KR20200095215A - 저곡률 폴리머 렌즈 어레이 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 미세전자기계시스템(MEMS) 기술을 활용하여 대면적 공정에 적합하고 경제성이 있으며, 곡률반경이 큰 저곡률 렌즈로서 높은 채움비와 정밀도를 갖는 마이크로 렌즈 어레이를 제공할 수 있는 제조 방법이 제시된다. 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은, 석영기판(Quartz)의 양면에 실리콘층(Si)을 형성하고, 상기 실리콘층 (Si)의 표면에 포토레지스트(Photoresist)층(PR)을 형성하고, 상기 포토레지스트층 (PR)을 패터닝하여 PR 마스크 패턴을 형성하고, 상기 PR 마스크 패턴을 활용하여 상기 실리콘층을 건식 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하고, 상기 하드마스크 패턴이 형성된 석영기판을 습식 식각하여 균일한 곡률반경 및 새그 높이를 갖는 오목렌즈 형태의 홈 어레이을 형성하고, 다수의 오목렌즈 형태의 홈 어레이가 형성된 석영 기판을 마스터 몰드로 활용하여 볼록렌즈 형태의 마이크로 렌즈 어레이를 복제 성형하는 공정을 포함한다.

Description

저곡률 폴리머 렌즈 어레이 제조 방법{Fabrication Process For Polymer Lens Array With Low Curvature}

본 발명은 마이크로렌즈 어레이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에는 4차원 정보를 얻기 위해 라이트 필드 이미징(light-field imaging)과 관련하여 마이크로 렌즈 어레이(microlens array, 마이크로 렌즈 어레이)에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있다. 고밀도 및 고정밀의 마이크로 렌즈 어레이를 제공하기 위해 여러 가지 제조 방법이 시도되고 있지만, 아직 더 많은 진전이 필요한 상황이다.

현재 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법으로는, 미세전자기계시스템(MEMS, Microelectromechanical systems), 써멀 리플로우(Thermal Reflow), 마이크로 밀링(Micro-Milling), 및 핫엠보싱(Hot Embossing), 등의 기술을 활용한 방법들이 알려져 있다.

미세전자기계시스템(Standard MEMS) 기반의 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은 포토리소그래피(Photo-lithography)를 이용한 방법으로 대면적 공정에 용이하나, 포토리소그래피의 마스크의 한계로 인해 렌즈 곡률과 채움비 조절에 어려움이 있다. 써멀 리플로우(thermal reflow)를 이용한 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정은 대면적화와 렌즈 간의 간격 조절에는 적합한 방법이나, 렌즈들 사이의 유격으로 인해 채움비가 낮기 때문에 이미지 센서와 결합된 용도로는 활용하기 어렵다. 마이크로 밀링(Micro-Milling) 기술을 이용할 경우, 정교한 제어를 통해서 높은 채움비와 원하는 곡률을 얻기에 용이하나, 렌즈를 하나씩 깎는 방식의 한계로 인하여, 대면적 공정에 적용하기 어렵고, 고비용의 단점이 있다.

본 발명은 미세전자기계시스템(MEMS) 기술을 활용하여 대면적 공정에 적합하고 경제성이 있으며, 곡률반경이 큰 저곡률의 마이크로 렌즈 어레이 제조에 적용하더라도 높은 채움비와 정밀도를 제공할 수 있는 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법은, (a) 석영기판(Quartz)의 양면에 실리콘층(Si)을 형성하고, (b) 실리콘층 (Si)의 표면에 포토레지스트(Photoresist)층(PR)을 형성하고, 상기 포토레지스트층 (PR)을 패터닝하여 PR 마스크 패턴을 형성하고, (c) 상기 PR 마스크 패턴을 활용하여 상기 실리콘층을 건식 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하고, (d) 상기 하드마스크 패턴이 형성된 석영기판을 습식 식각하여 균일한 곡률반경 및 새그 높이를 갖는 오목렌즈 형태의 홈 어레이을 형성하고, (e) 다수의 오목렌즈 형태의 홈 어레이가 형성된 석영 기판을 마스터 몰드로 활용하여 볼록렌즈 형태의 마이크로 렌즈 어레이를 복제 성형하는 공정을 포함한다.

본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법에서, 상기 하드마스크 패턴을 이용한 습식 식각 공정은, 상기 하드마스크 패턴을 마스크로 활용한 제1 습식 식각과, 상기 하드마스크 패턴을 제거한 후의 제2 습식 식각을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 미세전자기계시스템(MEMS) 기술을 활용하여 대면적 공정에 적합하고 경제성이 있으며, 곡률반경이 큰 저곡률의 마이크로 렌즈 어레이 제조에 적용하더라도 높은 채움비와 정밀도를 제공할 수 있는 제조 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정을 보인다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에서 마이크로 렌즈의 지름이 마이크로 렌즈 패턴 사이의 간격보다 큰 경우 발생 가능한 문제 상황을 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정 중 습식 식각 공정의 예를 보인다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 배열 형태를 예시한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정 중 습식 식각 공정의 시간에 따른 렌즈 곡률반경의 차이를 보인다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정에서 하드마스크 제거 시간 및 습식 식각 공정의 시간과 렌즈 곡률반경의 관계를 보인다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 마이크로 렌즈 어레이를 보인다.
도 8은 상기 도 7에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보인다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정을 보인다.

발명에서는 미세전자기계시스템(MEMS)를 이용한 공정을 이용한다. 이러한 공정은 포토리소그래피를 이용하여, 하드마스크(hard mask) 제작한다. 이렇게 제작된 하드마스크는 렌즈 어레이의 렌즈 간격, 그리고 렌즈의 지름에 영향을 미친다.

마이크로 렌즈 어레이 제조 단계는 다음과 같다.

(a) 기판, 일례로 석영 기판(Quartz)의 양면에 마스크층, 일례로 폴리-실리콘(Poly-Silicon) 의 마스크층을 증착한다.

(b) 마스크층의 표면에 포토레지스트(Photoresist)층(PR)을 형성하고, 포토레지스트층(PR)을 패터닝하여 포토레지스트 패턴을 형성한다.

(c) 포토레지스트 패턴이 형성된 기판을 건식 식각, 일례로 유도결합플라즈마-반응성 이온 식각 장비(Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)에서 SF6 가스를 사용하여 건식 식각하고, 잔여 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 기판 상의 하드 마스크 패턴을 얻는다. 이때 하드 마스크 패턴은 기판을 노출시키는 다수의 비아홀을 포함하고, 다수의 비아홀은 포토레지스트 패턴의 형태를 따른다. 참고로, 유도결합플라즈마-반응성 이온 식각(ICP-RIE) 조건은 SF6 유량 / 챔버 압력 / RF 전력 / ICP 전력 / 에칭 시간 = 50sccm / 4mTorr / 50W / 100W / 2 분일 수 있다.

(d) 하드 마스크 패턴이 형성된 기판을 식각액, 일례로 HF 용액 등의 식각액으로 습식 식각하여 기판에 반구형 홈을 형성한다. 이때, 반구형 홈은 마스크 패턴의 다수의 비아홀과 일대일 대응되고, 식각액을 이용한 등방성 식각의 공정 시간을 조절함으로써 따라 전체적으로 거의 동일하게 렌즈의 반경 R 및 렌즈 높이 H를 제어할 수 있다.

구체적으로, 하드 마스크 패턴이 형성된 기판을 식각액(예, HF 용액)에 담그면, 식각액은 마스크 패턴의 비아홀인 복수의 구멍 패턴을 통해 기판을 반구식으로 에칭한다. 비아홀(~2μm)을 통한 기판의 에칭 양은 각 비아홀의 중심에서 반구형으로 등방성을 띤다. 따라서, 식각액을 이용한 등방성 에칭은 에칭 시간에 의해 제어되는 거의 동일한 반경 R 및 새그 높이 S를 생성한다.

(e) 하드 마스크 패턴을 제거한다. 예컨대, 하드 마스크 패턴이 폴리 실리콘인 경우, 150 ℃의 온도에서 30분 동안 수산화칼륨(KOH)을 사용하여 제거할 수 있다.

이어서 폴리디메틸실록산(PDMS) 복제 성형이 수행된다.

(f) 금형에 기판을 넣고, 폴리머, 일례로 폴리디메틸실록산(PDMS)를 붓기 전에 금형에 비 접착성 물질을 분무한다. 플루오르카본 이형제는 점착 방지 스프레이(DAIFREE GA-7550, DAIKIN, Japan)로 사용될 수 있고, 이 경우 분무 시간은 약 3초이며 금형 사이의 분무 거리는 약 20cm이다. 또한 경화시간 동안 폴리디메틸실록산(PDMS)의 열 변형을 방지하기 위해, 실온에서 약 4일 동안 경화된다. 마이크로 렌즈 어레이의 비스듬한 상부 표면은 물체 이미지의 명확한 형성을 방해한다. 따라서, 폴리머 마이크로 렌즈 어레이의 경화는 평평한 광학 테이블상에서 수행된다.

(g) 중합체가 완전히 경화된 후, 마이크로 렌즈 어레이를 부드럽게 떼어 낸다.

도 2는 상기 도 1의 실시예에서 마이크로 렌즈의 지름이 마이크로 렌즈 패턴 사이의 간격보다 큰 경우 발생 가능한 문제 상황을 보인다.

저곡률(큰 곡률 반경) 렌즈 어레이의 경우, 오랜 시간 동안 식각액, 일례로 HF 용액을 통한 습식 식각을 진행해야 한다. 하지만, 이러한 경우 습식 식각한 마스터 몰드의 마이크로 렌즈의 지름이 패턴의 간격보다 커질 때, 하드 마스크로 사용하기 위해 증착한 마스크층. 일례로 폴리실리콘(poly-silicon)층의 적어도 일부가 기판에서 떨어져 나가게 되고, 떨어져 나간 마스크층이 기판 주변에 머물면서 기판의 균일한 식각을 방해한다. (a)는 이러한 현상을 모식적으로 보이고, (b)는 이러한 현상으로 인해 불균일하게 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 보인다. 위와 같은 이유로, 초기 설계한 마이크로 렌즈의 설계대로 대면적에서 균일한 형태로 제작이 어렵고, 따라서 저곡률(큰 곡률 반경)을 가지는 렌즈 어레이를 만드는 데에 어려움이 있다.

큰 곡률 반경을 가지는, 특히 곡률반경이 렌즈 패턴 사이의 간격의 1/2보다 큰, 마이크로 렌즈 어레이를 만들기 위해서는 기판의 전 영역에 걸쳐 식각이 진행되어야한다. 기존의 미세전자기계시스템의 공정 과정을 이용하는 경우 하드마스크가 기판에 분리되는 과정을 거치게 되면서, 앞서 설명한 대로 큰 곡률 반경을 가지는 균일한 마이크로 렌즈 어레이를 얻기 힘들다.

이에 아래에 소개되는 추가적인 공정 단계를 거침으로써 마이크로 렌즈 어레이의 균일성, 개별 렌즈의 곡률반경 및 광학적인 특성을 개선할 수 있다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정 중 습식 식각 공정의 예를 보인다.

본 실시예에 따르면, 저곡률(큰 곡률반경)을 가지는 마이크로 렌즈 어레이를 제작하기 위한 추가적인 공정을 포함하는 제조 방법이 제공된다. 기존의 미세전자기계시스템(MEMS)의 습식 식각 공정 단계에서는 하드마스크가 분리되는 단점으로 인하여, 저곡률(큰 곡률반경) 렌즈 어레이간의 간격 틀어짐이 생기나, 추가적인 습식 공정을 통해, 기존에 제작하기 어려웠던 대면적 저곡률 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 수 있게 된다.

추가적인 공정 단계는 도 3에 설명되어 있다.

(a) 제 1 식각액, 일례로 불산(hydrofluoric acid)을 식각액으로 이용한 제1 습식 식각 단계에서 렌즈의 지름이 하드마스크의 비아홀 패턴 간격보다 크지 않는 범위 내에서 식각한다.

(b) 150 ℃의 온도에서 30분 동안 수산화칼륨(KOH)을 사용하여 폴리-실리콘(Poly-Silicon), 즉 상기 하드마스크를 제거한다. 하드마스크가 제거된 기판은 고곡률(작은 곡률반경)을 가지는 렌즈 어레이의 몰드 형상을 하고 있다.

(c) 기판을 제2 식각액, 일례로 불산(hydrofluoric acid)을 이용하여, 다시 한번 제2 습식 식각을 진행한다. 이 단계에서 곡률반경(RoC)이 증가하고 새그 높이(Sag Hight)가 감소하며, 그 정도는 에칭 시간에 비례한다. 다시 말해서, 하드마스크로 사용된 마스크층이 제거된 시점부터 선형적인 습식 식각이 진행된다. 제작 절차에 따라 큰 곡률반경 및 낮은 처짐 높이를 갖는 폴리머 마이크로 렌즈 어레이용 몰드가 대규모로 균일하게 구현될 수 있다. (d) 이렇게 제작된 마이크로렌즈 어레이는 높은 채움비를 가지며, 이러한 특성으로 인하여, 저곡률(큰 곡률반경)을 가지는 마이크로 렌즈 어레이를 제작 가능하다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 배열 형태를 예시한다. 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정 중 습식 식각 공정의 시간에 따른 렌즈 곡률반경의 차이를 보인다.

마이크로 렌즈 어레이의 배열 형태는 포토 리소그래피 단계에서 비아홀의 배열 형태에 따라 다르게 형성되고, 곡률반경(RoC)은 습식 식각 시간을 수정함으로써 HF 및 KOH 에칭 단계에서 제어된다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 공정에서 하드마스크 제거 시간 및 습식 식각 공정의 시간과 렌즈 곡률반경의 관계를 보인다.

상기 도 6은 서로 다른 두 가지 실리콘(예, Poly-Si) 하드마스크 제거 시간(즉, 40 및 50 분)을 갖는 습식 식각(HF 에칭) 시간의 함수로서 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이 제조 방법에 의해 제조된 마이크로 렌즈 어레이의 곡률반경의 관계를 도시한다. 두 가지 다른 실리콘층(Po-Si) 제거 시간 사이의 곡률반경(RoC)의 차이는 Poly-Si 제거가 RoC 크기에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 마이크로 렌즈 어레이를 보인다.

제작된 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로 렌즈 어레이(도 6 오른쪽의 PDMS MLA)는 표면의 미세 구조로 인해 흐릿한 모습을 나타내는 점에서 'GIST'텍스트가 그대로 노출된 왼쪽의 폴리디메틸실록산(PDMS) 판(도 6 왼쪽의 Bare PDMS)과 구별된다.

도 8은 상기 도 7에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보인다.

상기 도 8은 대면적에서 균일하게 형성된 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로 렌즈 어레이를 도시한다. 도시된 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로 렌즈 어레이는 139 ㎛의 곡률반경을 나타낸다. 오른쪽 위의 삽입된 이미지는 약 3μm의 매우 낮은 새그 높이(Sag Hight)를 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로 렌즈 어레이의 횡단면도를 보인다. 사용된 마스크 패턴은 도 4, 도 5 및 도 8의 실시예에서 상이하다. 도 4와 도 5에서 구멍의 크기(비아홀의 지름)와 피치는 각각 2μm와 26.4μm이다. 도 8은 구멍의 크기는 동일하게 2μm로 하였으나 피치를 60μm로 달리 하였다. 모든 마이크로 렌즈 어레이의 곡률반경(RoC)는 레이저 공 초점 현미경(Olympus, OLS 4000)을 통해 측정되었다.

PR: 포토레지스트
Quartz: 석영기판
Si: 실리콘층(마스크층)
HF: 식각액(불산)

Claims (8)

1. (a) 기판의 일면에 마스크 층을 형성하는 단계;
   (b) 상기 마스크 층을 패터닝해서 상기 기판의 일면을 각각 노출시키는 복수의 비아홀이 관통 형성된 하드 마스크 패턴을 얻는 단계;
   (c) 상기 비아홀을 통해 상기 기판의 일면에 패터닝해서 상기 기판의 일면에 상기 비아홀과 일대일 대응되는 복수의 반구형 홈을 형성하는 단계;
   (d) 상기 기판의 일면에서 상기 하드 마스크 패턴을 제거하는 단계;
   (e) 상기 기판의 일면에 폴리머를 도포 및 경화한 후 탈착하여 폴리머층 일면에 상기 복수의 반구형 홈에 일대일 대응되는 복수의 렌즈가 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 얻는 단계를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는, 상기 마스크 층의 일면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하여, 상기 포토레지스트 패턴으로 상기 마스크 층을 패터닝 하는 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는, 상기 비아홀을 통해 상기 기판의 일면을 등방성 식각해서 상기 복수의 반구형 홈을 형성하는 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 등방성 식각은 식각액을 이용한 습식 식각인 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 기판은 석영이고, 상기 마스크 층을 실리콘이며, 상기 습식 식각을 위한 식각액은 HF 용액인 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리머는 폴리디메틸실록산(PDMS)인 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계 후 (e) 단계 전,
   상기 기판의 일면을 습식 식각하는 단계를 더 포함하는 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 기판은 석영이고, 상기 마스크 층을 실리콘이며, 상기 습식 식각을 위한 식각액은 HF 용액인 마이크로 렌즈 어레이 제조방법.

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