KR20160140598A - 마이크로-렌즈 및 어레이용 광활성 기판의 제작 방법 - Google Patents

마이크로-렌즈 및 어레이용 광활성 기판의 제작 방법 Download PDF

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제프 벌링턴
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3디 글래스 솔루션즈 인코포레이티드
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Abstract

적어도 실리카, 산화리튬, 산화알루미늄, 및 산화세륨을 포함하는 광감성 유리 기판을 제조하는 단계,
광감성 유리 기판 상에 하나 이상의 마이크로 렌즈를 포함하는 디자인 레이아웃을 마스킹하는 단계,
광감성 유리 기판의 적어도 하나의 부분을 활성화 에너지 공급원에 노출시키는 단계,
광감성 유리 기판을 이의 유리 전이 온도 위에서 적어도 10분의 가열 상태로 노출시키는 단계,
광감성 유리 기판을 냉각시켜 노출된 유리의 적어도 부분을 결정성 물질로 변형시켜 유리-결정성 기판을 형성하는 단계 및
유리-결정성 기판을 식각 용액으로 에칭하여 하나 이상의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계
에 의한 제작 방법 및 이에 의해 제조되는 디바이스.

Description

마이크로-렌즈 및 어레이용 광활성 기판의 제작 방법{METHODS OF FABRICATING PHOTOACTIVE SUBSTRATES FOR MICRO-LENSES AND ARRAYS}
발명의 기술 분야
본 발명은 유리 구조물을 제작하는 방법 및, 특히 일반적으로 집속(focusing), 시준(collimating) 및 영상화를 위해 유리 세라믹 기판에서 마이크로-렌즈 및 마이크로-렌즈 어레이를 제작하는 방법에 관한 것이다.
광감성 유리 구조물은 다수의 미세기계가공(micromachining) 및 미세가공기술(microfabrication) 공정, 예를 들면, 다른 소자 시스템 또는 서브시스템, 마이크로-렌즈, 마이크로-렌즈 어레이와 결합된 집적 이미징 소자를 위해 제시되었다. 전통적인 유리의 실리콘 미세가공기술은 고가이고 낮은 수율인 반면, 사출 모델링 또는 엠보싱 공정은 일관성이 없는 광학 형태 및 마이크로 렌즈를 제조한다. 실리콘 미세가공기술 공정은 고가의 자본 설비; 각각 일반적으로 백만 달러가 넘는 포토리소그래피 및 반응 이온 에칭 기구에 의존하고, 수백만 내지 수십억 이상의 비용이 드는 초청정, 높은-생산성 실리콘 제작 시설을 필요로 한다. 사출 성형 및 엠보싱은 더 적은 비용으로 마이크로-렌즈를 제조하는 방법이지만, 이동시 결함이 발생되거나, 확률론적 경화(stochastic curing) 공정으로 인해 차이를 갖는다.
본 발명은 비용 효과적인 유리 세라믹 마이크로-렌즈 및/또는 마이크로-렌즈 어레이 디바이스를 제조한다. 여기서, 유리 세라믹 기판은, 수직 뿐만 아니라 수평의 평면 둘 다를 개별적으로 또는 동시에 가공하여 3차원 마이크로-렌즈 또는 마이크로-렌즈 어레이 디바이스를 형성하는, 이러한 구조물을 형성하는 능력을 증명하였다.
발명의 개시
본 발명은, 광감성 유리 기판을 제조하고 추가로 하나 이상의 금속으로 코팅하여 하나 이상의 광학 마이크로-렌즈를 갖는 기판을 제작하는 방법을 포함한다.
적어도 실리카, 산화리튬, 산화알루미늄, 및 산화세륨을 포함하는 광감성 유리 세라믹 복합물 기판을 제조하는 단계, 광감성 유리 기판 상에 하나 이상의 마이크로-렌즈를 포함하는 디자인 레이아웃을 마스킹하는 단계, 광감성 유리 기판의 적어도 하나의 부분을 활성화 에너지 공급원에 노출시키는 단계, 광감성 유리 기판을 이의 유리 전이 온도 위에서 적어도 10분의 가열 상태(heating phase)로 노출시키는 단계, 광감성 유리 기판을 냉각시켜 노출된 유리의 적어도 부분을 결정성 물질로 변형시켜 유리-결정성 기판을 형성하는 단계 및 유리-결정성 기판을 식각 용액으로 에칭하여 하나 이상의 각진(angled) 채널을 형성하고, 이어서 코팅하는 단계에 의한 제작 방법 및 이에 의해 제조되는 디바이스.
도면의 설명
본 발명의 추가의 이익 및 이점은 수반되는 도면을 참조하여 예시의 방법으로 제공되는 다양한 양태의 하기한 기술로부터 보다 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명의 유리 세라믹 조성물의 제조 방법의 이미지이다.
도 2는 마이크로-렌즈 또는 마이크로-렌즈 어레이의 이미지이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 각진 에칭된 피처(features)의 이미지이고, 상기 각은 0 내지 45도의 임의의 각으로 존재할 수 있다.
도 4a 내지 4d는 공간 분해된 광학 소자의 이미지 및 수반되는 그래프이다.
도 5는, 광이 상이한 각으로 통과되거나 반사될 수 있도록 반사 코팅을 갖는 각진 채널을 포함하는 본 발명의 하나의 양태의 이미지이다.
발명의 기술
본 발명의 다양한 양태의 제조 및 사용을 하기에 상세하게 논의하지만, 본 발명은 광범위하게 다양한 특정 상황에서 구현될 수 있는 다수의 적용가능한 창의적인 개념을 제공한다는 것을 이해하여야 한다. 본원에 논의되는 특정한 양태는 단지 본 발명을 제조하고 사용하는 구체적인 방식의 예시이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 다수의 용어는 하기와 같이 정의된다. 본원에 정의된 용어는 본 발명에 관련된 분야의 통상의 숙련가들에 의해 공통으로 이해되는 의미이다. 하나("a", "an") 및 상기("the")와 같은 용어는 단지 하나의 단수의 실체를 언급하는 것을 의도하지 않고, 예시를 위해 사용될 수 있는 일반적 부류의 특정한 예를 포함한다. 본원에서 전문용어는 본 발명의 특정한 양태를 기술하는데 사용되지만, 이의 용법은 청구범위에 개요된 것을 제외하고는 본 발명의 범위를 정하지 않는다.
이들 요구를 처리하기 위해, 본 발명자들은 유리 세라믹(APEX® Glass ceramic)을 반도체, RF 전자장치, 마이크로파 전자장치, 및 광학 이미징을 위한 신규한 패키징 및 기판 물질을 개발하였다. APEX® 유리 세라믹을 간단한 3단계 공정으로 제1 세대 반도체 설비를 사용하여 프로세싱하고, 최종 물질은 유리, 세라믹 중 어느 하나로 만들어질(fashioned) 수 있거나, 유리 및 세라믹 둘 다의 영역을 포함할 수 있다. APEX® 유리 세라믹은 통용되는 물질보다 수개의 이점을 갖는데, 다음 사항이 포함된다: 용이하게 조작되는 높은 밀도 바이어스, 입증된 미세유동 능력(microfluidic capability), 마이크로-렌즈 또는 마이크로-렌즈 어레이, 강성(stiffer) 패키지에 대한 높은 영률(Young's modulus), 할로겐 없는 제조, 및 경제적 제조. 광-식각가능 유리는 광범위하게 다양한 마이크로시스템 구성요소(components)의 제작에서 수개의 이점을 갖는다. 마이크로구조물은 통상의 반도체 프로세싱 설비를 사용하여 이들 유리를 사용하여 비교적 저가 비용으로 생성되었다. 일반적으로, 유리는 고온 안정성, 양호한 기계적 및 전기적 특성을 갖고, 플라스틱 및 다수의 금속 보다 우수한 화학 저항성(chemical resistance)을 갖는다. 우리가 알고 있기로는, 유일한 시판되는 광식각가능 유리는 FOTURAN®이고, 이는 Schott Corporation에 의해 만들어지고, Invenios Inc에 의해 단독으로 미국에 수입된다. FOTURAN®은 미량의 은 이온을 포함하는 리튬-알루미늄-실리케이트 유리를 포함한다. 산화세륨의 흡수대 내에서 UV-광에 노출된 경우, 산화세륨은 증감제(sensitizer)로서 작용을 하고, 광자를 흡수하고, 전자를 손실하는데 예를 들면, 인접 산화은을 환원시켜 은 원자를 형성한다.
Ce3+ + Ag+ = = Ce4+ + Ag0
은 원자는 베이킹 공정 동안 은 나노클러스터로 합체되고(coalesce), 주변 유리의 결정화를 위한 핵생성 자리를 유도한다. 마스크를 통해 UV 광에 노출된 경우, 유리의 단지 노출된 영역이 후속적인 열 처리 동안 결정화될 것이다.
이러한 열 처리는 유리 변형 온도 근처의 온도(예를 들면, FOTURAN®를 위한 공기 중에서 465℃ 초과)에서 수행되어야 한다. 결정 상은 노출되지 않은 유리형 무정형 영역 보다 식각액, 예를 들면, 불화수소산(HF)에서 보다 용해성이다. 특히, FOTURAN®의 결정성 영역은 10% HF 중에서 무정형 영역 보다 약 20배 더 신속하게 에칭되고, 이는 노출된 영역이 제거되는 경우 약 20:1의 벽 기울기(wall slope) 비를 갖는 마이크로구조물을 가능하게 한다. 문헌을 참조한다[참조: T. R. Dietrich et al., "Fabrication technologies for microsystems utilizing photoetchable glass," Microelectronic Engineering 30, 497 (1996)].
바람직하게는, 성형된 유리 구조물은 적어도 하나의 마이크로-광학 렌즈, 마이크로-광학 소자를 포함한다. 마이크로-광학 렌즈는 3가지 방식 중 하나로 형성된다. 먼저, 마이크로-광학 렌즈는 일련의 동심원을 만들어서 프레넬(Fresnel) 렌즈를 형성하여 제작될 수 있다. 동심원의 에칭된 영역과 에칭되지 않은 영역 사이에 굴절률 미스매치(mismatch)는 회절 광학 소자 또는 프레넬 렌즈를 생성한다. 두번째로, 프레넬 렌즈는 APEX® 유리의 서비스(service)에서 침전되는 일련의 환형 물질을 사용하여 생성될 수 있다. 프레넬의 동심원이 굴절률 차이 또는 두께 차이를 갖는 한, 프레넬은 입사 전자기 방사에 광학 기능을 적용할 수 있다. 세번째 접근법은 곡선 패턴 또는 곡선 패턴의 단계 근사치(step approximation)를 에칭하는 것이다. 곡선 또는 곡선 패턴의 단계 근사치는 렌즈를 생성시키고, 여기서, 렌즈의 굴절력은 곡률(curvature)의 기울기에 의해 제공되고, 특정한 광학 기능은 구조물의 전체 형상에 의해 제공된다.
FOTURAN®은 Invenios(FOTURAN®의 단독 공급원 미국 공급자)에 의해 공급된 정보에 기술되고, 75 내지 85중량%의 산화규소(SiO2), 7 내지 11중량%의 산화리튬(Li2O), 3 내지 6중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 1 내지 2중량%의 산화나트륨(Na2O), 0.2 내지 0.5중량%의 삼산화안티몬(Sb2O3) 또는 산화비소(As2O3), 0.05 내지 0.15중량%의 산화은(Ag2O), 및 0.01 내지 0.04중량%의 산화세륨(CeO2)으로 이루어진다. 본원에 사용된 용어 "APEX® 유리 세라믹", "APEX 유리" 또는 간단히 "APEX"는 본 발명의 유리 세라믹 조성물의 하나의 양태를 나타내는데 사용된다.
본 발명은 렌즈에 사용되는 성형된 APEX 유리 구조물에 의한 영상 어플리케이션에서의 사용을 위한 광한정가능(photodefinable)/광패턴화가능(photopatternable) A APEX 유리로 광학 마이크로구조물을 제작하기 위한 단일 물질 접근법을 제공하고, 스루-레이어(through-layer) 또는 인-레이어(in-layer) 디자인을 포함한다.
일반적으로, 유리 세라믹 물질은 성능, 균일성, 유용성에 의한 기타 및 가용성 문제로 문제가 되어 마이크로구조물 형성에서 제한된 성공을 거뒀다. 이전 유리-세라믹 물질은 대략적으로 15:1의 에칭 종횡비(aspect ratio)를 수득하였고, 대조적으로, APEX 유리는 50:1 초과의 평균 에칭 종횡비를 갖는다. 이는 사용자가 더 작거나 더 깊은 피처를 생성할 수 있게 한다. 또한, 우리의 제조 방법으로 90% 초과의 생산 수율이 가능하다(기존(legacy) 유리 수율은 50%에 근접한다). 최종적으로, 기존 유리 세라믹에서, 대략적으로 유리의 30%만이 세라믹 상태로 전환되는 반면, APEX® 유리 세라믹을 사용하면 이러한 전환은 70%에 근접한다.
APEX 조성물은 이의 향상된 성능을 위한 3개의 주요한 메카니즘을 제공한다: (1) 더 많은 양의 은은 결정립계에서 더 신속하게 에칭되는 더 작은 세라믹 결정의 형성을 야기하고, (2) 실리카 함량의 감소(주요 구성성분은 HF 산에 의해 에칭됨)는 노출되지 않은 물질의 바람직하지 않은 에칭을 감소시키고, (3) 더 높은 총 중량 퍼센트의 알칼리 금속 및 산화붕소는 제조 동안 훨씬 더 균질한 유리를 생성한다.
본 발명은 전자기 전달 및 필터 어플리케이션에서 사용되는 각진 구조물, 거울(mirrors) 및 유리 세라믹 물질을 형성하는데 사용하기 위한 유리 세라믹 구조물을 제작하는 방법을 포함한다. 본 발명은 유리-세라믹 기판의 다중 평면에서 생성되는 각진 구조물을 포함하고, 이러한 방법은, (a) 기판 또는 에너지 공급원 중 어느 하나의 배향을 변경시켜 노출이 다양한 각으로 발생하도록 하는 여기 에너지로 노출하는 단계, (b) 베이킹 단계 및 (c) 에칭 단계를 포함한다. 각 사이즈는 예각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다. 곡선 및 디지털 구조물은, 실행가능하더라도, 대부분 유리, 세라믹 또는 실리콘 기판에서 생성하는 것은 어렵다. 본 발명은 이러한 구조물을 유리-세라믹 기판에 대해 수직 뿐만 아니라 수평 면 둘 다에서 생성하는 능력을 생성하였다. 본 발명은 영상화에 사용하기 위한 유리 세라믹 마이크로 렌즈 구조물을 제작하는 방법을 포함한다. 렌즈 구조물은 다양한 금속 또는 옥사이드, 박막 또는 굴절률을 개질하기 위한 다른 물질(예를 들면, 거울) 또는 렌즈를 생성시키기 위한 투명 물질로 코팅될 수 있다. 광학에서, 물질(광학 매체)의 굴절률(refractive index)(또는 굴절률(index of refraction))은 얼마나 많은 광, 또는 임의의 다른 방사선이 매체를 통해 전파되는지를 기술하는 수치이다.
본 발명은 음의 굴절률 구조물의 개발을 가능하게 하고, 이는 유전율 및 투자율이 동시 음의 값을 갖는 경우 일어날 수 있다. 수득한 음의 굴절은 렌즈 및 다른 외래 광학 구조물의 생성이 가능함을 제의한다.
유리의 세라믹화는 전체 유리 기판을 약 20J/cm2의 310nm 광에 노출시켜 수행한다. 세라믹 내 유리 공간을 생성하려고 하는 시도에서, 사용자는 상기 유리가 유리로 남아있어야 하는 경우를 제외하고는 모든 물질을 노출한다. 하나의 양태에서, 본 발명은 상이한 지름을 갖는 다양한 동심원을 포함하는 석영/크롬 마스크를 제공한다.
본 발명은 전자기 전달 및 반사 어플리케이션에서 사용되는 유리 세라믹 물질에서 이미지 구조물, 거울 및 마이크로 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는데 사용하기 위한 유리 세라믹 구조물을 제작하는 방법을 포함한다. 유리 세라믹 기판은 이에 제한되는 것을 아니지만, 하기한 광범위한 다수의 조성 변화를 갖는 광감성 유리 기판일 수 있다: 60 내지 76중량% 실리카; 6중량% 내지 16중량%의 K2O 및 Na2O의 조합물을 갖는 적어도 3중량% K2O; Ag2O 및 Au2O로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 옥사이드 0.003 내지 1중량%; 0.003 내지 2중량% Cu2O; 0.75중량% 내지 7중량% B2O3, 및 6 내지 7중량% Al2O3; 13중량%를 초과하지 않는 B2O3; 및 Al2O3의 조합물을 가짐; 8 내지 15중량% Li2O; 및 0.001 내지 0.1중량% CeO2. 이러한 그리고 다른 다양한 조성물은 일반적으로 APEX 유리로서 언급된다.
노출된 부분이 유리 기판을 유리 변형 온도 근방의 온도로 가열하여 결정성 물질로 변형될 수 있다. 식각액, 예를 들면, 불화수소산에서 유리 기판의 에칭시, 유리가 광역 스펙트럼 중-자외선(약 308 내지 312nm) 조명등에 노출되어 적어도 30:1의 종횡비를 갖는 성형된 유리 구조물을 제공하고 렌즈 형상 유리 구조물을 제공하는 경우, 노출된 부분 대 노출되지 않은 부분의 이방성-에칭 비는 적어도 30:1이다. 노출을 위한 마스크는 노출에 대해 연속 그레이 스케일(grey scale)을 제공하여 마이크로 렌즈용 곡선 구조물을 형성하는 하프톤(halftone) 마스크일 수 있다. 전면 노출에 사용되는 디지털 마스크를 사용하여 회절 광학 소자 또는 프레넬 렌즈를 제조할 수 있다. 이어서, 노출된 유리를 전형적으로 2-단계 공정으로 베이킹한다. 온도 범위는 은 이온을 은 나노입자로 합체하기 위해 420℃ 내지 520℃에서 10분 내지 2시간 동안 가열하고, 온도 범위는 산화리튬을 은 나노입자 주위로 형성시키기 위해 520℃ 내지 620℃에서 10분 내지 2시간 동안 가열하였다. 이어서, 유리 판을 에칭한다. 유리 기판을 HF 용액인 식각액, 전형적으로 5용적% 내지 10용적%로 에칭하고, 여기서, 적어도 30:1의 이방성-에칭 비를 갖는 성형된 유리 구조물을 제공하기 위해 노출된 부분 대 노출되지 않은 부분의 에칭 비는, 광역 스펙트럼 중-자외선 전면 광으로 노출된 경우, 적어도 30:1이고, 레이저로 노출된 경우, 30:1 초과이다.
도 1은 본 발명의 유리 세라믹 조성물의 제조 방법의 이미지이다. 도 2는 마이크로-렌즈 또는 마이크로-렌즈 어레이의 이미지이다. 도 3a 및 3b는 본 발명의 각진 에칭된 피처의 이미지이고, 상기 각은 0 내지 45도의 임의의 각으로 존재할 수 있다. 도 4a 내지 4d는 공간 분해된 광학 소자의 이미지 및 수반되는 그래프이다. 도 5는, 광이 상이한 각으로 통과되거나 반사될 수 있도록 반사 코팅을 갖는 각진 채널을 포함하는 본 발명의 하나의 양태의 이미지이다. 상이한 각 및 길이를 갖는 다양한 아크를 포함하는 석영/크롬 마스크의 이미지를 나타내지 않는다. 구리 도금된 비아(copper plated via)에 대하여 광을 각지게 하여(angling) 인접한 유리에서 대안적인 경로 아래로 광을 반사시켜 광의 반사 이미지를 나타내지 않는다.
본 발명 및 이의 이점이 상세하게 기술되지만, 다양한 변화, 대체 및 변형이 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에서 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 방법, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 명세서에 기술된 단계의 특정한 양태로 제한하는 것으로 의도하지 않으며, 단지 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (12)

  1. 적어도 실리카, 산화리튬, 산화알루미늄, 및 산화세륨을 포함하는 광감성 유리 기판을 제조하는 단계;
    광학 밀도를 변화시켜 하프톤(halftone) 디자인을 마스킹하여 상기 유리에 광학 소자를 묘사하는(delineate) 단계;
    상기 광감성 유리 기판을 활성화 에너지 공급원에 노출시키는 단계;
    상기 광감성 유리 기판을 이의 유리 전이 온도 위에서 적어도 10분의 가열 상태(heating phase)로 노출시키는 단계;
    상기 광감성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 부분을 결정성 물질로 변형시킴으로서 유리-결정성 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 유리-결정성 기판을 식각 용액으로 에칭시켜 상기 하나 이상의 마이크로 렌즈 디바이스를 형성하는 단계
    를 포함하는 광학 소자의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자가 주위(perimeter)에서 고 광학 밀도를 갖는 원형이고, 중심에서 낮은 광학 밀도가 마이크로 렌즈를 생성시키는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마스크가 상기 광학 소자의 광학 굴절력(optical power)을 제공하기 위한 구배 패턴을 형성하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 소자가 회절 광학 마이크로 렌즈를 생성시키는 동심원을 갖는 고 광학 밀도의 패턴인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마스크가 상기 마스크에서 동심원형 원의 구배 패턴을 형성하여 광학 소자 5%의 광학 굴절력을 제공하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 형성되는 마이크로 렌즈 디바이스.
  7. 적어도 실리카, 산화리튬, 산화알루미늄, 및 산화세륨을 포함하는 광감성 유리 기판을 제조하는 단계;
    투명 및 비-투명 소자로 이루어진 디지털 마스크를 마스킹하여 상기 유리에 회절 광학 소자를 한정하는 단계;
    상기 광감성 유리 기판의 적어도 하나의 부분을 활성화 에너지 공급원에 노출시키는 단계;
    상기 광감성 유리 기판을 이의 유리 전이 온도 위에서 적어도 10분의 가열 상태로 노출시키는 단계;
    상기 광감성 유리 기판을 냉각시켜 상기 노출된 유리의 적어도 부분을 결정성 물질로 변형시킴으로서 유리-결정성 기판을 형성시키는 단계; 및
    상기 유리-결정성 기판을 식각 용액으로 에칭하여 상기 하나 이상의 마이크로 렌즈 디바이스를 형성하는 단계
    를 포함하는 광학 소자의 제작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광학 소자가 주위에서 고 광학 밀도를 갖는 원형이고, 중심에서 낮은 광학 밀도가 마이크로 렌즈를 생성시키는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 마스크가 상기 광학 소자의 광학 굴절력을 제공하기 위한 구배 패턴을 형성하는, 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 광학 소자가 회절 광학 마이크로 렌즈를 생성하기 위해 동심원을 갖는 고 광학 밀도의 패턴인, 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 마스크가 상기 광학 소자 5%의 광학 굴절력을 제공하기 위해 상기 마스크에서 동심원형 원의 구배 패턴을 형성하는, 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 의해 형성되는 광학 소자.
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