KR100456015B1 - Method for manufacturing a structure by using light source of high energy - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법에 관한 것으로, 특히 고에너지 광원으로 방사광 가속기의 X-선 또는 레이저를 이용하여 초소형 구조물인 마이크로렌즈 구조물을 제조할 수 있는 방법에 대해 개시한다. 본 발명의 X-선을 이용한 마이크로렌즈 제조 방법은 감광재에 마이크로렌즈 패턴을 정의하는 X-선 마스크를 이용하여 X-선으로 노광 공정을 진행하고, 열처리를 실시하여 X-선에 의해 노광된 감광재만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 변형시켜 마이크로렌즈를 제조한다. 그러므로, 본 발명은 종래 기술에 비해 X-선 노광 공정을 1번으로 단축할 수 있고 현상 공정을 생략할 수 있어 전체 제조 공정의 수를 줄일 수 있다. 게다가, 본 발명은 마이크로렌즈용 금형틀을 이용한 사출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시하여 동일한 형태를 갖는 마이크로렌즈를 여러 개 제작할 수도 있기 때문에 마이크로렌즈의 대량 생산이 가능하다. 또한 본 발명은 고에너지 광원으로서 레이저를 사용할 경우 마이크로렌즈가 형성될 예정 영역의 감광재에 레이저 광원을 맞추고 레이저 빔을 조사함으로써 노광 공정을 실시하고 열처리로 노광된 감광재 표면을 녹여 마이크로렌즈를 형성할 수 있어 노광 공정시 마스크를 생략할 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a structure using a high energy light source, and more particularly, to a method for manufacturing a microlens structure, which is an ultra-small structure, using an X-ray or a laser of a radiation accelerator as a high energy light source. In the method of manufacturing a microlens using the X-ray of the present invention, an X-ray exposure process is performed using an X-ray mask defining a microlens pattern on a photosensitive material, and heat treatment is performed to expose the X-ray. Only the photosensitive material is melted and deformed on the surface of the non-exposed portion selectively to prepare a microlens. Therefore, the present invention can shorten the X-ray exposure process to one time and the development process can be omitted compared to the prior art, thereby reducing the total number of manufacturing processes. In addition, the present invention can be produced by the injection molding or hot embossing process using a mold for microlenses to produce a plurality of microlenses having the same shape, so that mass production of microlenses is possible. In the present invention, when the laser is used as a high energy light source, an exposure process is performed by matching a laser light source to a photosensitive material in a region where a microlens is to be formed and irradiating a laser beam, and melting the surface of the photosensitive material exposed by heat treatment to form a microlens. The mask can be omitted in the exposure step.

Description

고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A STRUCTURE BY USING LIGHT SOURCE OF HIGH ENERGY}METHODS FOR MANUFACTURING A STRUCTURE BY USING LIGHT SOURCE OF HIGH ENERGY}

본 발명은 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법에 관한 것으로서, 특히 방사광 가속기의 싱크로트론 방사광(Synchrotron Radiation: 이하 방사광이라 함) 등의 고에너지 광원을 이용하여 마이크로렌즈뿐만 아니라 소정의 패턴을 갖는 구조물을 용이하게 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a structure using a high energy light source, and in particular, a structure having a predetermined pattern as well as a microlens can be easily used by using a high energy light source such as synchrotron radiation of a radiation accelerator. It relates to a technology that can be manufactured easily.

지금 방사광을 이용한 첨단과학 기술의 개발연구가 괄목할만한 성과를 쌓아가고 있다. 방사광을 이용한 응용연구로서는 이미 알려져 있는 X-선 사진 기술(X-ray lithography)을 이용한 반도체 개발에 응용을 시작으로 최근에 주목을 받고있는 연구분야로서 LIGA(LIthographie, Galvanoformung, Abformung)공정을 이용한 마이크로머시닝(Micromachining)이다.Nowadays, research and development of advanced science and technology using radiant light have made remarkable achievements. As an applied research using radiant light, the research field has been recently attracting attention since the application to the development of semiconductors using X-ray lithography, which is already known, and the microcomputer using LIGA (LIthographie, Galvanoformung, Abformung) process. Micromachining.

LIGA 공정이란 독일 칼수루에(Kalsruhe) 원자핵연구소에서 우라늄 동위원소를 분리하기 위해 슬롯 노즐(Slot nozzle)을 제작하는 과정에서 처음으로 개발되었던 공정으로 방사광을 이용해 상대적으로 두꺼운 X-ray 감광재에 필요한 패턴을 노광, 현상한 후 도금, 몰딩을 통해 3차원 구조체를 제작할 수 있다.The LIGA process was developed for the first time in the manufacture of slot nozzles for the separation of uranium isotopes at the Kasruhe Atomic Nuclear Research Institute in Germany. After the pattern is exposed and developed, a three-dimensional structure may be manufactured by plating and molding.

싱크론트론 방사광은 강도가 기존의 광원보다 적어도 수만배 이상의 강한 펄스광원이며, 평행성이 매우 좋아 퍼짐이 아주 작고, 연속 에너지 스펙트럼을 가지고 있고, 고진공에서 방생하는 아주 깨끗함 광원이라는 탁월한 특성을 가지고 있다. 따라서 기존의 광원에 비해 노광시간을 극단적으로 줄일 수 있고, 퍼짐이 매우 작아 높은 고폭비의 구조의 실현이 가능하다. 또한, 임의의 파장역을 선택함으로써 마스크의 자유도를 증가시킬 수가 있어, LIGA공정에 최적의 X-선 광원이라고 할 수 있다.Synchtrontron radiant light is a pulsed light source that is at least tens of thousands times stronger than a conventional light source, has very good parallelism, has a very small spread, has a continuous energy spectrum, and has a very clean light source generated in high vacuum. . Therefore, the exposure time can be extremely reduced compared to the conventional light source, and the spreading is very small, thereby realizing a high width ratio structure. In addition, by selecting an arbitrary wavelength range, the degree of freedom of the mask can be increased, and it can be said to be an X-ray light source that is optimal for LIGA process.

한편, LIGA 공정은 이미 마이크로렌즈의 기술 분야에도 적용되고 있다. 마이크로렌즈는 광학 시스템에서 매우 중요한 구성요소로써 원하는 광학적 성질을 가질 수 있도록 그 형상을 제어하는 것이 필요하다.On the other hand, the LIGA process has already been applied to the technical field of microlenses. Microlenses are a very important component in optical systems and need to control their shape to have the desired optical properties.

이에 대한 기술은 예를 들어, N. Moldovan에 의해 1997년에 IEEE, 149∼152페이지에 발표된 논문 "LIGA AND ALTERNATIVE TECHNIQUE FOR MICROOPTICAL COMPONENTS"에 게재되어 있다. 이러한 X-선 사진식각공정 이용한 PMMA 패터닝으로 마이크로렌즈를 제조하는 기법이 도 1에 도시되어 있다.The technique is described, for example, in N. Moldovan in the article "LIGA AND ALTERNATIVE TECHNIQUE FOR MICROOPTICAL COMPONENTS" published in 1997, pages 149-152. A technique for manufacturing a microlens by PMMA patterning using the X-ray photolithography process is shown in FIG. 1.

먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 위에 감광재로 PMMA(Poly-Methyl MethAcrylate)(12)을 도포하고 X-선 마스크(14)를 이용한 X-선 노광 공정을 실시한다. 감광재로써 PMMA를 사용하는 이유는 PMMA 물질로 제작된 렌즈가 종래 플라스틱 렌즈에 비해 투명도가 약 90% 크고 다른 광학 특성도 유리에 매우 가깝기 때문이다.First, as shown in FIG. 1A, a poly-methyl methacrylate (PMMA) 12 is coated on the substrate 10 as a photosensitive material, and an X-ray exposure process using the X-ray mask 14 is performed. The reason for using PMMA as a photosensitive material is that lenses made of PMMA material are about 90% more transparent than conventional plastic lenses, and other optical properties are very close to glass.

도 1b에 도시된 바와 같이, 현상(develope) 공정으로 X-선이 노광된 PMMA 부분을 제거하여 실린더형 패턴(16)을 만든다.As shown in FIG. 1B, a cylindrical pattern 16 is formed by removing the PMMA portion exposed to X-rays by a development process.

도 1c에 도시된 바와 같이, 필터 멤브레인(filter membrane: 미도시됨)을 이용하여 실린더형 패턴(16) 전체에 X-선을 쪼여준다. 여기서 도면 부호 16a는 X-선 노광된 실린더형 패턴을 나타낸 것이다.As shown in FIG. 1C, an X-ray is split through the cylindrical pattern 16 using a filter membrane (not shown). Here, reference numeral 16a denotes a cylindrical pattern exposed to X-rays.

그리고나서 도 1d에 도시된 바와 같이, 노광 시편인 실린더형 패턴(16a)을 소정 온도로 열처리하면 Tg(glass transition temperature)가 낮은 실린더형 패턴(16a)의 PMMA 상부가 녹아 변형을 일으키고 표면 장력에 의해 반구형인 마이크로렌즈(16b)가 제작된다. 이때, 렌즈의 직경은 열처리전의 실린더 지름에 의해 결정되며, 렌즈의 높이는 열처리전의 실린더 직경과 높이 및 열처리 온도에 의해 조절된다.Then, as illustrated in FIG. 1d, the exposure sample which when heat-treating a cylindrical pattern (16a) to a predetermined temperature T g (glass transition temperature) is causing the PMMA upper melting deformation of the lower cylindrical pattern (16a) surface tension By this, a hemispherical microlens 16b is produced. At this time, the diameter of the lens is determined by the cylinder diameter before the heat treatment, the height of the lens is adjusted by the cylinder diameter and height before the heat treatment and the heat treatment temperature.

그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 마이크로렌즈뿐만 아니라 이외 다른 구조물의 제조방법은 대개 2차의 X-선 노광 공정과 별도의 현상 공정이 요구되므로 제조 공정이 다소 복잡하다는 단점이 있었다.However, the manufacturing method of other structures as well as the microlenses according to the prior art has a disadvantage in that the manufacturing process is somewhat complicated because a second development process and a separate development process are required.

본 발명의 목적은 종래 기술의 복잡한 공정상의 문제점을 해결하기 위하여 X선 등의 고에너지 광원을 이용한 1번의 노광 공정과 열처리로 간단하게 마이크로렌즈 뿐만 아니라 소정의 형태를 갖는 초소형 구조물을 손쉽게 제조할 수 있는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to easily manufacture a microstructure having a predetermined shape as well as a microlens by a single exposure process and heat treatment using a high-energy light source such as X-ray to solve the complicated process problems of the prior art. To provide a method for manufacturing a structure using a high energy light source.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 구조물의 패턴을 정의하는 마스크를 이용하여 X-선 광원으로 감광재를 노광하는 단계와, 감광재에 열처리를 실시하여 X-선 광원에 의해 노광된 감광재만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 제조한다.In order to achieve the above object, the method of the present invention includes exposing the photosensitive material to the X-ray light source using a mask defining a pattern of the structure, and performing heat treatment on the photosensitive material to expose the photosensitive material to the X-ray light source. Only the ash is selectively melted on the unexposed portion to produce a structure having the desired pattern.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 방법은 구조물이 형성될 예정 영역의 감광재에 레이저 광원을 맞추고 노광하는 단계와, 감광재에 열처리를 실시하여 레이저에 의해 노광된 감광재만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, another method of the present invention provides a non-exposed portion of only a photosensitive material exposed by a laser by subjecting and exposing a laser light source to a photosensitive material in a region where a structure is to be formed, and performing heat treatment on the photosensitive material. Optionally melting the surface to produce a structure having a predetermined pattern.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 X-선을 이용한 마이크로렌즈 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도,1A to 1D are process flowcharts sequentially illustrating a microlens manufacturing process using X-rays according to the prior art;

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 X-선을 이용한 마이크로렌즈 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도,2A and 2B are process flowcharts sequentially illustrating a microlens manufacturing process using X-rays according to one embodiment of the present invention;

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로렌즈를 사출 성형 공정으로 다시 제작하는 방법을 나타낸 공정 순서도,3a to 3c is a process flowchart showing a method for remanufacturing a microlens manufactured according to an embodiment of the present invention by an injection molding process,

도 4는 본 발명의 일 실시예와 사출 성형 공정에 의해 제조된 마이크로렌즈의 구조를 나타낸 도면,4 is a view showing the structure of a microlens manufactured by an embodiment of the present invention and an injection molding process;

도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 마이크로렌즈용 X-선 마스크의 제조 공정을 나타낸 일 실시예의 공정 순서도,5A to 5F are process flowcharts of an embodiment showing a manufacturing process of an X-ray mask for a microlens according to the present invention;

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 레이저를 이용한 마이크로렌즈 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.6A and 6B are process flowcharts sequentially illustrating a microlens manufacturing process using a laser according to another embodiment of the present invention.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

1 : 마이크로렌즈용 X-선 마스크 2 : 금형틀1: X-ray mask for microlens 2: Mold frame

100 : SOI 웨이퍼 기판 100a, 100b : 실리콘층100: SOI wafer substrate 100a, 100b: silicon layer

102, 104, 106 : 산화막 110 : 금속층102, 104, 106: Oxide film 110: Metal layer

112 : 감광막 패턴 114 : X-선 흡수막112: photosensitive film pattern 114: X-ray absorption film

116 : 감광재 118 : 노광된 감광재116: photosensitive material 118: exposed photosensitive material

118a : 마이크로렌즈 200 : 티타늄(Ti) 금속층118a: microlens 200: titanium (Ti) metal layer

201 : 전기도금된 Ni 도금층201: Electroplated Ni Plating Layer

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예는 고에너지 광원의 대표적인 X-선을 이용하여 초소형 구조물인 마이크로렌즈를 제작하는 공정을 예로 든다. 이때, 마이크로렌즈는 단일 또는 다수개의 어레이로 형성될 수 있다.One embodiment of the present invention uses a typical X-ray of a high-energy light source as an example of manufacturing a microlens as a microstructure. In this case, the microlenses may be formed in a single or multiple arrays.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 X-선을 이용한 마이크로렌즈 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다.2A and 2B are process flowcharts sequentially illustrating a microlens manufacturing process using X-rays according to an embodiment of the present invention.

도 2a에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈가 형성될 예정 영역을 정의하는 패턴(114, 110, 100b, 102, 100a)을 갖는 X-선 마스크(1)를 이용하고 방사광 가속기에서 나오는 X-선 노광 공정을 실시한다. 이때, X-선 노광의 시편은 마이크로렌즈가 될 감광재(116)이다. 본 실시예에서는 감광재(116)의 재료로 PMMA를 이용하는데, PMMA 이외에 Zeonex, glass 등 다른 노광 물질이 사용될 수 있다.As shown in FIG. 2A, X-ray exposure using an X-ray mask 1 having a pattern 114, 110, 100b, 102, 100a defining a region where microlenses are to be formed and exiting the radiation accelerator Carry out the process. At this time, the specimen of X-ray exposure is the photosensitive material 116 to be a microlens. In this embodiment, PMMA is used as the material of the photosensitive material 116. In addition to PMMA, other exposure materials such as Zeonex and glass may be used.

이러한 X-선 노광 공정에 의해 감광재(116)에서 마이크로렌즈가 될 예정 영역(118)이 X-선에 노광된다. 본 실시예에서는 방사광 가속기에서 나오는 X-선에 의해 노광된 감광재(118) 상부가 1 kJ/㎤∼ 20 kJ/㎤ 의 범위, 바람직하게는 2.4 kJ/㎤의 에너지를 갖도록 노광한다. 이로 인해, 노광된 감광재(118)와 노광되지 않는 감광재(116)는 서로 분자량(Tg)의 크기가 달라지게 된다. 즉, 노광된 감광재(118)의 폴리머는 노광되지 않은 감광재(116)의 폴리머보다 상대적으로 분자량(Tg)이 작아지게 된다. 따라서, 노광된 감광막(118)의 분자량(Tg)이 노광되지 않은 감광재(116)보다 낮아지게 된다.By this X-ray exposure process, the region 118 to be a microlens in the photosensitive material 116 is exposed to X-rays. In this embodiment, the upper portion of the photosensitive material 118 exposed by X-rays emitted from the radiation accelerator is exposed to have an energy in the range of 1 kJ / cm 3 to 20 kJ / cm 3, preferably 2.4 kJ / cm 3. As a result, the exposed photosensitive material 118 and the unexposed photosensitive material 116 are different in size from each other in molecular weight T g . That is, the polymer of the exposed photosensitive material 118 has a smaller molecular weight (T g ) than the polymer of the non-exposed photosensitive material 116. Therefore, the molecular weight T g of the exposed photosensitive film 118 is lower than that of the unexposed photosensitive material 116.

도 2b에 도시된 바와 같이, X-선 노광 공정을 실시한 후에, 열처리를 실시하여 X-선에 의해 노광된 감광재(118) 표면을 녹여 그 형태를 변형시킨다. 이로 인해, 마이크로렌즈(118a)가 형성된다. 이때, 열처리 공정은 50℃∼ 250℃의 온도 범위에서 진행하는데, 바람직하게는 110℃∼120℃의 열처리 장비에서 5∼10분 동안 진행한다.As shown in FIG. 2B, after performing the X-ray exposure process, heat treatment is performed to melt the surface of the photosensitive material 118 exposed by X-ray to deform its shape. As a result, the microlens 118a is formed. At this time, the heat treatment process proceeds in a temperature range of 50 ℃ to 250 ℃, preferably 5 to 10 minutes in a heat treatment equipment of 110 ℃ to 120 ℃.

이러한 열처리 공정에 의해 비노광된 감광재(116)보다 상대적으로 분자량이 작아진 감광재 부분(118)에서 변형이 일어난다. 즉, 노광된 감광재(118)의 가장자리는 표면장력에 의해 변형을 일어나지 않고 가운데 부분만 변형이 많이 일어나서 결국, 반구형의 마이크로렌즈(118a) 형태를 갖게 된다.Deformation occurs in the photosensitive member portion 118 whose molecular weight is relatively smaller than that of the unexposed photosensitive member 116 by this heat treatment process. That is, the edge of the exposed photosensitive material 118 is not deformed by the surface tension, but deforms only in the middle part, and eventually has a hemispherical microlens 118a.

그러므로, 본 발명은 X-선 마스크를 이용하여 감광재에 X-선을 노광함으로써노광된 감광재(118)와 그렇지 않은 감광재(116)의 폴리머의 분자량(Tg) 차이를 만들고, 이후 열처리를 진행함으로써 노광된 감광재(118)만 선택적으로 변형이 일어나도록 함으로써 반구형의 마이크로렌즈(118a)를 제조할 수 있다.Therefore, the present invention makes a difference in the molecular weight (T g ) of the polymer of the exposed photosensitive member 118 and the non-photosensitive member 116 by exposing X-rays to the photosensitive member using an X-ray mask, and then heat-treating The semispherical microlens 118a can be manufactured by selectively deforming only the exposed photosensitive material 118 by proceeding.

한편, 본 실시예는 상술한 마이크로렌즈에만 국한되는 것이 아니라, X-선 노광 공정으로 제작될 수 있는 여러 가지 초소형 구조물의 제조 공정에도 적용할 수 있다.Meanwhile, the present embodiment is not limited to the above-described microlenses, but may also be applied to the manufacturing process of various microstructures that can be manufactured by the X-ray exposure process.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 마이크로렌즈를 사출 성형 공정으로 다시 제작하는 방법을 나타낸 공정 순서도이다.3A to 3C are flowcharts illustrating a method of remanufacturing a microlens manufactured according to an embodiment of the present invention by an injection molding process.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 X-선 노광을 이용하여 제작된 마이크로렌즈(118a)에 먼저 마이크로렌즈용 금형틀 제조 공정을 진행한다. 마이크로렌즈(118a) 위에 니켈(Ni) 도금을 위한 전도층으로 티타늄(200)을 약 300Å정도 증착시킨다. 술퍼민산옥니켈 용액(55℃, pH4)에서 티타늄층(200)에 장시간 니켈 도금을 하여 니켈 도금층(202)을 형성한다.As shown in FIG. 3A, the microlens 118a manufactured using the X-ray exposure is first subjected to a mold manufacturing process for the microlens. About 300 μs of titanium 200 is deposited on the microlens 118a as a conductive layer for nickel (Ni) plating. The nickel plating layer 202 is formed by nickel plating the titanium layer 200 for a long time in a sulphonic oxalate solution (55 ° C, pH 4).

그리고 도 3b에 도시된 바와 같이, 유기 용매로 마이크로렌즈(118a)를 녹여 제거한다. 이에 따라, 마이크로렌즈(118a)를 대량 생산할 수 있는 니켈 금형틀(2)을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 3B, the microlens 118a is dissolved and removed with an organic solvent. Thereby, the nickel die 2 which can mass-produce the microlens 118a can be obtained.

그 다음 도 3c에 도시된 바와 같이, 니켈 금형틀(2)에 금형 물질로서 PMMA 등의 감광재(116)를 붓고 사출 성형 또는 핫 엠보싱(hot embossing) 공정을 실시하여 동일한 형태를 갖는 여러 개의 마이크로렌즈(118a)를 대량 생산한다.Then, as shown in Figure 3c, the nickel mold 2 is poured a photosensitive material 116 such as PMMA as a mold material and subjected to injection molding or hot embossing process to a plurality of micro having the same shape The lens 118a is mass-produced.

도 4는 본 발명의 일 실시예와 사출 성형 공정에 의해 제조된 마이크로렌즈의 구조를 나타낸 도면이다. 도 4에는 감광재(116) 상부 표면에 반구형의 마이크로렌즈(118a)가 도시되어 있는데, 본 발명에 의해 제조된 마이크로렌즈(118a)는 일반적인 마이크로렌즈와 동일한 형태를 갖는다.4 is a view illustrating a structure of a microlens manufactured by an embodiment of the present invention and an injection molding process. 4 shows a hemispherical microlens 118a on the upper surface of the photosensitive member 116. The microlens 118a manufactured by the present invention has the same shape as a general microlens.

본 발명에서는 X-선 노광 및 열처리 공정으로 마이크로렌즈(118a)를 제조할 수 있고, 마이크로렌즈의 금형틀을 제작하고 사출 성형 공정(또는 핫 엠보싱)으로 다시 동일한 형태의 마이크로렌즈(118a)를 여러 개 제조할 수 있다.In the present invention, the microlens 118a may be manufactured by an X-ray exposure and heat treatment process, and a mold of the microlens may be manufactured, and the microlens 118a of the same shape may be further replaced by an injection molding process (or hot embossing). Dogs can be manufactured.

한편, 본 발명의 X-선 노광 공정시 사용된 마이크로렌즈용 X-선 마스크(1)는 다음과 같은 공정을 통해 제작된다. 도 5a 내지 5f는 본 발명에 따른 마이크로렌즈용 X-선 마스크의 제조 공정을 나타낸 일 실시예의 공정 순서도이다.Meanwhile, the microlens X-ray mask 1 used in the X-ray exposure process of the present invention is manufactured through the following process. 5A to 5F are process flowcharts of an embodiment showing a manufacturing process of an X-ray mask for a microlens according to the present invention.

우선 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마스크(1)는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 기판을 사용해서 제작된다. 이때, SOI 기판(100)은 하/상부 실리콘층(100a, 100b) 사이에 절연막(102)이 내재된 구조를 갖는다. 바람직하게는, 상부 실리콘층(100b) 두께가 20㎛, 중간 산화막(104)의 두께가 1㎛, 하부 실리콘층(100a)의 두께가 400㎛인 SOI 웨이퍼 기판(100)을 사용한다.First, as shown in 5a, the mask 1 according to the present invention is manufactured using a silicon on insulator (SOI) wafer substrate. At this time, the SOI substrate 100 has a structure in which the insulating film 102 is embedded between the lower and upper silicon layers 100a and 100b. Preferably, the SOI wafer substrate 100 is used in which the upper silicon layer 100b has a thickness of 20 μm, the intermediate oxide film 104 has a thickness of 1 μm, and the lower silicon layer 100a has a thickness of 400 μm.

도 5b에 도시된 바와 같이, SOI 기판(100)의 상/하 표면에 각각 산화막(104, 106)을 형성한다. 이때, 산화막(104, 106)은 건식 또는 습식 산화로 형성하고, 그 두께를 1㎛로 한다. 산화막(104, 106)의 제조 공정의 예는, 퍼니스(furnace)에서 온도를 약 700℃까지 높이고 기판을 넣은 후에, 퍼니스 온도를 1050℃까지 높이고 15분 동안 건식 산화(dry oxidation)를 진행한다. 그리고 4시간 동안 습식 산화(wet oxidation)를 진행하고 다시 건식 산화를 15분 동안 진행한 후에, 700℃까지 온도를 내리고 기판을 꺼낸다.As shown in FIG. 5B, oxide films 104 and 106 are formed on upper and lower surfaces of the SOI substrate 100, respectively. At this time, the oxide films 104 and 106 are formed by dry or wet oxidation and have a thickness of 1 탆. An example of the manufacturing process of the oxide films 104 and 106 is to raise the furnace temperature to about 700 ° C. and insert the substrate in the furnace, and then increase the furnace temperature to 1050 ° C. and perform dry oxidation for 15 minutes. After 4 hours of wet oxidation and dry oxidation for 15 minutes, the temperature is lowered to 700 ° C. and the substrate is removed.

도 5c에 도시된 바와 같이, SOI 기판(100)의 하면에 위치한 산화막(106)을 패터닝하고, 패터닝된 산화막을 보호층(barrier layer)으로 하여 기판미세가공(bulk micromachining)을 통해 하부의 실리콘층(100a)을 식각한다. 이때, 식각 용액은 20% TMAH(TetraMethyl Ammonium Hydroxide) 용액을 사용하고, 하부의 실리콘층(100a)의 약 400㎛ 두께를 TMAH 용액으로 7시간 동안 식각한다. 그리고, 기판의 상/하부 산화막(104, 106)과 하부 실리콘층(100a)이 식각된 부위의 중간 산화막(102)을 제거한다. 이때, 산화막(102, 104, 106)은 BHF(Buffered HF)에서 30분간동안 제거한다. 이와 같은 공정에 의해 기판의 하부면에는 X-선이 조사되는 범위(108)를 정의하는 패턴(100a, 100b, 102)이 형성된다.As shown in FIG. 5C, the silicon layer 106 is patterned on the bottom surface of the SOI substrate 100 and the lower silicon layer is formed through bulk micromachining using the patterned oxide layer as a barrier layer. Etch 100a. At this time, the etching solution using a 20% TMAH (TetraMethyl Ammonium Hydroxide) solution, and about 400㎛ thickness of the lower silicon layer (100a) is etched with TMAH solution for 7 hours. In addition, the intermediate oxide layer 102 of the portion where the upper and lower oxide layers 104 and 106 and the lower silicon layer 100a of the substrate are etched is removed. At this time, the oxide films 102, 104 and 106 are removed for 30 minutes from the buffered HF (BHF). By such a process, patterns 100a, 100b, and 102 are formed on the lower surface of the substrate to define the range 108 where X-rays are irradiated.

이어서 도 5d에 도시된 바와 같이, SOI 기판(100)의 실리콘층(100b) 표면에 금속층(110)을 증착한다. 예를 들면, 이후 Au 전기도금의 시드층(seed layer)으로 사용될 크롬/금(Cr/Au) 금속층(110)을 열 증발기(thermal evaporator)를 통해 각각 300Å, 300Å 정도 증착시킨다. 그리고, 금속층(110) 상부에 실린더형 감광막 패턴(112)을 형성한다. 실린더형 감광막 패턴(112)의 제조 예는 감광막을 2000rpm 60초로 10μm 회전 도포시킨다. 90℃에서 100초간 소프트 베이킹(soft baking)한다. 자외선 마스크를 이용하여 자외선에 150초간 노광시킨 후, 35℃의 현상액(developer AZ 400K)에서 25분간 현상함으로써 금속층(110) 상부에 실린더 형태의 감광막 패턴(112)을 형성한다. 이때, 실린더형 감광막 패턴(112)은 이후X-선 노광 공정시 X-선이 조사되는 범위(108)에 형성된다.Subsequently, as shown in FIG. 5D, the metal layer 110 is deposited on the surface of the silicon layer 100b of the SOI substrate 100. For example, a chromium / gold (Cr / Au) metal layer 110 to be used as a seed layer of Au electroplating is deposited through a thermal evaporator of about 300 kPa and 300 kPa, respectively. In addition, a cylindrical photosensitive film pattern 112 is formed on the metal layer 110. In the manufacturing example of the cylindrical photosensitive film pattern 112, 10 micrometers of rotations are apply | coated to a photosensitive film at 2000 rpm 60 second. Soft bake at 90 ° C. for 100 seconds. After exposure to ultraviolet light for 150 seconds using an ultraviolet mask, and developed for 25 minutes in a developer (developer AZ 400K) at 35 ℃ to form a cylindrical photosensitive film pattern 112 on the metal layer 110. In this case, the cylindrical photoresist pattern 112 is formed in a range 108 in which X-rays are irradiated during the X-ray exposure process.

계속해서 도 5e에 도시된 바와 같이, 금속층(110)을 전기도금하여 실린더형 감광막 패턴(112)의 높이까지 X-선 흡수막(114)을 형성한다. 더 상세하게는 실린더형 감광막 패턴(112) 이외에 Au를 전류밀도 5.5 ㎃에서 2시간동안 전기도금하여 X-선 흡수막(114)을 형성하는데, 그 두께는 8μm 두께로 한다.Subsequently, as shown in FIG. 5E, the metal layer 110 is electroplated to form the X-ray absorption film 114 up to the height of the cylindrical photoresist pattern 112. More specifically, in addition to the cylindrical photosensitive film pattern 112, Au is electroplated at a current density of 5.5 mA for 2 hours to form an X-ray absorbing film 114, the thickness of which is 8 m.

도 5f에 도시된 바와 같이, 전기도금이 완료되면 실린더형 감광막 패턴(112)은 끓는 아세톤(Acetone), 메탄올(Methanol)와 초순수(DI water)에 각각 넣어 제거한다. 그리고, 제거된 패턴(112) 하부에 있는 금속층(110)을 식각용액으로 제거함으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 X-선 마스크(1)를 완성한다.As illustrated in FIG. 5F, when the electroplating is completed, the cylindrical photoresist pattern 112 is removed by boiling in acetone, methanol and ultrapure water, respectively. The metal layer 110 under the removed pattern 112 is removed with an etching solution to complete the X-ray mask 1 according to the exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 이와 같이 마스크를 사용하지 않고서도 도 6a 및 도 6b와 같이 레이저 광원을 이용하여 마이크로렌즈를 제작할 수도 있다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 레이저를 이용한 마이크로렌즈 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다.In the present invention, a microlens may be manufactured using a laser light source as shown in FIGS. 6A and 6B without using a mask. 6A and 6B are flowcharts sequentially illustrating a process of manufacturing a microlens using a laser according to another exemplary embodiment of the present invention.

먼저 도 6a에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(130)을 사용할 경우 마스크를 사용하지 않고 마이크로렌즈가 형성될 예정 영역의 감광재(166), 예컨대 PMMA에 레이저 광원을 맞추고 레이저 빔(132)을 조사함으로써 노광 공정을 실시한다. 본 실시예에서는 레이저 노광은 2.4 mJ/pulse∼180 mJ/pulse의 에너지 레벨, 10Hz의 진동수로 3∼180분동안 진행한다. 이로 인해, 레이저에 의해 노광된 감광재(118)의 폴리머는 노광되지 않는 감광재(116)보다 상대적으로 분자량(Tg)이 작아지게 된다.First, as shown in FIG. 6A, when using the laser light source 130, the laser light source is matched with the photosensitive material 166, for example, PMMA, in the region where the microlenses are to be formed without using a mask, and the laser beam 132 is irradiated. An exposure process is performed by doing this. In this embodiment, laser exposure is performed for 3 to 180 minutes at an energy level of 2.4 mJ / pulse to 180 mJ / pulse and a frequency of 10 Hz. For this reason, the polymer of the photosensitive material 118 exposed by the laser becomes smaller in molecular weight (T g ) than the photosensitive material 116 which is not exposed.

이어서 도 6b에 도시된 바와 같이, 열처리를 실시하여 레이저 빔(132)에 의해 노광된 감광재(118)의 표면을 녹여 그 형태를 변형시킴으로써 마이크로렌즈(118a)를 형성한다. 이때, 열처리 공정은 50℃∼ 250℃의 온도 범위에서 진행한다.6B, the microlens 118a is formed by performing heat treatment to melt the surface of the photosensitive material 118 exposed by the laser beam 132 and to deform the shape thereof. At this time, the heat treatment step proceeds in a temperature range of 50 ℃ to 250 ℃.

이러한 열처리 공정에 의해 레이저 빔(132)에 노광된 감광재(118)의 가장자리에서 표면장력이 일어나고 가운데 부분만 변형이 일어나 결국, 반구형의 마이크로렌즈(118a)가 얻어진다.By such a heat treatment process, surface tension occurs at the edge of the photosensitive material 118 exposed to the laser beam 132 and deformation occurs only in the center portion, resulting in a hemispherical microlens 118a.

그러므로, 본 발명의 다른 실시예는 마스크를 사용하지 않고 감광재에 레이저를 노광함으로써 노광된 감광재(118)와 그렇지 않은 감광재(116)의 폴리머의 분자량(Tg) 차이를 만들고, 이후 열처리를 진행함으로써 노광된 감광재(118)만 선택적으로 변형이 일어나도록 함으로써 마이크로렌즈(118a)를 제조할 수 있다.Therefore, another embodiment of the present invention makes a difference in the molecular weight (T g ) of the polymer of the exposed photosensitive material 118 and the non-photosensitive material 116 by exposing the laser to the photosensitive material without using a mask, and then heat treatment. The microlenses 118a can be manufactured by selectively deforming only the exposed photosensitive material 118 by proceeding.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 초소형 구조물(예컨대 마이크로렌즈)이 형성될 예정의 감광재에 고에너지 광원(X-선, 레이저)으로 노광함으로써 노광된 감광재와 그렇지 않은 부분의 폴리머 분자량(Tg) 차이를 크게 하고 이후 열처리 공정을 실시하여 노광된 감광재 부분만을 선택적으로 녹여 표면 변형을 일으켜서 원하는 초소형 구조물을 제작한다.As described above, the present invention provides a polymer molecular weight (T g ) of the photosensitive material exposed to the photosensitive material on which an ultra-small structure (such as a microlens) is to be formed with a high energy light source (X-ray, laser) and an unexposed portion (T g). ) Increase the difference and then heat-treat the process to selectively melt only the exposed photoresist part to produce surface deformation to produce the desired microstructure.

그리고, 본 발명은 초소형 구조물을 제조한 후에, 구조물의 금형틀을 형성하고 사출성형 또는 핫 엠보싱 공정을 이용하여 마이크로렌즈뿐만 아니라 동일한 형태를 갖는 초소형 구조물을 대량 생산한다.In addition, after the microstructure is manufactured, the present invention forms a mold of the structure and mass-produces the microstructure having the same shape as well as the microlens using an injection molding or a hot embossing process.

그러므로, 본 발명은 기존의 LIGA 공정을 이용하는 방법에 비해 X-선 이외의 고에너지 광원을 이용할 수도 있고 현상 공정이나 2차 노광 같은 공정을 생략할 수 있어 전체적인 제조 공정의 수를 줄일 수 있으며 공정의 수율을 높일 수 있다.Therefore, the present invention can use a high-energy light source other than X-rays compared to the conventional method using the LIGA process, and can omit development processes or secondary exposure processes, thereby reducing the overall number of manufacturing processes. Yield can be increased.

Claims (9)

구조물의 패턴을 정의하는 마스크를 이용하여 X-선 광원으로 감광재를 노광하는 단계; 및Exposing the photoresist with an X-ray light source using a mask defining a pattern of the structure; And 상기 감광재에 열처리를 실시하여 상기 X-선 광원에 의해 노광된 감광재만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.Heat-treating the photosensitive material to selectively melt the surface of the non-exposed portion only the photosensitive material exposed by the X-ray light source to produce a structure having a predetermined pattern. Structure manufacturing method using a light source. 제 1항에 있어서, 상기 X-선 광원은 방사광 가속기의 X-선인 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of claim 1, wherein the X-ray light source is an X-ray of an emission accelerator. 제 2항에 있어서, 상기 X-선 노광시 상기 감광재에 축적되는 에너지량을 1 kJ/㎤∼ 20 kJ/㎤ 의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of manufacturing a structure using a high energy light source according to claim 2, wherein the amount of energy accumulated in the photosensitive member during the X-ray exposure is in a range of 1 kJ / cm 3 to 20 kJ / cm 3. 구조물이 형성될 예정 영역의 감광재에 레이저 광원을 맞추고 노광하는 단계; 및Matching and exposing a laser light source to a photosensitive material in a region where a structure is to be formed; And 상기 감광재에 열처리를 실시하여 상기 레이저에 의해 노광된 감광재만을 비노광된 부분에 대해 선택적으로 표면을 녹여 소정의 패턴을 갖는 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.Heat-treating the photoresist to selectively melt only the photoresist exposed by the laser to the non-exposed portion to produce a structure having a predetermined pattern. Structure manufacturing method. 제 4항에 있어서, 상기 레이저 노광은 2.4 mJ/pulse∼180 mJ/pulse의 에너지 레벨, 10Hz의 진동수로 3∼180분 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of claim 4, wherein the laser exposure is performed at an energy level of 2.4 mJ / pulse to 180 mJ / pulse and a frequency of 10 Hz for 3 to 180 minutes. 6. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 구조물은 단일 또는 다수개의 어레이로 이루어진 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of claim 1 or 4, wherein the structure is composed of a single or a plurality of arrays. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 구조물은 마이크로렌즈인 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of claim 1, wherein the structure is a microlens. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 열처리는 50 ℃∼ 250 ℃의 온도 범위에서 진행하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.5. The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature in a range of 50 ° C. to 250 ° C. 6. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 구조물을 제조하는 단계 이후에,The method of claim 1 or 4, after the step of manufacturing the structure, 상기 구조물의 금형틀을 제조하는 단계;Manufacturing a mold of the structure; 상기 금형틀을 이용한 사출 성형 또는 핫 엠보싱 공정을 실시하여 동일한 형태의 구조물을 여러 개 제작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 광원을 이용한 구조물 제조방법.The method of manufacturing a structure using a high energy light source, further comprising the step of manufacturing a plurality of structures of the same type by performing an injection molding or hot embossing process using the mold.
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