KR101380497B1

KR101380497B1 - 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치 및 이의 제작방법

Info

Publication number: KR101380497B1
Application number: KR1020130036210A
Authority: KR
Inventors: 유승현; 김용권; 진주영; 하준근
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2014-04-01

Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법에 있어서, 제1 캐비티가 형성된 메인 기판에 제1 유리기판을 접합하는 단계; 제1 열 재흐름 공정에 의해 유리를 상기 캐비티에 채우는 단계; 상기 캐비티에 채워진 유리로부터 유리기둥을 형성하는 단계; 제2 열 재흐름 공정에 의해 상기 유리기둥으로부터 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 메인 기판에 광학장치의 구동기를 형성하는 단계;를 포함하는 광학장치 제작방법이 제공된다.

Description

마이크로 렌즈를 구비한 광학장치 및 이의 제작방법 {Optical device having microlens and method for fabricating the same}

본 발명은 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치 및 이의 제작방법에 관하 것으로, 보다 상세하게는, 유리 열 재흐름 공정과 식각 공정을 통해 마이크로 렌즈가 형성된 광학장치를 기판 단위로 제작할 수 있는 제작방법 및 이 방법을 통해 제작된 광학장치에 관한 것이다.

초소형 MEMS(Microelectromechanical systems) 소자 및 장치들은 반도체 공정을 기반으로 제작되며 가장 일반적으로 사용되는 기판은 실리콘과 유리이다. 유리는 낮은 열 팽창률, 강한 내열성, 내화학성 등 높은 기계적인 특성을 가진 물질이다. 또한, 고진공, 플라즈마, 고온 등을 동반하는 반도체 공정에서 매우 안정적이기 때문에 활용도가 높다.

MEMS 기술의 발전에 따라 많은 종류의 초소형 광학장치들이 제작되어 왔다. 초소형 렌즈가 집적된 MEMS 광학장치는 렌즈의 제작 및 집적 방법에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 한 가지 방법은 기계가공된 렌즈를 구입하여 수작업으로 구동 플랫폼에 결합시키는 방법이며, 다른 한 가지는 구동부에 직접 액체 상태의 폴리머 계열 물질을 떨어뜨린 후 굳히는 방법이다.

두 가지 방법 모두 반도체 공정을 통하여 구동부를 먼저 제작하며, 또한 두 방법은 모두 장치의 제작 과정에 있어 일반적인 반도체 공정이 아닌 복잡하고 어려운 수작업 공정을 포함한다. 그러나 구동부와 렌즈의 집적 후 패키징 등을 위한 추가적인 기판 단위의 반도체 공정을 진행하기는 매우 힘들기 때문에, 이와 같은 종래의 방법으로는 기판 단위 공정을 통한 균일한 광학장치의 대량 생산이 불가능하며, 이것은 MEMS 광학 장치의 상업화에 큰 걸림돌이 되어 왔다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 개별 소자 단위가 아닌 기판 단위로 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치를 제작할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 스테이지들이 단일 실리콘 구조층 상에 제작되더라도 각 구동 스테이지들이 양 방향으로 각기 구동할 수 있도록, 마이크로 렌즈의 제작 공정시 구동 스테이지의 영역들을 전기적으로 분리해주는 유리 절연부도 함께 형성할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법에 있어서, 제1 캐비티 및 상기 제1 캐비티 보다 직경이 작은 하나 이상의 제2 캐비티가 형성된 메인 기판에 제1 유리기판을 접합하는 단계; 제1 열 재흐름 공정에 의해 유리를 상기 제1 및 제2 캐비티에 채우는 단계; 상기 제1 및 제2 캐비티에 채워진 유리로부터 유리기둥을 형성하는 단계; 제2 열 재흐름 공정에 의해, 상기 제1 캐비티의 유리기둥으로부터 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 메인 기판에 광학장치의 구동기를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 캐비티의 유리기둥은 상기 광학장치의 전기 절연부로 기능하는 것을 특징으로 하는 광학장치의 제작 방법이 제공된다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 방법들 중 어느 하나에 의해서 제작된 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치가 제공될 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치에 있어서, 마이크로 렌즈가 장착되고 제1 방향으로 구동가능한 제1 구동 스테이지; 제1 구동 스테이지, 상기 제1 구동 스테이지에서 측방향으로 뻗어있는 제1 구동콤 전극부, 및 상기 제1 구동콤 전극부와 쌍을 이루는 제1 고정콤 전극부를 포함하고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 구동가능한 제2 구동 스테이지; 제2 구동 스테이지 및 상기 제2 구동 스테이지에서 측방향으로 뻗어있는 제2 구동콤 전극부를 지지기판 상부에서 지지하는 복수개의 고정부; 및 상기 제2 구동콤 전극부와 쌍을 이루는 제2 고정콤 전극부를 구비하며 상기 지지기판 상부에 형성된 하나 이상의 측면 프레임;을 포함하고, 상기 제2 구동 스테이지는 복수개의 이상의 유리 절연부를 포함하고, 이 유리 절연부에 의해 제2 구동 스테이지가 전기적으로 복수개의 영역으로 분리되어 있는 것을 광학장치가 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유리 열 재흐름 공정 및 식각 공정을 통해 기판에 마이크로 렌즈를 장착하는 것이 가능하다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치를 제작하는 경우 광학장치의 구동기를 제작하는 하나의 공정 내에 마이크로 렌즈를 함께 제작할 수 있다. 즉 기판 단위로 광학장치를 제작할 수 있으므로 수작업의 개입 없이 구동기와 마이크로 렌즈를 한번에 제작하는 이점을 갖는다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈의 제작 공정시 유리 절연부도 이와 동시에 형성할 수 있다. 유리 절연부는 구동 스테이지의 영역들을 전기적으로 분리해주고 있으므로, X축 구동 스테이지와 Y축 구동 스테이지가 단일 실리콘 구조층 상에 제작되더라도 각 구동 스테이지들이 X축과 Y축 방향으로 각기 구동할 수 있는 이점이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따라 마이크로 렌즈를 포함하는 광학장치를 제작하는 예시적 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도2는 도1의 예시적 방법의 각 단계를 설명하기 위한 도면,
도3은 도1의 예시적 방법에 따라 제작된 광스캐너의 사시도,
도4는 도3의 광스캐너의 평면도,
도5는 도1의 예시적 방법에 따라 제작된 광스캐너의 광학현미경 사진,
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따라 마이크로 렌즈를 포함하는 광학장치를 제작하는 예시적 방법을 설명하기 위한 도면,
도7은 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 2차원 광스캐너의 사시도,
도8은 도7의 광스캐너의 X축 방향의 동작을 설명하기 위한 도면,
도9는 도7의 광스캐너의 Y축 방향의 동작을 설명하기 위한 도면,
도10a 및 도10b는 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 유리 절연부를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도11은 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 2차원 광스캐너의 광학현미경 사진이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 마이크로 렌즈를 포함하는 광학장치를 제작하는 예시적 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도2는 도1의 예시적 방법의 각 단계를 설명하기 위한 도면이다.

우선 단계(S110)에서, 메인 기판(10)을 식각하여 캐비티(11)를 형성한다. 일 실시예에서 메인 기판(10)은 실리콘 기판이고, 메탈 또는 실리콘 산화막을 마스크로 사용하여 마이크로 렌즈가 위치할 곳을 식각한다(도2(a) 참조).

캐비티(11)는 습식 식각 또는 건식 식각 방식을 이용하여 메인 기판(10)을 수직으로 소정 깊이만큼 식각 함으로써 형성된다. 캐비티(11)의 수평 단면 형태는 제작될 마이크로 렌즈의 종류에 따라 달라질 수 있다. 원형의 마이크로 렌즈를 제작하고자 하면 캐비티(11)는 소정 직경을 갖는 원형의 단면 형상을 가지며, 실시 형태에 따라 예컨대 사각형의 수평 단면 형상을 가질 수도 있다.

식각에 의해 형성될 캐비티(11)의 수는 제한이 없으며 마이크로 렌즈를 구비하는 광학장치의 목적에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 단순화를 위해 기판에 하나의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법에 대해 설명함을 이해할 것이다.

그 후 단계(S120)에서 메인 기판(10) 상에 유리 기판(12)을 접합한다(도2(b) 참조). 일 실시예에서 유리 기판(12)은 붕규산 유리(Borosilicate Glass) 기판일 수 있으며, 1×10^-3 Torr 이하의 진공 환경에서 양극 접합(anodic bonding) 방식에 의해 접합될 수 있다. 이 공정에 의해, 캐비티(11)는 진공을 유지한 채 외부와 격리되게 된다.

다음으로 도2(C)에 도시한 것처럼, 제1 열 재흐름 공정(Thermal reflow process)에 의해 유리가 캐비티(11)를 채우도록 한다(단계 S130). 유리를 포함한 많은 물질들은 연화점(softening point) 이상의 고온에서 유체 형태로 존재하기 때문에 주변 형틀, 표면장력 등 환경에 따라 다양한 형태로 변형시킬 수 있으며, 이러한 공정을 통칭하여 열 재흐름 공정이라고 한다.

일 실시예에서 유리 기판(12)으로 붕규산 유리가 사용되는 경우, 붕규산유리의 연화점 이상의 온도(약 820~850℃)에서 열 재흐름 공정을 진행할 수 있다. 이 때, 캐비티(11) 내부가 진공상태에 있으므로 열 재흐름 공정을 하는 동안 유리가 캐비티(11) 내부로 쉽게 채워질 수 있다.

다음으로, 도2(d)에 도시한 것처럼 캐비티(11)에 채워진 유리로부터 유리기둥을 형성한다(단계 S140). 이를 위해, 우선 메인 기판(10) 위에 남아 있는 유리를 화학적 기계적 연마(CMP)를 통해 제거하여 기판을 평탄화 시킨다. 이에 의해 유리 기판(12)은 캐비티(11)로 흘러들어간 부분만 남고 메인 기판(10)에서 모두 제거된다. 그 후 캐비티(11) 주위의 메인 기판(10)을 식각하여 제1 오목부(14)를 형성함으로써 캐비티(11) 내의 유리의 일부가 메인 기판(10)의 상부로 드러나도록 하여 도2(d)에서와 같이 유리 기둥(13)을 형성할 수 있다.

이 때 메인 기판(10)의 표면 위로 드러나는 유리 기둥(13)의 높이는 캐비티(11)의 직경과 함께 마이크로 렌즈의 광학 특성을 제어하는 요소가 된다. 따라서 설치할 마이크로 렌즈의 광학 특성을 미리 고려하여, 실시 형태에 따라 캐비티(11)의 직경과 제1 오목부(14)의 식각 깊이가 각기 달라질 수 있다.

단계(S140)에 의해 유리기둥(13)을 형성한 후, 단계(S150)에서 제2 열 재흐름 공정에 의해 이 유리기둥(13)으로부터 마이크로 렌즈를 형성한다. 즉 유리기둥(13)이 연화점 이상 가열되면 액체상태가 되고 유리기둥(13)의 상부는 표면장력에 의해 도2(e)에 도시한 것처럼 렌즈 형상을 하게 됨으로써, 마이크로 렌즈(15)가 형성된다.

마이크로 렌즈(15)가 형성되면 그 후 제2 오목부를 갖는 유리 기판(20)을 메인 기판(10) 위에 접합한다(도2(f) 및 도2(g) 참조). 이를 위해, 우선 단계(S160)에서 또 다른 유리 기판(20)를 마련하고 이 유리 기판(20)의 한쪽 표면을 식각하여 오목부를 형성하여 둔다(도2(f) 참조). 이와 같이 유리 기판(20)을 준비하는 단계(S160)는 시간상으로 단계(S150) 이후에 할 필요는 없으며, 유리 기판(20)을 메인 기판(10)에 접합하기 전이라면 어느 때에든지 미리 수행될 수 있음은 물론이다.

그 후 단계(S170)에서 유리 기판(20)을 메인 기판(10)에 접합하고, 이에 의해 도2(g)에 도시한 바와 같이, 마이크로 렌즈(15)는 메인 기판(10)의 제1 오목부 및 유리 기판(20)의 제2 오목부에 의해 형성된 내부 공간에 위치하게 된다.

이상과 같이 마이크로 렌즈(15)를 형성하여 유리기판(20)까지 접합한 이후에는, 후작업으로서 광학 장치의 동작 원리, 특성, 및 요구 조건에 맞추어 광학장치의 구동기(actuator)를 메인 기판(10)에 제작할 수 있다. 이 후작업은 광학장치에 설치될 구동기의 다양한 종류나 기능에 따라 후작업 공정이 서로 상이하게 된다.

예를 들어 광학장치가 광스캐너인 경우, 도3 및 도4에 도시한 형태와 같은 빗살모양의 콤(comb) 구동기를 형성할 수 있다. 이 경우, 도1의 단계(S170)까지의 공정에 의해 마이크로 렌즈(15)를 형성하면, 그 후 단계(S180)에서 마이크로 렌즈(15)의 하부면이 드러날 때까지 메인 기판(10)의 하부를 연마한다. 그 후 구동기를 형성하기 위해 메인 기판(10)의 하부에 마스크(30)를 증착한다(도2(h) 참조). 이 때의 마스크(30)는 형성될 구동기의 형태에 따라 결정된다.

다음으로, 단계(S190)에서 메인 기판(10)에서 마스크가 되지 않은 영역을 식각하여 관통구(17)를 형성함으로써 메인 기판(10)에 구동기가 형성되고(도(i) 참조), 그 후 도2(j)에 도시한 것처럼 오목부를 갖는 또 다른 유리 기판(40)을 메인 기판(10)의 하부에 접합함으로써 패키징을 한다.

상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치를 제작하는 경우, 종래에서와 같이 메인 기판(10)에 구동기를 제작한 후 마이크로 렌즈를 수작업으로 결합하지 않고, 구동기를 제작하는 하나의 공정 내에 마이크로 렌즈를 함께 제작할 수 있다. 즉 구동기 또는 마이크로 렌즈 등과 같은 광학소자 단위로 제작하여 소자들을 수작업으로 결합하는 것이 아니라, 기판 단위로 광학장치를 제작할 수 있으므로 수작업의 개입 없이 구동기와 마이크로 렌즈를 한번에 제작하는 이점을 갖는다. 이러한 제작 방식은 균일한 마이크로 광학장치의 대량생산을 가능하게 하여 해당 장치의 상업화와 응용분야에서의 활용도를 높일 수 있다.

도3은 도1의 예시적 방법에 따라 제작된 광스캐너의 사시도이고, 도4는 광스캐너의 평면도이다.

도3 및 도4를 참조하면, 도시된 실시예의 광스캐너는 구동 스테이지(110), 고정부(140), 및 측면 프레임(160)을 포함하며, 도시되지 않은 지지기판 상에 설치된다.

구동 스테이지(110)는 중심부에 마이크로 렌즈(130)를 포함하며, 수평의 일 방향으로 구동할 수 있다. 이를 위해, 구동 스테이지(110)는 지지기판에 부착되지 않고 지지기판으로부터 일정 높이에서 현수(懸垂)되어 있다. 즉 도시된 실시예에서 구동 스테이지(110)는 구동 스테이지(110)의 대향하는 양 측면에서 각각 뻗어나온 지지빔(115)에 의해 고정부(140)에 연결되고, 고정부(140)가 지지기판상에 고정되어 있다.

한편 구동 스테이지(110)는 측방향으로 뻗어있는 구동 콤 전극부(111)를 포함하며, 구동 스테이지(110)의 외측면을 둘러싸며 지지기판상에 고정된 측면 프레임(160)에는 이 구동 콤 전극부(111)와 쌍을 이루는 고정 콤 전극부(161)가 형성되어 있다. 측면 프레임(160)의 고정 콤 전극부(161)와 구동 스테이지(110)의 구동 콤 전극부(111)는 서로 이격되어 있으므로 구동 스테이지(110)는 측면 프레임(160)과 전기적으로 분리되어 있다.

이러한 구성에서, 측면 프레임(160)에 소정 전압을 인가하면 고정 콤 전극부(161)가 이 인가된 전압에 따라 구동 콤 전극부(111)를 잡아 당기거나 밀어냄으로써 구동 스테이지(110)가 일 방향으로 구동할 수 있다.

도5는 도1의 예시적 방법에 따라 제작된 광스캐너의 광학현미경 사진으로, 구동 스테이지가 수평면에서 일 방향으로 구동하는 1차원 광스캐너이다. 기판 단위 제작에 의해 마이크로 렌즈와 구동부가 동시에 형성되고 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 도3 내지 도5를 참조하여 광학장치의 일 예로서 광스캐너를 설명하였지만, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광장치의 제작방법은 다양한 종류의 광학 MEMS 소자 및 센서 분야에 응용 가능하다. 예를 들어 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 파면을 측정하는 Shack Hartmann 센서, 미세 프리즘을 이용한 분광계 등에 활용 가능하며, 이외에도 마이크로미터 규모의 모듈 내에서 분광 및 집광을 필요로 하는 다양한 분야, 이미지 센서 및 광섬유 센서의 광 특성을 향상시키기 위한 렌즈, LED 백라이트 모듈의 집광렌즈 등에도 활용될 수 있다.

도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 포함하는 광학장치를 제작하는 예시적 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이 제2 실시예에 따르면 광학장치의 구동기가 수평면에서 X축과 Y축 방향으로 구동가능한 2차원 광학장치를 제작할 수 있다.

도6을 도2와 비교하면, 마이크로 렌즈(53)의 제작 과정에서 마이크로 렌즈(53)의 주위에 전기 절연부(66)를 함께 형성하는 것이 다르고 그 외의 나머지 공정은 모두 동일하거나 유사하다.

우선 도6(a)에서 실리콘 메인 기판(50)을 식각하여 캐비티(51)를 형성한다. 이 때 마이크로 렌즈용 캐비티(이하 "제1 캐비티") 뿐만 아니라 이보다 직경이 작은 하나 이상의 캐비티(이하 "제2 캐비티")도 형성한다.

다음으로 도6(b)에 도시한 것처럼 유리 기판(52)을 메인 기판(50) 상에 접합하고, 제1 열 재흐름 공정에 의해 유리를 제1 및 제2 캐비티 내에 채우고(도6(c) 참조). 연마 및 식각 공정에 의해, 제1 및 제2 캐비티(51)의 유리로부터 유리기둥(53)을 형성한다(도6(d) 참조). 그 후 재2 열 재흐름 공정을 통해 제1 캐비티의 유리기둥(53)은 마이크로 렌즈(55)가 되고 제2 캐비티의 유리기둥(53)은 유리 절연부(56)가 된다(도6(e) 참조).

마이크로 렌즈(55)와 유리 절연부(56)의 제작 후 도6(f) 내지 도6(j)의 공정은 도2(f) 내지 도2(j)의 공정과 동일 또는 유사하며, 이들 공정을 거쳐 2차원 광학장치를 제작할 수 있다.

도7은 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 2차원 광스캐너의 사시도이다.

도7을 참조하면, 도시된 실시예의 광스캐너는 X축 구동 스테이지(210), Y축 구동 스테이지(220), 복수개의 고정부(240,251,252), 및 복수개의 측면 프레임(261,262)을 포함하며, 도시되지 않은 지지기판 상에 설치된다.

X축 구동 스테이지(210)는 중심부에 마이크로 렌즈(230)를 포함하며, X축 방향으로 구동할 수 있다. 또한 X축 구동 스테이지(210)는 측방향으로(도시된 실시예에서는 Y축 방향으로) 뻗어있는 제1 구동 콤 전극부를 포함한다. X축 구동 스테이지(210)는 측면에서 뻗어있는 지지빔(215)에 의해 Y축 구동 스테이지(220)에 연결되어 있다.

Y축 구동 스테이지(220)는 도면에 점선으로 표시한 영역으로서, X축 구동 스테이지(210), 이 X축 구동 스테이지(210)에서 뻗어나온 제1 구동 콤 전극부, 및 이 제1 구동 콤 전극부와 쌍을 이루는 제1 고정 콤 전극부를 포함하며, Y축 방향으로 구동할 수 있다. 이를 위해 Y축 구동 스테이지(220)는 지지기판에 부착되지 않고 복수개의 고정부(240,251,252)에 의해 지지기판으로부터 일정 높이에서 현수(懸垂)되어 있다. X축 구동 스테이지(210)의 제1 구동 콤 전극부와 Y축 구동 스테이지(220)의 제1 고정 콤 전극부는 서로 이격되어 있으며 서로 전기적으로 분리되어 있다.

한편 Y축 구동 스테이지(220)는 측방향으로 뻗어있는 제2 구동 콤 전극부를 더 포함하며, Y축 구동 스테이지(220)의 외측면을 둘러싸며 지지기판상에 고정된 측면 프레임(261,262)에는 이 제2 구동 콤 전극부와 쌍을 이루는 제2 고정 콤 전극부가 형성되어 있다. Y축 구동 스테이지(220)의 제2 구동 콤 전극부와 측면 프레임(261,262)의 제2 고정 콤 전극부는 서로 이격되어 있으므로 Y축 구동 스테이지(220)는 측면 프레임(261,262)과 전기적으로 분리되어 있다.

복수개의 고정부(240,251,252)는 측면 고정부(240) 및 코너 고정부(251,252)를 포함한다. 고정부(240,251,252)는 지지기판 상에 부착되어 있으며 각각 지지빔(221,222)에 의해 Y축 구동 스테이지(220)와 연결된다. 이에 따라 복수개의 고정부(240,251,252)는 Y축 구동 스테이지(220)를 지지기판 상에서 현수하여 지지한다. 또한 Y축 구동 스테이지(220)가 지지기판 상에 현수되어 있으므로 X축 구동 스테이지(210) 역시 지지기판 상에 현수되어 있을 수 있다.

한편 도7에 도시한 바와 같이 Y축 구동 스테이지(220)는 마이크로 렌즈(230)의 제작 공정시 이와 동시에 형성된 복수개의 유리 절연부(260,270)를 포함한다. 유리 절연부(260,270)에 의해 Y축 구동 스테이지(220)는 전기적으로 복수개의 영역으로 분리될 수 있다. 구체적으로, 복수개의 유리 절연부(260,270)의 각각은, 복수개의 고정부(240,251,252) 중 어느 하나의 고정부(제1 고정부)와 연결된 Y축 구동 스테이지(220)의 영역 및 이 제1 고정부와 이웃하는 고정부(제2 고정부)와 연결된 Y축 구동 스테이지(220)의 영역 사이를 전기적으로 분리할 수 있다.

이러한 구성에서, 측면 프레임(261,262) 또는 고정부(251,252) 중 임의의 부재에 소정 전압을 인가하면 제1 고정 콤 전극부 또는 제2 고정 콤 전극부가 이 인가된 전압에 따라 제1 구동 콤 전극부 또는 제2 구동 콤 전극부를 잡아 당기거나 밀어냄으로써, X축 구동 스테이지(210)가 X축 방향으로 구동하거나 또는 Y축 구동 스테이지(220)가 Y축 방향으로 구동할 수 있다.

이와 관련하여 도8 및 도9는 구동 스테이지가 각각 X축 및 Y축으로 구동하는 모습을 나타내고 있다.

우선 도8을 참조하면, 고정부(240,251,252) 중 오른쪽의 상하 코너에 위치한 고정부(251)에 전압이 인가되면 마이크로 렌즈(230)가 장착된 X축 구동 스테이지(210)가 X축 방향의 인력을 받게 되고, 이에 의해 도8에 도시한 것처럼 X축 구동 스테이지(210)가 오른쪽 방향으로 구동한다. 도면에 도시하지 않았지만, 만일 고정부 중 왼쪽의 상하 코너에 위치한 고정부(252)에 전압이 인가되면 X축 구동 스테이지(210)가 이 고정부(252) 쪽으로 인력을 받게 되고, 이에 따라 도8에서 왼쪽 방향으로 X축 구동 스테이지(210)가 구동할 것이다.

도9를 참조하면, 측면 프레임(261,262) 중 아래쪽의 좌우 측면에 위치한 측면 프레임(262)에 전압이 인가되면 점선으로 표시한 Y축 구동 스테이지(220)가 아래쪽 방향의 인력을 받게 되고, 이에 의해 도9에 도시한 것처럼 Y축 구동 스테이지(220)가 아래쪽으로 구동한다. 도면에 도시하지 않았지만, 만일 측면 프레임 중 위쪽의 좌우 측면에 위치한 측면 프레임(261)에 전압이 인가되면 Y축 구동 스테이지(220)는 이 위쪽으로 인력을 받게 되고, 이에 따라 도9에서 위쪽 방향으로 Y축 구동 스테이지(220)가 구동할 것이다.

한편 도6에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 방법에 의해 광학장치를 제작할 때 마이크로 렌즈(230)와 함께 유리 절연부(260,270)도 동시에 제작할 수 있고, 도8 및 도9로부터 알 수 있듯이 이 때 유리 절연부(260,270)는 Y축 구동 스테이지(220)의 영역들을 전기적으로 분리해주고 있다. 그러므로, X축 구동 스테이지(210)와 Y축 구동 스테이지(220)가 단일 실리콘 구조층(즉 메인 기판(50)) 상에 제작됨에도 불구하고, 유리 절연층이 구동 전극을 전기적으로 분리해주기 때문에 각 구동 스테이지들이 X축 및 Y축 방향으로 각기 구동이 가능하다.

도10a 및 도10b는 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 유리 절연부를 설명하기 위한 것으로, 도10a는 본 발명에 따른 유리 절연부(270)를 갖는 광학장치 구조이고 도10b는 종래의 광학장치 구조를 각각 도식적으로 나타낸다.

도10a을 참조하면, 마이크로 렌즈를 제작하는 공정에서 함께 제작된 유리 절연부(270)가 지지빔(221,222) 사이를 연결함과 동시에 두 지지빔(221,222) 사이의 전기적 절연 기능도 한다. 그러나 도10b의 종래 구성에서는, 예컨대 두 개의 지지빔(221,222) 사이를 연결하면서 전기적 절연을 하려면 별개의 연결층(300)이 필요하다. 즉 두 지지빔(221,222)을 이격시킨 상태에서 이 지지빔의 상부층이나 하부증으로 연결층(300)을 형성하는 단계가 필요하며, 이를 위해 종래 구성에서는 연결층(300) 제작을 위해 추가의 증착 공정, 마스크 공정, 및 식각 공정이 요구된다. 그러므로 본 발명에서와 같이 단일 실리콘 기판상에 유리 절연부를 형성함으로써 종래보다 훨씬 효과적으로 광학장치를 제작할 수 있음을 이해할 것이다.

도11은 도6의 예시적 방법에 따라 제작된 2차원 광스캐너의 광학현미경 사진으로, 구동 스테이지가 수평면에서 양 방향으로 구동하는 2차원 광스캐너이다. 도11에서 (가)는 광스캐너의 전체 구조를 나타내고 (나)는 유리 절연부를 확대한 모습이고 (다)는 유리 절연부의 뒷면을 보여주고 있으며, 기판 단위 제작에 의해 마이크로 렌즈와 구동부 뿐 아니라 유리 절연부도 동시에 형성할 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10, 50: 메인 기판
12, 52: 유리 기판
13, 53: 유리기둥
15, 55, 130, 230: 마이크로 렌즈
110: 스테이지
111: 구동 콤 전극부
140: 고정부
160: 측면 프레임
161: 고정 콤 전극부

Claims

마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법에 있어서,
제1 캐비티가 형성된 메인 기판에 제1 유리기판을 접합하는 단계;
제1 열 재흐름 공정에 의해 유리를 상기 캐비티에 채우는 단계;
상기 캐비티에 채워진 유리로부터 유리기둥을 형성하는 단계;
제2 열 재흐름 공정에 의해 상기 유리기둥으로부터 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
상기 메인 기판에 광학장치의 구동기를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 유리기둥을 형성하는 단계는,
상기 유리 기판을 연마하여 상기 메인 기판에서 제거하는 단계; 및
상기 캐비티 주위의 메인 기판을 식각하여 제1 오목부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계 후, 제2 오목부를 갖는 제2 유리 기판을 상기 메인 기판에 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 광학장치의 구동기를 형성하는 단계는,
상기 마이크로 렌즈의 하부면이 드러날 때까지 상기 메인 기판의 하부를 연마하는 단계;
상기 메인 기판의 하부에 마스크를 증착하는 단계; 및
상기 메인 기판을 식각하여 관통구를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제작된 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 5 항에 있어서, 상기 광학장치가 광스캐너이고, 상기 구동기는 빗살모양의 콤 구동기인 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법에 있어서,
제1 캐비티 및 상기 제1 캐비티 보다 직경이 작은 하나 이상의 제2 캐비티가 형성된 메인 기판에 제1 유리기판을 접합하는 단계;
제1 열 재흐름 공정에 의해 유리를 상기 제1 및 제2 캐비티에 채우는 단계;
상기 제1 및 제2 캐비티에 채워진 유리로부터 유리기둥을 형성하는 단계;
제2 열 재흐름 공정에 의해, 상기 제1 캐비티의 유리기둥으로부터 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
상기 메인 기판에 광학장치의 구동기를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 캐비티의 유리기둥은 상기 광학장치의 전기 절연부로 기능하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계 후, 제2 오목부를 갖는 제2 유리 기판을 상기 메인 기판에 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 광학장치의 구동기를 형성하는 단계는,
상기 마이크로 렌즈의 하부면 및 제2 캐비티의 유리기둥의 하부면이 드러날 때까지 상기 메인 기판의 하부를 연마하는 단계;
상기 메인 기판의 하부에 마스크를 증착하는 단계; 및
상기 메인 기판을 식각하여 관통구를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치의 제작 방법.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제작된 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 10 항에 있어서, 상기 광학장치가 2차원 광스캐너이고, 상기 구동기는 빗살모양의 콤 구동기인 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
마이크로 렌즈를 구비한 광학장치에 있어서,
마이크로 렌즈가 장착되고 제1 방향으로 구동가능한 제1 구동 스테이지;
제1 구동 스테이지, 상기 제1 구동 스테이지에서 측방향으로 뻗어있는 제1 구동콤 전극부, 및 상기 제1 구동콤 전극부와 쌍을 이루는 제1 고정콤 전극부를 포함하고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 구동가능한 제2 구동 스테이지;
제2 구동 스테이지 및 상기 제2 구동 스테이지에서 측방향으로 뻗어있는 제2 구동콤 전극부를 지지기판 상부에서 지지하는 복수개의 고정부; 및
상기 제2 구동콤 전극부와 쌍을 이루는 제2 고정콤 전극부를 구비하며 상기 지지기판 상부에 형성된 하나 이상의 측면 프레임;을 포함하고,
상기 제2 구동 스테이지는 복수개의 유리 절연부를 포함하고, 이 유리 절연부에 의해 제2 구동 스테이지가 전기적으로 복수개의 영역으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 12 항에 있어서,
상기 제2 구동 스테이지는 상기 복수개의 고정부의 각각과 지지빔에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 13 항에 있어서,
상기 복수개의 유리 절연부의 각각은, 상기 복수개의 고정부 중 제1 고정부와 연결된 제2 구동 스테이지의 영역 및 상기 제1 고정부와 이웃하는 제2 고정부와 연결된 제2 구동 스테이지의 영역 사이를 전기적으로 분리하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 14 항에 있어서,
상기 복수개의 유리 절연부는 상기 마이크로 렌즈와 동일한 제작공정 단계에서 형성된 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.
제 15 항에 있어서, 상기 광학장치가 2차원 광스캐너인 것을 특징으로 하는, 마이크로 렌즈를 구비한 광학장치.