿 형성체는 상기 감광성 유리 기판 상에서 수평적 위치 이동이 가능하여 광선 조사 위치를 조절하는 것인, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 한 쌍의 슬릿 형성체는 양 슬릿 형성체 간의 간격이 좁아지거나 넓어져 조사되는 광선의 형태를 조절하는 것인, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 한 쌍의 슬릿 형성체 또는 상기 스테이지는 기울어짐이 가능하여 조사되는 광선의 각도를 조절하는 것인, 감광성 유리 기판에 미세 패턴 또는 미세구조물을 형성하는 장치.

Images