KR20090072462A - 나노렌즈의 제조방법 - Google Patents

나노렌즈의 제조방법 Download PDF

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KR20090072462A
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배시영
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Abstract

본 발명은 나노렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 홀로그램 리소그라피를 이용하여 감광막 광결정 패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광막 광결정 패턴을 리플로우시켜 나노크기의 곡률 반경을 갖는 감광막 나노렌즈를 형성하는 단계와, 상기 기판 자체의 상면에 반도체 나노렌즈가 형성되도록 상기 감광막 나노렌즈를 포함한 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함함으로써, 저 비용으로 나노크기의 렌즈 어레이 제작이 가능하며, 발광소자에 집적 시 광추출 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
홀로그램 리소그래피, 나노렌즈, 발광소자, 감광막, 식각

Description

나노렌즈의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING NANO-LENS}
본 발명은 나노렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홀로그램 리소그래피를 이용하여 나노렌즈를 제작하고, 제작된 나노렌즈를 발광소자 상에 집적하여 형성함으로써, 저 비용으로 나노크기의 렌즈 어레이 제작이 가능하며, 발광소자에 집적 시 광추출 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 나노렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(LED)는 두 개의 상반된 도핑층 사이에 활성층을 포함하는 반도체 소자로, 두 개의 도핑층 사이에 바이어스를 인가하면 정공과 전자가 활성층으로 주입되어 재결합하여 광을 발생하며, 발생한 광은 소자의 모든 노출면으로 방출된다.
이러한 발광 다이오드를 구성하는 반도체 재료는 통상적으로 굴절율이 1인 대기나 굴절율이 1.5인 에폭시보다도 굴절율이 높아서 프레넬(Fresnel) 손실과 내부 전반사에 의한 손실이 발생하게 된다.
따라서 이러한 손실을 최소화하여 광 방출을 향상시키는 방법들이 다양하게 시도되고 있다.
먼저, 발광 다이오드 표면을 무반사 코팅하여 프레넬 손실을 줄이는 방법이 있는데, 이 방법은 프레넬 손실이 내부 전반사 손실에 비해 작기 때문에 그 효과가 그리 크지는 않다.
또한, 기판에 요철 구조물을 형성하여, 상기 요철이 발광 다이오드 표면에 내부 전반사된 광의 경로를 수정한 후, 탈출 콘(Escape Cone) 내로 진입하도록 유도하여 광 방출을 높이는 방법이 있으며, 발광 다이오드 표면을 화학약품으로 처리하여 표면을 인위적으로 거칠게 만듦으로써 산란에 의해 내부전반사를 억제하는 방법 또는 발광 다이오드 표면에 광결정(Photonic Crystal) 패턴을 형성하는 방법 등이 있다.
한편, 발광 다이오드 표면에 마이크로렌즈 어레이를 집적하여 광 방출을 향상시키는 방법도 보고된 바 있는데, 이 방법은 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 직경이 수 내지 수십 마이크로미터인 원형 패턴을 형성한 후, 리플로우(Reflow)시켜 렌즈 형상을 만드는 것으로서, 탈출 콘(Escape cone)의 각을 크게 하여 광 추출 효율을 향상시키는 방식이다{참고문헌; Effect of GaN microlens array on efficiency of GaN-based blue-LED, JJAP., Vol. 44, No. 1, 2005}.
하지만, 상기 종래의 방식은 포토리소그래피 공정으로 형성되는 렌즈의 선폭이 마이크로미터 단위이므로, 렌즈간 간격을 줄이기가 어려우며 나노크기의 렌즈를 제조하는 것이 어렵기 때문에 광추출 효율 향상에 제약이 따르게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 나노크기의 렌즈를 제작하고, 제작된 나노렌즈를 발광소자 상에 집적하여 제조함으써, 저 비용으로 나노크기의 렌즈 어레이 제작이 가능하며, 발광소자에 집적 시 광추출 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 나노렌즈의 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 기판 상에 홀로그램 리소그라피를 이용하여 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 특정 온도로 리플로우시켜 나노크기의 곡률 반경을 갖는 감광막 나노렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 기판 자체의 상면에 반도체 나노렌즈가 형성되도록 상기 감광막 나노렌즈를 포함한 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 나노렌즈의 제조방법을 제공하는 것이다.
이때, '나노 렌즈'라 함은 통상적인 포토 리소그라피 공정으로 제조하기 어려운 정도의 크기를 갖는 것을 의미하는데, 통상적인 포토 리소그라피 공정으로는 5㎛ 미만의 직경으로 마이크로 렌즈를 제작하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 나노렌즈의 개략적인 크기는 5㎛ 미만의 직경으로 제작되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1㎛ 미만의 직경으로 제작가능하다.
한편, '나노크기'라 함은 통상적으로 1nm 내지 1000nm 즉, 1㎛ 보다 작으며 1nm보다는 큰 크기를 의미하는데, 본 발명에서의 '나노크기'의 범위는 약 200nm 내지 1000nm범위로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 감광막 나노렌즈의 곡률 반경은 상기 리플로우에 대한 가열 온도 또는 시간을 이용하여 조절하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 특정 온도는 120℃ 내지 400℃ 범위로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체 나노렌즈는 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 기판 상에 나노크기의 감광막 광결정 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판 자체의 상면에 나노크기의 반도체 광결정 패턴이 형성되도록 상기 감광막 광결정 패턴을 포함한 기판의 전면을 식각하는 단계; 및 상기 나노크기의 반도체 광결정 패턴을 식각하여 반도체 나노렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 나노렌즈의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 반도체 광결정 패턴은 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 반도체 나노렌즈는 습식 식각법을 이용하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체 나노렌즈의 곡률 반경은 습식 식각법을 이용할 경우, 식각 시간 또는 농도비를 이용하여 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 나노렌즈의 제조방법에 따르면, 제조방법이 매우 간단하고, 저 비용으로도 나노크기를 갖는 렌즈 또는 렌즈 어레이의 제작이 가능하며, 발광소자에 집적할 경우 광 추출 효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하며, 중복되는 요소에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
(제1 실시예)
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노렌즈의 제조방법을 설 명하기 위한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 감광막(Photoresist)(110)을 도포한 후, 예컨대, 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 이용하여 기판(100)의 상부에 도포된 감광막(110)을 노광시킨다.
즉, 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광을 기판(100)의 상면에 도포된 감광막(110)의 상부에 1차 노광시키면, 1차원 감광막 광결정 패턴을 형성할 수 있으며, 이후에 기판(100)을 특정 각도로 회전하여 2차 노광시키면, 2차원 감광막 광결정 패턴(120)을 형성할 수 있다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판(예컨대, GaAs기판 또는 InP기판 등)으로 하는 것이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라도 기판(100)의 상면에 감광막(110)을 도포할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
그리고, 상기 광결정 패턴 무늬를 갖는 광은 예컨대, 레이저 홀로그램을 이용하여 만들 수 있는데, 이에 한정되지는 않으며, 나노 임프린트 기술, E-beam 리소그라피 등의 방식을 사용하는 것도 가능하다. 하지만, 홀로그램 리소그라피를 이용하는 경우 비용 면에서 저렴하고 공정도 단순하기 때문에 상용화에 바람직하다.
이러한 레이저 홀로그램은 경로 차를 갖는 둘 이상의 레이저 광이 만나서 주기적인 간섭무늬를 형성하는 현상을 말한다.
이때, 상기 간섭 패턴의 주기는 예컨대, 광원의 파장, 격자 오더(Grating Order) 또는 입사광의 각도 등에 따라 결정된다.
한편, 기판(100)을 회전하는 특정 각도는 0°에서 90°까지 적절하게 조절할 수 있는데, 이러한 각도의 변화에 따라 다양한 형태의 2차원 감광막 광결정 패턴(120)을 형성할 수 있다.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 특정 영역을 갖는 포토마스크(130)를 이용하여 2차원 광결정 패턴(120)을 마스킹하고 노광함으로써, 기판(100) 상면의 원하는 부위에 최종적인 감광막 광결정 패턴(140)을 형성할 수 있다.
즉, 기판(100)의 일측 상부에 포토마스크(130)를 배치시킨 후, 예컨대, 자외선(UV) 등을 이용하여 노광시킨다. 그런 다음, 예컨대, 현상액(Developer) 등을 이용하여 현상하면, 나노크기의 감광막 광결정 패턴(140)을 원하는 부위에 형성할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 기판(100)의 상면에 형성된 감광막 광결정 패턴(140)을 특정 온도로 가열하여 리플로우(Reflow)시키면, 나노크기의 곡률 반경을 갖는 감광막 나노렌즈(150)를 형성할 수 있다.
이때, 감광막 광결정 패턴(140)은 유리 천이온도(Glass Transition Temperature) 이상의 온도(예컨대, 약 120℃ 내지 400℃ 정도)의 온도로 가열하여 리플로우 시키는데, 이러한 과정을 통하여 기판(100)의 상면에 나노크기의 곡률 반경을 갖는 감광막 나노렌즈(150)를 형성할 수 있다.
한편, 감광막 광결정 패턴(140)에 대한 리플로우 시 가열온도 또는 시간을 적절히 조절함으로써 감광막 나노렌즈(150)의 곡률 반경을 용이하게 조절할 수 있다.
도 1f를 참조하면, 감광막 나노렌즈(150)를 포함한 기판(100)의 전면을 식각함으로써 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 나노렌즈(160)를 형성할 수 있다.
즉, 감광막 나노렌즈(150)를 포함한 기판(100)의 전면을 식각함으로써 감광막 나노렌즈(150)가 그 형태를 유지한 상태에서 식각되어, 기판(100)자체의 상면에 소정의 곡률 반경을 갖는 반도체 나노렌즈(160)를 형성할 수 있다.
물론, 반도체 나노렌즈(160)는 단일 구성의 렌즈로만 국한하지 않으며, 렌즈 어레이의 형태로써 제작하는 것도 가능하다.
이때, 기판(100)을 식각하는 방법으로는 예컨대, 플라즈마 건식 식각법(Plasma Dry Etching)을 이용하는 것이 바람직한데, 상기 플라즈마 건식 식각법은 상기 기판(100)을 예컨대, GaAs기판으로 할 경우, Cl2를 10sccm 내지 30sccm으로 하며, 상기 기판을 예컨대, InP기판으로 할 경우, BCl3/Cl2를 10sccm 내지 30sccm으로 하여, 두 경우 모두 1mT 내지 15mT 범위의 압력 및 200V 내지 400V 범위의 구동전압에 의한 반응성 이온 식각(RIE)을 통하여 식각할 수 있으며, 반도체 나노렌즈(160)의 곡률 반경은 식각에 사용한 가스의 양, 압력 또는 구동전압 등의 조건을 통하여 조절할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 감광막 나노렌즈의 주사선전자현미경 사진을 나타낸 도면으로써, 광결정 패턴무늬를 갖는 광을 약 40mW로 약 60초간 노광하여 형성된 감광막 광결정 패턴(140)(도 2a 참조)을, 다시 약 180℃의 온도로 약 40초간 리플로우 시킴으로써 형성된 감광막 나노렌즈(150)(도 2b 참조) 에 대한 주사선전자현미경사진(SEM; Scanning Electron Microscope)을 도시하고 있는데, 리플로우 공정을 통하여 매끄러운 표면을 갖는 감광막 나노렌즈(150)가 형성됨을 나타낸다.
이때, 감광막 광결정 패턴(140)의 간격(주기)은 약 2.3㎛이고, 사이즈(지름)는 약 600nm이며, 높이는 약 250nm이다.
(제2 실시예)
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로써, 본 발명의 제2 실시예에서는, 전술한 기판(100)상에 형성된 감광막 광결정 패턴(140)을 이용하여 반도체 나노렌즈(160)를 형성하는 다른 방법에 대해서 주된 설명을 하고, 기판(100)의 상면에 감광막 광결정 패턴(140)을 형성하는 방법에 대해서는 전술한 제1 실시예와 동일하기 때문에, 이에 대한 자세한 설명을 본 발명의 제1 실시예를 참조하기로 한다.
도 3a를 참조하면, 전술한 감광막 광결정 패턴(140, 도 1d 참조)을 포함한 기판(100)의 전면을 식각함으로써, 기판(100)자체의 상면에 나노크기를 갖는 반도체 광결정 패턴(170)을 형성할 수 있다.
즉, 감광막 광결정 패턴(140)을 포함한 기판(100)의 전면을 식각하면, 감광막 광결정 패턴(140)이 그 형태를 유지한 상태에서 식각되어 기판(100)자체의 상면에 감광막 광결정 패턴(140)과 동일한 형태의 반도체 광결정 패턴(170)을 형성할 수 있다.
이때, 기판(100)을 식각하는 방법으로는 예컨대, 플라즈마 건식 식각법을 이용하는 것이 바람직한데, 플라즈마 건식 식각법을 이용할 경우, 반도체 광결정 패턴(170)의 모양 또는 두께는 식각에 사용한 가스의 양, 압력 또는 구동전압 등의 조건을 통하여 조절할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 반도체 광결정 패턴(170)을 식각함으로써 본 발명의 제2 실시예에 따른 곡률 반경을 갖는 반도체 나노렌즈(160)를 형성할 수 있다.
물론, 반도체 나노렌즈(160)는 단일 구성의 렌즈 형태에 국한하지 않으며, 렌즈 어레이의 형태로써 제작하는 것도 가능하다.
이때, 반도체 광결정 패턴(170)을 식각하는 방법으로는 예컨대, 습식 식각법(Wet Etching)을 이용하는 것이 바람직한데, 상기 습식 식각법은 기판(100)을 예컨대, InP기판으로 할 경우, HBr, H3PO4 및 K2Cr2O7을 이용하여 각각을 동일한 비율로 하여 식각할 수 있으며, 이러한 습식 식각법을 이용할 경우, 플라즈마 건식 식각법과는 달리 전방향성 식각이 이루어지기 때문에 용액의 농도비 또는 식각 시간 등을 조절함으로써 렌즈의 모양 또는 곡률 반경을 조절할 수 있다{참고문헌; International conference on IPRM 2003, pp. 175-177}.
(제3 실시예)
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 발광소자는 일반적인 발광소자의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(200), 활성층(210) 및 p형 도핑층(220)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(220)의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극(230)을 적층하고, n형 도핑층(200)의 하면에 n형 하부전극(240)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 4b를 참조하면, p형 도핑층(220)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 반도체 나노렌즈(160)를 집적함으로써, 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 반도체 나노렌즈(160)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
(제4 실시예)
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 발광소자는 일반적인 발광소자의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(300), 활성층(310) 및 p형 도핑층(320)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(320)의 상부에 투명전극(330) 및 접촉패드(340)를 순차적으로 적층하고, n형 도핑층(300)의 하면에 n형 하부전극(350)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 5b를 참조하면, p형 도핑층(320)의 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 반도체 나노렌즈(160)를 형성함으로써, 본 발명의 제4 실 시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 반도체 나노렌즈(160)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 투명전극(330)은 반도체 나노렌즈(160)의 상부에 증착되기 때문에, 그 형태는 반도체 나노렌즈(160)의 형태와 동일하게 형성된다.
즉, 반도체 나노렌즈(160)의 곡률 반경과 대응되는 면이 동일한 곡률 반경을 갖는 형태가 되도록 하여, 투명전극(330)이 반도체 나노렌즈(160)의 상부에 적층되도록 하며, 반도체 나노렌즈(160)의 형태가 렌즈 어레이의 형태일 경우에도 동일한 형태로 하여 투명전극(330)이 적층될 수 있도록 한다.
전술한 본 발명에 따른 나노렌즈의 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 감광막 나노렌즈의 주사선전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 나노렌즈를 포함한 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (8)

  1. 기판 상에 홀로그램 리소그라피를 이용하여 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 리플로우시켜 나노크기의 곡률 반경을 갖는 감광막 나노렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 기판 자체의 상면에 반도체 나노렌즈가 형성되도록 상기 감광막 나노렌즈를 포함한 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 나노렌즈의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 감광막 나노렌즈의 곡률 반경은 상기 리플로우에 대한 가열 온도 또는 시간을 이용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 리플로우 온도는 120℃ 내지 400℃ 범위인 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 나노렌즈는 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
  5. 기판 상에 홀로그램 리소그라피를 이용하여 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판 자체의 상면에 나노크기의 반도체 패턴이 형성되도록 상기 감광막 패턴을 포함한 기판의 전면을 식각하는 단계; 및
    상기 반도체 패턴을 식각하여 나노크기의 반도체 나노렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 나노렌즈의 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 반도체 패턴은 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 반도체 나노렌즈는 습식 식각법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 반도체 나노렌즈의 곡률 반경은 습식 식각법을 이용할 경우, 식각 시간 또는 농도비를 이용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 나노렌즈의 제조방법.
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