KR20210110454A - 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈의 제조방법은, S10) 웨이퍼의 일면에 제1포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 제1포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어, 웨이퍼 상에 싱글층(single layer)이 형성되는 단계; S20) 제1패턴을 가진 제1포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 싱글층이 제1패턴으로 노광처리되어, 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 싱글층에 형성되는 단계; S30) 싱글층으로 제2포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 제2포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어 더블층(double layer)이 형성되는 단계; S40) 제2패턴을 가진 제2포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 더블층이 제1패턴 중 일부와 중첩되는 패턴인 제2패턴으로 노광처리되어, 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 더블층에 형성되는 단계; S50) 웨이퍼의 일면으로 현상액이 도포되고, 현상액에 의해 제1패턴과 제2패턴을 제외한 부분에서 제1포토레지스트와 제2포토레지스트가 제거되면서, 더블층의 두께만큼 단차지게 서로 다른 두께를 가진 복수의 마이크로포스트가 웨이퍼의 일면에 마련되는 단계; 및 S60) 복수의 마이크로포스트에 대한 열적 리플로우(thermal reflow)을 통해, 복수의 마이크로포스트가 서로 다른 두께와 곡률을 가진 복수의 렌즈로 형성되는 단계를 포함하여, S50단계에서, 복수의 마이크로포스트는 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이와 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이를 형성하고, S60단계에서, 복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률로, 서로 다른 초점거리를 가진 렌즈 어레이를 형성하는 것이 바람직하다.

Description

다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법{Multi-focusing micrelens and method thereof}

본 발명은 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 다층 포토리소그래피(multiple photolithography) 및 열적 리플로우를 통해 직경은 동일하되 곡률과 초점거리가 상이한 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로렌즈는 이미저 픽셀(들) 상의 대응하는 어레이 내에 공통적으로 위치한다. 마이크로렌즈는 예를 들면, 초기 전하 축적 영역 상에 광을 집속하는 데 사용된다. 종래의 기술은 픽셀 상에 각각 제공되는 사각형이나 원형으로 패터닝되는 포토레지스트 재료로부터 마이크로렌즈를 형성한다. 패터닝된 포토레지스트 재료는 그 후 마이크로렌즈를 성형 및 경화하기 위해 제조하는 동안 가열된다.

마이크로렌즈의 사용은, 큰 집광 영역으로부터 광을 수집하여 픽셀의 작은 감광 영역에 집속함으로써 이미징 장치의 감광성 및 효율성을 현저하게 향상시킨다. 전체 집광 영역 대 픽셀의 감광 영역의 비는 "필 팩터(fill factor)"로 알려져 있다.

마이크로렌즈 어레이의 사용은 이미저 애플리케이션에서의 중요성이 증가하고 있다. 이미저 애플리케이션은 더 작은 사이즈와 더 큰 해상도의 이미저 어레이를 필요로 한다. 픽셀 사이즈는 감소하고 픽셀 밀도는 증가하기 때문에, 픽셀들 간의 크로스토크(crosstalk)와 같은 문제점이 더욱 천명되고 있다. 또한, 감소된 사이즈의 픽셀은 더 작은 전하 축적 영역을 갖는다. 픽셀의 감소된 사이즈는 신호 처리 회로에 의해 판독되어 처리되는 축적된 전하를 더 작아지게 한다.

이미저 어레이 및 픽셀의 감광 영역의 사이즈가 감소함에 따라, 입사광선을 감광 영역에 집속할 수 있는 마이크로렌즈를 제공하는 것이 점점 어려워진다. 이 문제점은 부분적으로는, 이미저 장치 프로세스를 위한 최적의 초점 특성을 갖고, 광이 여러 장치 층을 통과함에 따라 도입되는 광학 수차에 대해 최적으로 조정하는 충분히 작은 마이크로렌즈를 구성할 때의 어려움의 증대에 기인한다.

마이크로렌즈 재료의 가열 및 식각을 통한 마이크로렌즈 성형 및 제조는 또한 마이크로렌즈 구조체의 사이즈가 감소함에 따라 점점 어려워진다. 마이크로렌즈 성형 및 제조를 제어하기 위한 이전의 접근방법은 마이크로렌즈의 초점 특성, 반경과 같은 광학적인 성질 또는 더 작은 마이크로렌즈 디자인을 위해 원하는 초점 효과를 제공하는데 필요한 다른 파라미터들을 보증하기에 충분한 제어를 제공하지 못한다. 결과적으로, 더 작은 사이즈의 마이크로렌즈를 갖는 이미저는 대비도 및 신호 대 잡음비를 달성하는 데 어려움을 갖는다.

한국공개특허 제10-2008-0097709호에는 마이크로렌즈가 적용된 이미지 센서 및 그의 제조방법이 개시되어 있다.

본 발명은 다층 포토리소그래피(multiple photo lithography) 및 열적 리플로우를 통해 직경은 동일하되 곡률과 초점거리가 상이한 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 단일 초점 마이크로렌즈 보다 확장된 피사계 심도 (Depth-of-Field, DoF)를 갖고, 높은 공간 분해능 (Spatial resolution)을 실현할 수 있는 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 두께 조절이 가능한 다층 마이크로포스트를 단일 포토레지스트 기반 제작이 가능하며, 다초점 마이크로렌즈의 초점거리와 F값을 포함한 렌즈 변수들을 자유롭게 조절할 수 있는 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈는, 일면이 평평한 웨이퍼; 및 웨이퍼의 일면으로 돌출되어 형성되되, 일정 간격으로 병렬 배열된 복수의 렌즈를 포함하되, 복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률을 가져, 서로 다른 초점거리를 형성하는 것이 바람직하다.

복수의 렌즈는 렌즈의 직경이 10㎛ 내지 500㎛ 범위 내이고, 렌즈의 F값(F=초점거리/직경)이 0.5 내지 8의 범위 내에서, 서로 다른 두께로 제작가능한 것이 바람직하다.

복수의 렌즈는 렌즈의 두께가 0.1㎛ 내지 250㎛ 범위 내로 마련된 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈의 제조방법은, S10) 웨이퍼의 일면에 제1포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 제1포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어, 웨이퍼 상에 싱글층(single layer)이 형성되는 단계; S20) 제1패턴을 가진 제1포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 싱글층이 제1패턴으로 노광처리되어, 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 싱글층에 형성되는 단계; S30) 싱글층으로 제2포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 제2포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어 더블층(double layer)이 형성되는 단계; S40) 제2패턴을 가진 제2포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 더블층이 제1패턴 중 일부와 중첩되는 패턴인 제2패턴으로 노광처리되어, 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 더블층에 형성되는 단계; S50) 웨이퍼의 일면으로 현상액이 도포되고, 현상액에 의해 제1패턴과 제2패턴을 제외한 부분에서 제1포토레지스트와 제2포토레지스트가 제거되면서, 더블층의 두께만큼 단차지게 서로 다른 두께를 가진 복수의 마이크로포스트가 웨이퍼의 일면에 마련되는 단계; 및 S60) 복수의 마이크로포스트에 대한 열적 리플로우(thermal reflow)을 통해, 복수의 마이크로포스트가 서로 다른 두께와 곡률을 가진 복수의 렌즈로 형성되는 단계를 포함하여, S50단계에서, 복수의 마이크로포스트는 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이와 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이를 형성하고, S60단계에서, 복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률로, 서로 다른 초점거리를 가진 렌즈 어레이를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, S50 단계 전에, S40-1) 제2포토레지스트 상으로, 포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어, 웨이퍼 상에 N번째 층(N layer)이 형성되는 단계; 및 S40-2) N패턴을 가진 포토마스크를 통과한 UV광에 의해, N번째 층이 N패턴으로 노광처리되는 단계를 더 포함하고, N패턴은 포토레지스트에 의해 N번째 층에 마이크포스트어레이를 형성하기 위한 패턴인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, S40-1단계와 S40-2단계의 반복 진행 횟수에 따라, 복수의 마이크로포스트는 싱글층의 두께, 더블층의 두께 내지 N번째층의 두께만큼 다단으로 단차지게 마련되고, S60단계의 열적 리플로우를 통해 서로 다른 두께 및 곡률를 가진 복수의 렌즈로 제작되고, 복수의 렌즈는 N개의 서로 다른 초점거리를 가지는 렌즈어레이를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 렌즈는 렌즈의 두께가 0.1㎛ 내지 250㎛ 범위 내인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 렌즈는 렌즈의 직경이 10㎛ 내지 500㎛ 범위 내이고, 렌즈의 F값(F=초점거리/직경)이 0.5 내지 8의 범위 내에서, 서로 다른 두께로 제작가능한 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, S60 단계에서, 열적 리플로우는 100℃ 내지 150 ℃ 사이에서 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1포토레지스트, 제2포토레지스트 및 N번째 층에 도포되는 포토레지스트는, S60단계에서 열적 리플로우를 통해 렌즈 성형이 가능한 열가소성(thermoplastic)을 가진 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1포토레지스트, 제2포토레지스트 및 N번째 층에 도포되는 포토레지스트는, 페놀포름알데히드(phenolformaldehyde), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리올레핀(polyolefine), 셀룰로오스아세테이트 부티레이트(Cellulose Acetate Butyrate) 또는 폴리스티렌(polystyrene) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명은 다층 포토리소그래피(multiple photo lithography) 및 열적 리플로우를 통해, 두께 조절이 가능한 다층 마이크로포스트를 단일 포토레지스트 기반으로 제작이 가능하며, 다초점 마이크로렌즈의 초점거리와 F값을 포함한 렌즈 변수들을 자유롭게 조절할 수 있다.

본 발명은 기존에 제작이 어려운 단일 구조를 갖는 다층 마이크로포스트 및 다초점 마이크로렌즈를, 추가적인 구조 또는 물질을 사용하지 않고 단일 물질기반으로 다층의 마이크로포스트를 대면적으로 제작가능하고, 열적 리플로우 처리를 통해 다층의 마이크로포스트로부터 다초점 마이크로렌즈를 제작할 수 있다.

본 발명인 다초점 마이크로렌즈는 한 개의 마이크로렌즈 배열에서 서로 다른 광흡수효율을 가진 이미지센서 개발에 적용가능하다. 본 발명에 따른 다초점 마이크로렌즈가 적용된 이미지센서는 다른 초점거리에 따라 서로 다른 마이크로이미지를 획득할 수 있다.

본 발명의 다초점 마이크로렌즈는 서로 다른 파사계심도를 가져, 카메라 렌즈로 사용시 3D 깊이 추정에서의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다초점 마이크로렌즈는 카메라 렌즈로 사용시, 다른 피사계심도를 중첩하여 확장된 파사계심도를 갖는 영상을 획득할 수 있다.

본 발명은 CMOS, CCD 어레이, 디지털 프로젝터, 현미경, 3D 이미징 카메라 등에 적용가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈을 제작하는 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2은 도 1의 (i)에서 제작된 서로 다른 두께를 가지는 마이크로포스트의 이미지이고, 도 2은 도 1의 (j)에서 제작된 서로 다른 두께를 가지는 마이크로렌즈에 대한 이미지이다.
도 4는 다초점 마이크로렌즈의 초점거리에 따른 영상의 크기를 비교한 것이고, 도 5는 초점거리별로 획득한 이미지이다.
도 6은 다층 포토리소그래피 과정에서 각각의 마이크로포스트의 두께 변화에 대한 그래프이다.
도 7은 웨이퍼의 회전속도에 따른, 웨이퍼 위의 포토레지스트(DNR)의 두께와, 포토레지스트 위에 다층도포한 포토레지스트의 두께의 변화의 그래프이다.
도 8은 마이크로렌즈의 직경의 변화에 따른 레지스트 두께 변화에 대한 그래프이다.
도 9는 마이크로렌즈의 두께의 변화에 따른 렌즈의 곡률변화 그래프이다.
도 10(a)는 다초점 마이크로렌즈의 윗면에 대한 CLSM(Confocal Laser Sca다초점 마이크로렌즈의 제조방법ing Microscope) 이미지이고, 도 10(b)는 다초점 마이크로렌즈의 측면에 대한 CLSM 이미지이다.
도 11은 마이크로렌즈의 직경의 변화에 따른 초점거리의 변화에 대한 그래프이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈 및 이의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다초점 마이크로렌즈(100)는 도 1에 도시된 바와 같은 과정을 통해 제작된다.

도 1(a)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(110)의 일면에 제1포토레지스트(PR)가 도포되어 코팅되고, 제1포토레지스트(PR)가 소부처리(Soft bake)된다(S10). S10 단계는, HMDS공정, 코팅공정과 소부처리공정으로 세분화된다.

우선, HMDS공정은 웨이퍼(110)에 제1포토레지스트(PR)가 도포되기 전에 수행된다. HMDS공정은 웨이퍼(110) 표면에 수용액 상태의 HMDS를 증기상태로 증착하여 친수성인 웨이퍼(110) 표면을 소수성으로 바꾸어, 웨이퍼(110)와 포토레지스트(PR) 간의 접착력을 향상시키기 위한 공정이다.

HMDS공정 후, 제1포토레지스트(PR)에 의한 코팅공정이 수행된다. 코팅공정은, 웨이퍼(110) 상에 제1포토레지스트(PR)를 분사한 후에, 웨이퍼(110)를 특정회전수까지 가속한 후에 고속으로 회전시켜, 제1포토레지스트(PR)가 웨이퍼(110)에 균일하게 도포되도록 진행된다. 제1포토레지스트(PR)의 두께는, 웨이퍼(110)로 분사되는 제1포토레지스트(PR)의 점도, 웨이퍼(110)의 회전속도 등에 의해 미세하게 조절가능하다.

제1포토레지스트(PR)는 빛을 받아 중합, 분해 또는 변성되는 성질을 갖는 물질이다. 제1포토레지스트(PR)로는 네거티브 포토레지스트(PR)가 사용될 수 있다.

일반적인 포토레지스트 (PR)은 소부 처리 및 노광 전에 현상액에 대해 녹을 수 있는 가용성을 띄고 있으나, 노광 후에는 광에너지를 흡수하고 이를 화학적 에너지로 변환하여 폴리머의 교차결합(cross-linking)을 유발하는 물질이다. 네거티브 포토레지스트(PR)는 현상액에 쉽게 용해되지 않는 불용성을 띄게 되어, 후술할 S50단계에서의 현상 처리시, 노광되지 않은 가용성부분은 제거되고 노광된 불용성 영역만 남게 된다.

네거티브 포토레지스트(PR)로는 페놀포름알데히드(phenolformaldehyde), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리올레핀(polyolefine), 셀룰로오스아세테이트 부티레이트(Cellulose Acetate Butyrate) 또는 폴리스티렌(polystyrene) 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

그리고, 본 실시예에 따른 포토레지스트는 S60단계에서 열적 리플로우를 통해 렌즈 성형이 가능한 열가소성(thermoplastic)을 가진 것이 바람직하다.

제1포토레지스트(PR)가 소부처리(Soft bake)된다(S10). 소부처리공정은, 코팅처리된 웨이퍼(110)에 열을 가하여, 포토레지스트(PR)의 용매를 제거하는 동시에 포토레지스트(PR)의 밀도를 증가시키는 공정이다. 소부처리공정을 통해, 웨이퍼 상에 제1포토레지스트에 의한 싱글층(single layer)이 형성된다. 싱글층(single layer)은 웨이퍼의 일면에 마련된 첫번째 포토레지스트층이다.

S20단계는 웨이퍼의 싱글층에 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이를 형성하기 위한 것이다. 마이크로포스트 어레이는 복수의 마이크로포스트가 웨이퍼의 일면상에 병렬배열된 것이다.

S20단계는 노광처리공정(도 1(b) 참조)와 가열공정(도 1(c) 참조)로 세분화된다.

S20단계의 노광처리공정은 S10 단계에서의 제1포토레지스트(PR)의 소부처리 이후에 진행된다. S20단계에서, 싱글층은 제1포토마스크(130)를 통과한 UV광에 의해 제1패턴(P1)으로 노광처리된다(도 1(b) 참조).

본 실시예에서 제1포토레지스트(PR)가 네거티브 포토레지스트(PR)인 경우에, 제1포토레지스트는 UV광에 노광된 부분이 불가용성으로 변형되면서 제1패턴(P1)을 형성한다. UV광에 노광되지 않은 부분은 후술할 S50단계에서 현상액 도포시 제거되는 부분이다.

제1패턴(P1)은 제1포토마스크의 개구로 형성된 패턴이다. 개구는 UV광이 통과되는 부분이다. 개구의 직경은 요구되는 렌즈의 직경에 따라 가변된다. 본 발명은 제1포토마스크에 마련된 개구 간의 간격조절을 통해, 복수의 렌즈들간의 간격조절이 가능하다.

싱글층에 제1패턴(P1)이 형성되면, 싱글층에 대한 가열공정이 수행된다(도 1(c) 참조). 가열공정은 제1패턴(P1)을 단단하게 만들어 패턴의 정확도를 높이기 위해 수행된다.

다초점 마이크로렌즈(100)의 제작시, 제1포토레지스트(PR)의 두께는 코팅 후 소부처리공정에서 두께가 수축되는 것까지 고려하여, S10 단계가 진행되는 것이 바람직하다.

도 1(d)를 참조하면, 제1포토레지스트(PR) 상으로, 제2포토레지스트(PR)가 도포되어 코팅되고, 제2포토레지스트(PR)가 소부처리(Soft bake)된다(S30).

제2포토레지스트(PR)는 상술한 제1포토레지스트(PR)와 동일한 물질이 사용될 수 있고, 또는 서로 다른 물질이 사용될 수도 있다. 서로 다른 물질이 갖는 표면에너지(surface energy), 열팽창(thermal expansion)등 물질 특성이 다르기 때문에, 본 발명은 서로 다른 물질의 포토레지스트(PR)를 사용하여 마이크로렌즈의 형태, 굴절률, 파장 특성, 편광 특성 등을 다양하게 제작가능하다.

S30 단계는 상술한 S10단계와 동일한 방식으로 진행된다. 다만, S30단계에서, 제2포토레지스트(PR)의 두께(h2)는 S10단계의 제1포토레지스트(PR)의 두께(h1)와 다르게 조절가능하다.

도 1(e) 및 도 1(f)를 참조하면, 제2패턴(P2)을 가진 제2포토마스크(140)를 통과한 UV광에 의해, 제2포토레지스트(PR)가 노광처리되어, 제2포토레지스트(PR) 상에 제2패턴(P2)이 제1패턴(P1)의 일부에만 중첩되게 마련된다(S40). S40단계는 상술한 S20단계와 동일한 방식으로 진행된다.

제2패턴(P2)은 제2포토마스크(140)에 개구를 형성하여 마련된 패턴으로, 웨이퍼의 더블층에 마이크로포스트 어레이를 형성하기 위한 패턴이다. 여기서, 더블층(double layer)은 제2포토레지스트에 의해 형성된 층으로서, 싱글층의 상부에 적층된 구조를 가진다. 즉, 더블층은 두번째 포토레지스트층이다.

제2패턴(P2)에 마련된 개구 크기, 개구 간격 및 개구 배열은 제1패턴(P1)과 동일하다. 다만, 제2패턴(P2)은 제2패턴(P2)의 개구가 제1패턴(P1)의 개구 중 일부와 중첩되고, 제2패턴(P2)의 나머지 부분이 제1패턴(P1)의 개구와 중첩되지 않게 마련된다.

제2포토마스크(140)를 통해 제2포토레지스트(PR)를 노광처리하는 경우, 도 1(e)에 도시된 바와 같이, 노광처리된 부분은 제1패턴(P1)에 의해 형성된 마이크로포스트(POST3)에 적층되게 마련된다.

후술할 S50단계를 거치면선, 제2패턴(P2)에 의해 형성된 마이크로포스트(POST2)는 더블층의 두께(h2)만큼, 제1패턴(P1)에 의한 마이크로포스트(POST3)와 단차지게 형성된다.

즉, 제2포토레지스트(PR)가 제2포토마스크(140)에 의해 노광처리된 부분의 마이크로포스트(POST2)의 두께는 제1포토레지스트(PR)의 두께(h1)와 제2포토레지스트(PR)의 두께(h2)가 합한 값이다. 이에 반해, 노광처리되지 않은 부분은 제2포토레지스트 상태를 유지한다.

원하는 다초점 마이크로렌즈를 제작하기 까지, 상기 S40-1단계와 상기 S40-2 단계가 반복된다.

도 1(g)를 참조하면, 제2포토레지스트(PR) 상으로, 포토레지스트(PR)가 도포되어 코팅되고, 포토레지스트(PR)가 소부처리(Soft bake)되는 단계가 진행된다(S40-1). S40-1단계에서, 포토레지스트(PR)는 제1포토레지스트(PR) 및 제2포토레지스트(PR)와 동일한 물질 또는 상이한 물질이 사용가능하다.

이어서, 도 1(h)를 참조하면, 제3포토마스크(150)를 통과한 UV광에 포노레지스트가 노출되어, 포토레지스트(PR)에 N패턴이 형성된다(S40-2단계).

여기서, N패턴은 웨이퍼의 상부로 적층된 N번째 포토레지스트층에서, N번째 포토리소그래피를 진행하기 위한 패턴을 지칭한다. N패턴은 N-1패턴과 비교하여, N-1패턴의 개구와 중첩되는 개구의 수가 적어지는 패턴을 통칭한다.

예컨대, N패턴은 3번째 포토리소그래피가 진행되면 제3패턴(P3)이고, 이때, 제3패턴(P3)은 제3패턴(P3)의 개구가 제2패턴(P2)의 개구 중 일부와 중첩되고, 제3패턴(P3)의 나머지 부분이 제2패턴(P2)의 개구와 중첩되지 않게 마련된다.

S40-1단계와 상기 S40-2단계의 반복 진행 횟수에 따라, 복수의 마이크로포스트는 싱글층의 두께, 더블층의 두께 내지 N번째층의 두께만큼 다단으로 단차지게 마련되고, S60단계의 열적 리플로우를 통해 서로 다른 두께 및 곡률를 가진 복수의 렌즈로 제작된다. 이러한 과정을 통해, 본 발명인 다초점 마이크로렌즈는 N개의 서로 다른 초점거리를 가지는 렌즈어레이를 형성한다.

상기와 같은 과정을 통해 요구되는 다초점 마이크로렌즈를 제작되기 위한 렌즈의 두께에 부합하면, S50단계와 S60단계가 최종적으로 진행된다.

도 1(i)를 참조하면, 현상액이 웨이퍼(110)의 일면으로 도포되어, 제1패턴(P1) 내지 제3패턴(P3)이 외부로 노출되게 현상처리된다(S50).

제1패턴(P1), 제2패턴(P2)과 제3패턴(P3)은 노광공정 및 가열공정을 통해 단단해진 상태로 현상액에 의해 제거되지 않는다. 현상액에 의해 제거되는 부분은 노광처리되지 않은 포토레지스트(PR)이다. 즉, 웨이퍼(110) 상에서 제1패턴(P1) 내지 제3패턴(P3)을 제외한 나머지 부분이 제거된다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 웨이퍼(110) 상에 마련된 마이크로포스트에 대해 제1마이크로포스트(POST1) 내지 제3마이크로포스트(POST3)로 구분지어 지칭한다.

제1마이크로포스트(POST1)는 트리플 포토리소그래피에 의해 형성된다. 제1마이크로포스트(POST1)는 제1패턴(P1), 제2패턴(P2) 및 제3패턴(P3)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 제1마이크로포스트(POST1)의 두께는 제1포토레지스트(PR)의 두께(h1), 제2포토레지스트(PR)의 두께(h2)와 세 번째로 도포된 포토레지스트(PR)의 두께(h3)의 합이다.

제2마이크로포스트(POST2)는 더블 포토리소그래피에 의해 형성된다. 제2마이크로포스트(POST2)는 제1패턴(P1)에 제2패턴(P2)이 적층되어 형성된다. 제2마이크로포스트(POST2)의 두께는 제1포토레지스트(PR)의 두께(h1)와 제2포토레지스트(PR)의 두께(h2)의 합이다.

제3마이크로포스트(POST3)는 싱글 포토리소그래피에 의해 형성된다. 제3마이크로포스트(POST3)는 제1패턴(P1)에 의해서 형성된다. 제1마이크로포스트(POST1)의 두께는 제1포토레지스트(PR)의 두께(h1)이다.

각각의 마이크로포스트(POST1, POST2, POST3)는 웨이퍼의 일면 상에서 이격 배열되게 마련된다. 각각의 마이크로포스트(POST1, POST2, POST3)는 동일한 직경을 가지되, 서로 다른 두께(h1, h1+h2, h1+h2+h3)을 가지게 제작가능하다. 다층의 마이크로포스트의 다단 층수 조절은 상기 S40-1단계와 S40-2단계를 반복함에 따라 마이크로포스트 간의 층수 조절이 가능하다.

본 실시예에서는 트리플 포토리소그래피를 진행한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 요구되는 렌즈의 사양에 따라 포토리소그래피를 반복 진행하여 마이크로포스트들 간의 두께 조절이 가능하다.

도 2에는 동일한 직경을 가지되, 서로 다른 두께를 가진 복수의 마이크로포스트에 대한 사진이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 상술한 과정을 통해 마이크로포스트 간의 간격 및 두께가 서로 상이하게 제작가능함을 알 수 있다.

상기와 같은 방식으로, 본 발명은 N개의 패턴과 N번의 포토리소그래피를 통해, 동일한 직경을 가지되, 서로 다른 두께를 가지는 다층의 마이크로포스트를 제작가능하다. 다층의 마이크로포스트는 다초점 마이크로렌즈를 제작하기 위한 전제작업이다.

다초점 마이크로렌즈(100)는 다층의 마이크로포스트에 대한 열적 리플로우(thermal reflow)를 통해 형성된다(S60, 도1(j) 참조). S60 단계에서, 열적 리플로우는 100℃ 내지 150 ℃ 사이에서 온도에서 수행된다. S60 단계를 통해, 각각의 마이크로포스트는 곡률을 가진 렌즈형태로 제작된다. 각각의 렌즈의 두께는 마이크로포트스트의 두께에 따라 서로 다르게 제작된다. 도 3에는 열적 리플로우 처리를 통해, 다른 곡률을 갖는 다초점 마이크로렌즈(100)에 대한 사진이다.

복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률을 가져, 서로 다른 초점거리(f1, f2, f3)를 형성한다.

상술한 방법에 의해, 복수의 렌즈는 렌즈의 두께가 0.1㎛ 내지 250㎛ 범위 내에서 제작가능하다. 그리고, 복수의 렌즈는 렌즈의 직경이 10㎛ 내지 500㎛ 범위 내이면, 렌즈의 F값(F=초점거리/직경)이 0.5 내지 8의 범위 내에서 제작가능하다.

여기서 렌즈의 F값은 카메라 렌즈의 밝기(빛을 통과시키는 양)을 나타내는 범위이다. 렌즈의 직경이 동일한 경우에, 렌즈의 F값이 커지면 초점거리가 길어지고, F값이 작아지면 초점거리가 짧아진다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 다초점 마이크로렌즈에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 4에는 웨이퍼(110) 상에 서로 다른 두께를 가진 세 개의 렌즈가 존재한다.

도 4를 참조하면, 웨이퍼(110)가 물체(object)에 대해 수평하게 위치된 것을 전제로, 렌즈의 두께에 따라 초점거리가 가변됨을 알 수 있다. 렌즈의 두께가 두꺼울수록 초점거리가 짧아지고, 렌즈의 두께가 얇을수록 초점거리가 길어짐을 알 수 있다.

설명의 편의를 기준으로 상하 방향으로, 렌즈의 두께가 제일 두꺼운 렌즈에 대해 제1렌즈(R1), 중간 두께의 렌즈에 대해 제2렌즈(R2), 렌즈의 두께가 얇은 두꺼운 렌즈에 대해 제3렌즈(R3)로 지칭한다.

도 5는 200㎛ 직경을 가지는 다초점 마이크로렌즈의 초점거리별 획득영상이다. 도 5(a)는 초점거리 249㎛(F=1.2)에서 획득된 영상으로, 선명하게 보이는 부분은 제1렌즈(R1)에 의해 획득된 부분이다. 도 5(b)는 초점거리 310㎛(F=1.5)에서 회득된 영상으로서, 선명하게 보이는 부분은 제2렌즈(R2)에 의해 획득된 부분이다. 도 5(c)는 초점거리 460㎛(F=2.3)에에서 획득된 영상으로서, 선명하게 보이는 부분은 제3렌즈(R3)에 의해 획득된 부분이다.

본 발명에 따른 다초점 마이크로렌즈(100)는 동일한 직경을 가지고 다른 초점거리를 가져, 한 개의 마이크로렌즈의 배열(R1, R2, R3)에서 다양한 초점 영상 및 확대된 피사계 심도(DoF)를 가진다.

다초점 마이크로렌즈(100)의 렌즈 특성(곡률, 두께, 초점거리, F값)은 수치 계산을 통해 정밀하게 조절가능하다. 수치계산의 정밀도를 향상시키는 데이터에 대해 살펴보면 다음과 같다.

우선, 도 6 및 도7을 참조하여, 다층 포토리소그래피 과정에서의 포토레지스트(PR) 및 마이크로포스트의 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 6은 다층 포토리소그래피 과정에서 각각의 마이크로포스트의 두께 변화에 대한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 싱글 포토리소그래피를 거친 제1마이크로포스트와, 더블 포토리소그래피를 거친 제1마이크로포스트를 비교하면, 소부처리공정을 통해 제1마이크로포스트의 두께가 대략 23% 줄어듦을 알 수 있다. 도 6의 그래프는 DNR-L4615이 포토레지스트로 사용된 경우에 산출된 결과값이다. 포토레지스트(DNR-L4615) 의 경우 23%이지만, 일반적인 포토레지스트의 수축정도는 포토레지스트에 따라 다르므로, 렌즈 제작시 포토레지스트의 종류에 따라 소부처리공정시의 수축량이 다르게 적용되어야함은 물론이다.

또한, 더블 포토리소그래피를 거친 제2마이크로포스트와, 트리플 포토리소그래피를 거친 제2마이크로포스트를 비교하면, 소부처리공정을 통해 제2마이크로포스트의 두께가 대략 23% 줄어듦을 알 수 있다.

도 7은 웨이퍼(110)의 회전속도에 따른, 웨이퍼(110) 위의 포토레지스트(DNR)의 두께와, 포토레지스트(PR) 위에 다층도포한 포토레지스트(PR)의 두께의 변화에 대한 그래프이다. 여기서, DNR은 포토레지스트로 사용되는 물질의 상표명이다.

도 7을 참조하여, 웨이퍼(110) 상에 코팅된 포토레지스트(DNR)의 두께와, 포토레지스트필름(DNR필름)에 코팅된 포토레지스(DNR)의 두께를 비교하면, 동일 조건에서, 포토레지스트필름에 코팅된 포토레지스트(DNR)의 두께는 웨이퍼(110) 상에 코팅된 포토레지스트(DNR)의 두께보다 1.56배 큰 것으로 나타난다.

이는, 웨이퍼(110)의 스핀 코팅시, 웨이퍼(110)와 포토레지스트 간의 표면 에너지(surface energy)와, 포토레지스트필름과 포토레지스트필름 간의 표면 에너지의 차이에 의해 생기는 현상이다. 1.56배라는 수치는 각rpm 마다 측정한 웨이퍼(110)-포토레지스트층(glass-DNR)의 두께와, 포토레지스트필름-포토레지스트층(DNR필름-DNR)의 두께가 증가하는 수치의 평균값이다.

도 7의 그래프를 참조하면, 레지스트 두께(resist thickness)는 싱글 포토리소그래피(single photolithography)에서 1,000rpm 으로 스핀코팅되고, 더블 포토리소그래피(double photolithography) 및 트리플 포토리소그래피(triple photolithography)에서 6,000rpm으로 스핀코팅을 통해 형성된 두께이다.

포토레지스트(PR)가 웨이퍼(110)상에 1,000rpm으로 스핀 코팅되면 12㎛가 코팅되고, 6,000rpm으로 스핀코팅되면 4㎛가 코팅됨을 알 수 있다. 포토레지스트(PR)가 포토레지스필름 상에 6,000rpm으로 스핀코팅되면 대략 6.24㎛가 코팅된다. 6.24㎛는 4㎛의 1.56배이다.

이를 도 6의 마이크로포스크의 두께에 적용하면, 싱글 포토리소그래피(single photolithography)에서 12㎛ 두께를 형성하고, 더블 포토리소그래피(double photolithography)에는 18.24㎛의 두께를 형성한다. 18.24㎛는 싱글 포토리소그래피에서의 마이크로포스트의 두께(12㎛)에 6,000rpm으로 스핀코팅된 6.24㎛(=4㎛*1.56)의 두께의 합이다. 트리플 포토리소그래피(triple photolithography)는 싱글 포토리소그래피로 형성된 두께 12㎛에 6000rpm으로 코팅된 두께인 6.24㎛를 두 번 합한 값인 24.48㎛(=12+(4*1.56)+(4*1.56))이다.

다음으로 도 8 및 도 9를 참조하여, 다층 마이크로포스트의 열적 리플로우를 통한 마이크로렌즈 제작시의 두께 변화에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 8은 마이크로렌즈의 직경( microlens diameter)의 변화에 따른 레지스트 두께(resist thickness)의 변화에 대한 그래프이다. 도 9는 마이크로렌즈의 두께(microlens thickness)의 변화에 따른 렌즈곡률(lens curvature) 변화 그래프이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 마이크로포스트를 열적 리플로우하여 마이크로렌즈를 제작한 경우, 측정값(measurement)과 산출값(calculation)이 매우 유사함을 알 수 있다. 이를 통해, 렌즈의 직경에 다라 마이크로포스트의 두께를 조절하여, 특정한 렌즈 변수(예컨대, 렌즈 곡률, 초점거리, F값)을 가지는 마이크로렌즈가 제작가능함이 도출된다.

도 10 및 도 11을 참조하여, 다초점 마이크로렌즈의 광특성 평가를 살펴보면 다음과 같다. 도 10(a)는 다초점 마이크로렌즈(100)의 윗면에 대한 CLSM(Confocal Laser Scanning Microscope) 이미지이고, 도 10(b)는 다초점 마이크로렌즈(100)의 측면에 대한 CLSM 이미지이다. 도 10의 마이크로렌즈는 직경 120㎛이고, f1 = 178㎛, f2 = 130㎛, f3 = 113㎛이다. 도 10을 참고하면, 초점거리가 113㎛으로 가장 짧은 렌즈는 초점거리가 긴 다른 렌즈(f2 = 130㎛, f3 = 113㎛)와 비교하여 광특성이 가장 밝게 나타남을 알 수 있다. 즉, 도 10의 이미지로부터 초점거리가 짧을수록 광특성이 우수함이 도출된다.

도 11은 마이크로렌즈의 직경(microlens diameter)의 변화에 따른 초점거리(focal length)의 변화에 대한 그래프이다.

도 11의 그래프로부터, 마이크로렌즈의 직경이 커질수록 초점거리가 길어짐을 알 수 있다. 또한, 동일한 직경인 경우에, 렌즈의 두께가 가장 얇은 첫 번째 렌즈의 초점거리가 가장길고, 렌즈의 두께가 가장 두꺼운 세 번째 렌즈의 초점거리가 가장 짧아짐을 알 수 있다. 상술한 과정을 통해 제작된 다초점 마이크로렌즈(100)는, 마이크로렌즈의 직경에 따른 렌즈의 초점거리 변화에 대한 산출값(calculation)이 측정값(measurement)과 유사하게 산출됨을 알 수 있다.

본 발명은 다층 포토리소그래피(multiple photolithography) 및 열적 리플로우를 통해, 단일 포토레지스트 기반으로 두께 조절이 가능한 다층 마이크로포스트의 제작이 가능하며, 다초점 마이크로렌즈(100)의 초점거리와 F값을 포함한 렌즈 변수들을 자유롭게 조절할 수 있다.

본 발명은 기존에 제작이 어려운 단일 구조를 갖는 다층 마이크로포스트 및 다초점 마이크로렌즈(100)를, 추가적인 구조 또는 물질을 사용하지 않고 단일 물질기반으로 다층의 마이크로포스트를 대면적으로 제작가능하고, 열적 리플로우 처리를 통해 다층의 마이크로포스트로부터 다초점 마이크로렌즈(100)를 제작할 수 있다.

본 발명인 다초점 마이크로렌즈(100)는 한 개의 마이크로렌즈 배열에서 서로 다른 광흡수효율을 가진 이미지센서 개발에 적용가능하다. 본 발명에 따른 다초점 마이크로렌즈(100)가 적용된 이미지센서는 다른 초점거리에 따라 서로 다른 마이크로이미지를 획득할 수 있다.

본 발명의 다초점 마이크로렌즈(100)는 서로 다른 파사계심도를 가져, 카메라 렌즈로 사용시 3D 깊이 추정에서의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다초점 마이크로렌즈(100)는 카메라 렌즈로 사용시, 다른 피사계심도를 중첩하여 확장된 파사계심도를 갖는 영상을 획득할 수 있다.

본 발명은 CMOS, CCD 어레이, 디지털 프로젝터, 현미경, 3D 이미징 카메라 등에 적용가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 다초점 마이크로렌즈 110: 웨이퍼
130: 제1포토마스크 140: 제2포토마스크
150: 제3포토마스크

Claims (11)

1. 일면이 평평한 웨이퍼; 및
   상기 웨이퍼의 일면으로 돌출되어 형성되되, 일정 간격으로 병렬 배열된 복수의 렌즈를 포함하되,
   상기 복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률을 가져, 서로 다른 초점거리를 형성하는 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 렌즈는 렌즈의 직경이 10㎛ 내지 500㎛ 범위 내이고, 렌즈의 F값(F=초점거리/직경)이 0.5 내지 8의 범위 내에서, 서로 다른 두께로 제작가능한 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 렌즈는 렌즈의 두께가 0.1㎛ 내지 250㎛ 범위 내인 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈.
4. S10) 웨이퍼의 일면에 제1포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 상기 제1포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어, 상기 웨이퍼 상에 싱글층(single layer)이 형성되는 단계;
   S20) 제1패턴을 가진 제1포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 상기 싱글층이 상기 제1패턴으로 노광처리되어, 상기 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 상기 싱글층에 형성되는 단계;
   S30) 상기 싱글층으로 제2포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 상기 제2포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어 더블층(double layer)이 형성되는 단계;
   S40) 제2패턴을 가진 제2포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 상기 더블층이 상기 제1패턴 중 일부와 중첩되는 패턴인 상기 제2패턴으로 노광처리되어, 상기 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이가 상기 더블층에 형성되는 단계;
   S50) 상기 웨이퍼의 일면으로 현상액이 도포되고, 상기 현상액에 의해 상기 제1패턴과 상기 제2패턴을 제외한 부분에서 상기 제1포토레지스트와 상기 제2포토레지스트가 제거되면서, 상기 더블층의 두께만큼 단차지게 서로 다른 두께를 가진 복수의 마이크로포스트가 상기 웨이퍼의 일면에 마련되는 단계; 및
   S60) 상기 복수의 마이크로포스트에 대한 열적 리플로우(thermal reflow)을 통해, 상기 복수의 마이크로포스트가 서로 다른 두께와 곡률을 가진 복수의 렌즈로 형성되는 단계를 포함하여,
   상기 S50단계에서, 상기 복수의 마이크로포스트는 상기 제1패턴에 의한 마이크로포스트 어레이와 상기 제2패턴에 의한 마이크로포스트 어레이를 형성하고,
   상기 S60단계에서, 상기 복수의 렌즈는 동일 직경을 가지되, 서로 다른 두께와 곡률로, 서로 다른 초점거리를 가진 렌즈 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 S50 단계 전에,
   S40-1) 상기 제2포토레지스트 상으로, 포토레지스트가 도포되어 코팅되고, 상기 포토레지스트가 소부처리(Soft bake)되어, 상기 웨이퍼 상에 N번째 층(N layer)이 형성되는 단계; 및
   S40-2) N패턴을 가진 포토마스크를 통과한 UV광에 의해, 상기 N번째 층이 상기 N패턴으로 노광처리되는 단계를 더 포함하고,
   상기 N패턴은 상기 포토레지스트에 의해 상기 N번째 층에 마이크포스트어레이를 형성하기 위한 패턴인 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 S40-1단계와 상기 S40-2단계의 반복 진행 횟수에 따라,
   상기 복수의 마이크로포스트는 상기 싱글층의 두께, 상기 더블층의 두께 내지 상기 N번째층의 두께만큼 다단으로 단차지게 마련되고, 상기 S60단계의 열적 리플로우를 통해 서로 다른 두께 및 곡률를 가진 복수의 렌즈로 제작되고,
   상기 복수의 렌즈는 N개의 서로 다른 초점거리를 가지는 렌즈어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 복수의 렌즈는 상기 렌즈의 두께가 0.1㎛ 내지 250㎛ 범위 내인 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 복수의 렌즈는 렌즈의 직경이 10㎛ 내지 500㎛ 범위 내이고, 렌즈의 F값(F=초점거리/직경)이 0.5 내지 8의 범위 내에서, 서로 다른 두께로 제작가능한 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 S60 단계에서, 상기 열적 리플로우는 100℃ 내지 150 ℃ 사이에서 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1포토레지스트, 상기 제2포토레지스트 및 상기 N번째 층에 도포되는 포토레지스트는, 상기 S60단계에서 열적 리플로우를 통해 렌즈 성형이 가능한 열가소성(thermoplastic)을 가진 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1포토레지스트, 상기 제2포토레지스트 및 상기 N번째 층에 도포되는 포토레지스트는,
    페놀포름알데히드(phenolformaldehyde), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리올레핀(polyolefine), 셀룰로오스아세테이트 부티레이트(Cellulose Acetate Butyrate) 또는 폴리스티렌(polystyrene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다초점 마이크로렌즈의 제조방법.
    

Images