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KR101306481B1 - 기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법 - Google Patents

기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법 Download PDF

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KR101306481B1
KR101306481B1 KR1020120078968A KR20120078968A KR101306481B1 KR 101306481 B1 KR101306481 B1 KR 101306481B1 KR 1020120078968 A KR1020120078968 A KR 1020120078968A KR 20120078968 A KR20120078968 A KR 20120078968A KR 101306481 B1 KR101306481 B1 KR 101306481B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
glass
main substrate
substrate
micro
cavity
Prior art date
Application number
KR1020120078968A
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Inventor
하준근
김용권
유승현
진주영
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법이 제공된다. 기판에 내장되는 미세 광학 소자의 제작 방법은, 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법은 미세 광학 소자가 내장될 메인 기판을 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 한 개 이상의 캐비티를 형성하고, 캐비티가 형성된 메인 기판의 상부에 유리 기판을 접합하며, 유리 기판의 유리가 한 개 이상의 캐비티를 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하며, 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여 메인 기판에 내장되는 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작한다.

Description

기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법{Micro-Optical Component Integrated in Substrate, Method for Fabricating Micro-Optical Component Integrated in Substrate, Micro-Optical Component Array and Method for Fabricating Micro-Optical Component Array}
본 발명은 기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식각 공정과 유리 열 재흐름 공정을 통해 실리콘과 같은 기판 단위로 미세 광학 소자를 제작할 수 있는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법에 관한 것이다.
MEMS(Micros Electro Mechanical System) 기술의 발전에 따라 다양한 종류의 미세 광학 소자들이 제작되고 있다. 미세 광학 소자의 재료는 크게 폴리머 계열의 물질과 유리로 구분된다. 폴리머 계열 물질의 경우, 사출성형 및 열 재흐름 공정을 통해 복잡한 형상도 보다 쉽게 구현할 수 있다. 이에 반해, 유리를 소재로 한 미세 광학 소자는 폴리머에 비해 복잡한 형상을 구현하기 어렵고, 제작 비용이 고가라는 단점이 있다. 그러나, 유리는 낮은 열 팽창률, 강한 내열성, 내화학성 등 높은 기계적 특성을 가지고 있으며, 또한, 높은 굴절률과 투명도를 가져 광학 소자의 재료로서 적합하다는 장점이 있다.
유리를 소재로 한 미세 광학 소자는 열과 압력을 이용한 Hot Embossing방식, 진공 환경에서 열 재흐름 공정을 이용한 방식, 또는, 습식 식각을 이용한 방식 등으로 제작되고 있다. Hot Embossing 방식은, 유리 기판의 위와 아래에 금형 틀을 위치시키고, 열과 압력을 동시에 가해 유리 기판을 변형시키는 방식이다. 열 재흐름 공정을 이용한 방식은, 진공 환경에서 실리콘 금형 기판과 유리 기판을 접합한 후, 열 재흐름 공정 시 압력차이에 의해 렌즈 모양을 형성하는 방식이다. 습식 식각을 이용한 방식은, 유리 기판의 등방성 식각을 통해 렌즈를 형성하는 방식이다. 그러나, 기존의 유리를 소재로 한 미세 광학 소자를 제작하는 기술들은 유리 소자 제작 시 원하는 모양을 정밀하게 제작하는데 한계가 있으며, 소자 단위로 유리 미세 소자를 제작한 후 다른 소자와의 소자 단위 결합을 수작업으로 진행하는 불편함이 수반된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 개별 소자 단위가 아닌 기판 단위로 유리 미세 소자 또는 프리즘 소자와 같은 미세 광학 소자 또는 미세 광학 소자 어레이를 제작할 수 있는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 및 그의 제작 방법, 그리고, 미세 광학 소자 어레이 및 그의 제작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세 광학 소자가 내장될 메인 기판을 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계; 상기 캐비티가 형성된 메인 기판의 상부에 유리 기판을 접합하는 단계; 상기 유리 기판의 유리가 상기 한 개 이상의 캐비티를 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여 상기 메인 기판에 내장되는 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법이 제공된다.
상기 미세 광학 소자가 미세 유리 렌즈인 경우, 상기 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계는, 오목한 기둥 형태의 캐비티가 형성되도록 상기 메인 기판을 수직 식각하며, 상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계는, 상기 한 개 이상의 캐비티를 유리로 채워 한 개 이상의 유리 기둥이 상기 메인 기판에 내장되도록 할 수 있다.
상기 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계는, 상기 메인 기판에 내장된 한 개 이상의 유리 기둥의 일부가 드러나도록 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부를 수직 식각하는 단계; 상기 미세 유리 렌즈의 광학 특성에 기초하여 상기 일부가 드러난 한 개 이상의 유리 기둥에 대해 2차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및 상기 메인 기판에 내장된 상기 한 개 이상의 유리 기둥의 바닥이 보이도록 상기 메인 기판의 하부를 연마하는 단계;를 포함한다.
상기 미세 광학 소자가 미세 유리 프리즘인 경우, 상기 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계는, 오목한 다각뿔 형태의 캐비티가 형성되도록 상기 메인 기판을 습식 식각하며, 상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계는, 상기 한 개 이상의 캐비티를 유리로 채워 한 개 이상의 다각뿔이 상기 메인 기판에 내장되도록 한다.
상기 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계는, 상기 메인 기판에 내장된 한 개 이상의 다각뿔 중 일부가 드러나도록 상기 유리가 채워진 메인 기판의 하부를 수직 식각한다.
상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계 이후, 상기 유리 기판을 연마하여 상기 기판의 상부에 접합된 유리를 제거하는 단계;를 더 포함한다.
상기 미세 광학 소자가 미세 유리 렌즈인 경우, 상기 캐비티를 형성하는 단계는 하나의 메인 기판 상에 복수 개의 캐비티를 형성하고, 상기 미세 광학 소자가 미세 유리 프리즘인 경우, 상기 캐비티를 형성하는 단계는 하나의 메인 기판 상에 하나의 캐비티를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 방법들 중 어느 하나에 의해서 제작된 미세 광학 소자가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 메인 기판을 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 복수 개의 캐비티들을 형성하는 단계; 상기 복수 개의 캐비티들이 형성된 메인 기판의 상부에 유리 기판을 접합하는 단계; 상기 유리 기판의 유리가 상기 복수 개의 캐비티들을 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여, 복수 개의 미세 광학 소자들이 내장된 메인 기판을 미세 광학 어레이 소자로서 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 소자 어레이 제작 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 메인 기판; 및 상기 메인 기판에 내장된 복수 개의 미세 광학 소자들;을 포함하며, 상기 복수 개의 미세 광학 소자들은 상기 메인 기판을 식각하여 복수 개의 캐비티들을 형성하고, 유리 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 복수 개의 캐비티들에 유리를 채운 후, 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여 제작되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 소자 어레이가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 메인 기판을 식각하는 공정과 유리 열 재흐름 공정을 통해 메인 기판 내에 미세 유리 렌즈 또는 미세 유리 프리즘과 같은 미세 광학 소자를 하나 이상 내장시키는 것이 가능하다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 방식으로 미세 유리 렌즈 또는 미세 유리 프리즘을 제작하는 경우, 미세 유리 렌즈 또는 미세 유리 프리즘의 형상에 따라 광학적 특성이 달라지게 되는데, 유리를 일정한 형상으로 제작하기 위해 메인 기판을 식각한 후 유리를 유리 열 재흐름 공정을 통해 메인 기판에 내장시킴으로써 미세 유리 렌즈 또는 미세 유리 프리즘을 일정한 형상으로 다수 제작하는 것이 가능하다.
또한, 실리콘 웨이퍼와 같은 메인 기판에 다수의 미세 광학 소자들을 제작한 후, 다수의 미세 광학 소자들이 내장된 메인 기판을 하나의 소자 어레이로 간단히 제작할 수 있다.
또한, 실리콘 웨이퍼와 같은 메인 기판에 다수의 미세 광학 소자들을 제작함으로써, 미세 광학 소자와 다른 소자(예를 들어, 액츄에이터)를 수작업으로 결합하지 않고 메인 기판을 이용해 결합함으로써 후공정에 소요되는 시간과 수고를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법을 간략히 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법을 간략히 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1을 참조하여 설명한, 본 발명의 제1실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 중 유리 미세 렌즈 제작 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3의 제작 방법에 의해 형성되는 미세 유리 렌즈의 전자 현미경 사진을 도시한 도면, 그리고,
도 5는 도 2를 참조하여 설명한, 본 발명의 제2실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 중 유리 미세 프리즘 제작 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 도면이다.
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 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 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 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법을 간략히 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 메인 기판(10)의 상단부를 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 캐비티(11)를 형성한다. 즉, 미세 광학 소자는 소자 단위가 아닌 메인 기판(10) 단위로 제작될 수 있다. 도 1의 (a)에서 메인 기판(10)은 실리콘 기판이거나 금속 기판일 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 기판을 예로 들어 설명한다. 또한, 도 1의 (a)에서 캐비티(11)는 습식 식각 또는 건식 식각 방식을 이용한 수직 식각에 의해 형성될 수 있다. 수직 식각을 하는 이유는 기둥 형태이면서 메인 기판(10)에 내장된 미세 광학 소자를 제작하기 위함이다
캐비티(11)는 제작될 미세 광학 소자의 일부 외형과 동일한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 광학 소자가 원기둥 형태를 포함하고 있으면, 캐비티(11)는 오목한 형태의 원기둥으로 형성될 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 메인 기판(10)의 상단부에 놓여진 유리(12)에 대해 유리 열 재흐름 공정을 적용하여 유리(12)를 녹임으로써, 유리(12)가 캐비티(11)를 채우도록 한다.
도 1의 (c)를 참조하면, 메인 기판(10)의 상단부에 남아있는 유리(12)와 메인 기판(10)의 캐비티(11)를 채운 유리(12)의 측면을 둘러싼 메인 기판(10)을 식각하여 유리 기둥(13)을 제작한다.
도 1의 (d)를 참조하면, 유리(12)가 채워진 메인 기판(10)의 상부를 식각하여 메인 기판(10)에 내장되는 미세 광학 소자(14)를 제작한다. 도 1의 (d) 단계는 도 1의 (c) 단계에서 제작된 유리 기둥(13)의 상부를 미세 광학 소자(14)의 광학적 특성에 기초하여 공정한다. 예를 들어, 미세 광학 소자(14)가 미세 유리 렌즈인 경우, 미세 유리 렌즈의 초점 거리, 개구수에 따라 유리 기둥(13)의 상부의 곡률 등을 다르게 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법을 간략히 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 메인 기판(20)의 상단부를 식각 마스크 패턴에 따라 습식 식각하여 캐비티(21)를 형성한다. 즉, 미세 광학 소자는 소자 단위가 아닌 메인 기판(20) 단위로 제작될 수 있다. 도 2의 (a)에서 메인 기판(20)은 실리콘 기판이거나 금속 기판일 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 기판을 예로 들어 설명한다.
캐비티(21)는 제작될 미세 광학 소자의 외형과 동일한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 광학 소자가 프리즘 형태이면, 캐비티(21)는 오목한 형태의 프리즘(또는 다각뿔)으로 형성될 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 메인 기판(20)의 상단부에 놓여진 유리(22)에 대해 유리 열 재흐름 공정을 적용하여 유리(22)를 녹임으로써, 유리(22)가 캐비티(21)를 채우도록 한다.
도 2의 (c)를 참조하면, 유리(22)가 채워진 메인 기판(20)의 하부를 식각하여 메인 기판(20)에 내장되는 미세 광학 소자(23)를 제작한다. 메인 기판(20)의 상단부에 남아있는 유리(22)를 식각하여 캐비티(21)에 해당하는 형태의 유리만이 남도록 하며, 이로써 미세 유리 프리즘(23)이 제작된다.
도 3은 도 1을 참조하여 설명한, 본 발명의 제1실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 중 유리 미세 렌즈 제작 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 메인 기판(30)의 상단부를 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 복수 개의 캐비티(31)들을 형성한다. 자세히는, 도 3의 (a)단계는 메인 기판(30)에 사진 공정을 통해 감광막 식각 마스크를 생성한 후 메인 기판(30)을 수직 식각함으로써 복수 개의 캐비티(31)들을 형성할 수 있다. 즉, 유리 미세 렌즈는 메인 기판(30)을 금형처럼 이용하여 제작될 수 있으며, 메인 기판(30)이 웨이퍼인 경우, 웨이퍼 단위로 제작될 수 있다. 메인 기판(30)은 실리콘 기판일 수 있다.
또한, 도 3의 (a)에서 복수 개의 캐비티(31)들은 습식 식각 또는 건식 식각 방식을 이용한 수직 식각에 의해 형성될 수 있다. 수직 식각을 하는 이유는 메인 기판(30)에 내장된 형태이면서 기둥 형태를 가지는 유리 미세 렌즈를 제작하기 위해서이다. 따라서, 캐비티(31)는 제작될 유리 미세 렌즈의 일부 외형과 동일한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유리 미세 렌즈가 원기둥 형태를 포함하고 있으면, 캐비티(31)는 오목하면서 비어 있는 형태의 원기둥으로 형성될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 도 3의 (a)에서 생성된 식각 마스크를 제거한 후 복수 개의 캐비티(31)들이 형성된 메인 기판(30)의 상부에 유리 기판(35)을 접합한다. 유리 기판(32)은 붕규산 유리(Borosilicate Glass) 기판일 수 있으며, 진공 환경에서 양극 접합 방식에 의해 접합될 수 있다. 도 3의 (b)에서와 같이 진공 환경에서 양극 접합을 함으로써 다음 단계인 유리 열 흐름 공정에서, 식각된 메인 기판(30), 즉, 복수 개의 캐비티(31)들로 유리가 완벽히 흘러 들어갈 수 있게 된다.
도 3의 (c)를 참조하면, 메인 기판(30)의 상부에 접합된 유리 기판(32)의 유리가 복수 개의 캐비티(31)들을 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행한다. 유리 열 재흐름 공정은 약 850℃에서 진행될 수 있다. 유리 열 재흐름 공정은 유리 기판(32)의 유리가 복수 개의 캐비티(31)들을 채움으로써 메인 기판(30)이 복수 개의 유리 기둥(33)들을 내장하도록 한다.
도 3의 (d) 단계를 참조하면, 1차 유리 열 재흐름 공정 이후, 메인 기판(30)의 상부에 접합된 유리 기판(32)을 연마하여 메인 기판(30)의 상부에 접합된 유리를 제거한다. 이로써, 도 3의 (c) 단계에서 접합된 유리 기판(32)은 캐비티(31)로 흘러들어간 부분만 남고 모두 제거되어, 메인 기판(30)은 복수 개의 유리 기둥(33)들을 내장하고 있는 형태가 된다. 도 3의 (d) 단계는 화학적/기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)를 통해 메인 기판(30) 위의 유리를 제거할 수 있다.
도 3의 (e)를 참조하면, 메인 기판(30)에 내장된 복수 개의 유리 기둥(33)들의 일부가 드러나도록, 유리가 채워진 메인 기판(30)의 상부를 수직 식각한다. 도 3의 (d)에서 연마된 메인 기판(30)은 복수 개의 유리 기둥(33)들을 내장하고 있는 형태가 된다. 따라서, 도 3의 (e)에서 사진 공정을 통해 감광막을 메인 기판(30)의 상단부에 패터닝한 뒤 메인 기판(30)을 수직 식각하여 메인 기판(30)에 내장된 유리 기둥의 상부를 외부로 드러낸다. 수직 식각은 습식 식각 방식 또는 건식 식각 방식에 의해 수행될 수 있다.
도 3의 (e)를 참조하면, 외부로 드러난 유리 기둥(33)의 높이(H)와 도 3의 (a)에서 형성되는 캐비티(31)들의 너비(w)는 2차 유리 열 재흐름 공정에서 형성되는 유리 미세 렌즈(34)들의 광학 특성을 제어하는 요소가 된다. 따라서, 캐비티(31)들의 너비(w)와 유리 기둥의 높이(H)는 유리 미세 렌즈의 광학 특성 또는 형상에 따라 조정될 수 있다. 미세 유리 렌즈의 광학 특성은 렌즈의 초점 거리, 개구수 등 다양하다.
도 3의 (f)를 참조하면, 유리 미세 렌즈의 광학 특성에 기초하여 외부로 드러난 복수 개의 유리 기둥(33)들의 상부에 대해 2차 유리 열 재흐름 공정을 수행한다. 2차 유리 열 재흐름 공정에 의해 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 제작되며, 제작되는 유리 미세 렌즈(34)들의 상부의 곡률은 유리 미세 렌즈의 광학적 특성과 관련될 수 있다. 따라서, 제작하고자 하는 유리 미세 렌즈(34)의 광학적 특성에 따라 유리 기둥(33)들의 상부를 다르게 제작할 수 있다.
도 3의 (g)를 참조하면, 메인 기판(30)의 하부에 접합될 유리 기판(35)을 습식 식각하여 하나의 캐비티(36)를 형성한다. 도 3의 (f) 단계는 불산을 이용하여 유리 기판(35)을 식각할 수 있다. 또한, 도 3의 (f) 단계에서 제작되는 유리 기판(35)은 유리 미세 렌즈(34)가 내장된 메인 기판(30)을 핸들링하는 용도로 사용될 수 있다.
도 3의 (h)를 참조하면, 도 3의 (f) 단계에서 2차 유리 열 재흐름 공정에 의해 메인 기판(30)에 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 내장되고, 유리 기판(35)에 캐비티(31)가 형성되면, 캐비티(31)가 형성된 유리 기판(35)의 상부와 메인 기판(30)의 상부를 양극 접합하고, 메인 기판(30)의 하부를 연마한다.
도 3의 (h) 단계에서 메인 기판(30)의 하부는 메인 기판(30)에 내장된 복수 개의 유리 기둥(33)들(즉, 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들)의 바닥이 보이도록 CMP 방식에 의해 연마될 수 있다. 이로써, 하나의 메인 기판(30) 단위로 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 동시에 제작된다. 또한, 도 3의 (h) 단계에 의해 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 메인 기판(30)을 관통하는 형태로 제작됨으로써, 광이 메인 기판(30)을 관통하는 것으로 해석될 수도 있다.
또한, 하나의 메인 기판(30) 도 3의 (h) 단계에 의해 미세 유리 렌즈(34)가 제작되면, 후 작업으로서 메인 기판(30)의 하부에 액츄에이터(미도시)가 형성되어 현미경에 사용될 소자로 제작될 수 있다.
도 4는 도 3의 제작 방법에 의해 형성되는 미세 유리 렌즈의 전자 현미경 사진을 보여준다.
도 4의 (a)는 도 3의 (e) 단계 후 메인 기판(30)을 메인 기판(30)의 위에서 바라본 평면도이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 도 3의 (e) 단계에 의해, 메인 기판(30)에 복수 개의 유리 기둥(33)들이 형성되었음을 알 수 있다.
도 4의 (b)는 도 3의 (f) 단계 후 메인 기판(30)을 메인 기판(30)의 위에서 바라본 평면도이다. 도 4의 (b)를 참조하면, 도 3의 (f) 단계에 의해, 메인 기판(30)에 복수 개의 미세 유리 렌즈(34)들이 형성되었음을 알 수 있다.
도 4의 (c)는 도 3의 (h) 단계에 의해 메인 기판(30)과 유리 기판(35)이 접합되고, 메인 기판(30)의 하부를 연마한 후, 메인 기판(30)을 옆에서 바라본 측단면도이다. 도 4의 (c)를 참조하면, 메인 기판(30)의 내부에 유리 미세 렌즈(34)들이 내장되어 있고, 유리 미세 렌즈(34)들의 상부와 하부는 외부로 드러나게 됨을 알 수 있다. 또한, 도 3의 (e) 단계에서 형성되는 유리 기둥(33)의 너비와 높이에 따라 도 3의 (f)에서 형성되는 유리 미세 렌즈(34)들의 형상이 달라지며, 메인 기판(30)에 내장된 원하는 모양의 미세 유리 렌즈 어레이를 기판 단위의 공정을 통해 제작하는 것이 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 유리 미세 렌즈(34)는 메인 기판(30)을 관통하는 형태를 갖도록 제작된다.
도 5는 도 2를 참조하여 설명한, 본 발명의 제2실시예에 따른 기판에 내장되는 미세 광학 소자 중 유리 미세 프리즘 제작 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 메인 기판(50)의 상단부를 식각 마스크 패턴에 따라 습식 식각하여 캐비티(51)를 형성한다. 자세히는, 도 5의 (a)단계는 {100} 방향의 메인 기판(50)에 식각 마스크를 패터닝한 후 습식 식각을 통해 경사면을 가지는 캐비티(51)를 형성할 수 있다. 습식 식각은 KOH(Potasium Hydroxide) 수용액을 사용할 수 있다. 도 5의 (a) 단계에는 하나의 캐비티(51)가 형성되었으나, 이는 일 예로서 복수 개의 캐비티(51)들이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 캐비티(51)가 경사면을 가지는 이유는 유리 미세 프리즘을 제작하기 위해서다. 예를 들어, 도 5의 (a) 단계는, 약 54° 기울어진 경사면을 가지는 캐비티(51)를 형성할 수 있다. 형성되는 캐비티(51)는 오목한 다각뿔 형태일 수 있다. 또한, 메인 기판(50)은 실리콘 기판일 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 도 5의 (a) 단계에서 생성된 식각 마스크를 제거한 후 캐비티(51)가 형성된 메인 기판(50)의 상부에 유리 기판(52)을 접합한다. 유리 기판(52)은 붕규산 유리 기판일 수 있으며, 진공 환경에서 양극 접합 방식에 의해 접합될 수 있다. 도 5의 (b)에서와 같이 진공 환경에서 양극 접합을 함으로써 다음 단계인 유리 열 흐름 공정에서 유리가 캐비티(51) 내로 완벽히 흘러 들어갈 수 있게 된다.
도 5의 (c)를 참조하면, 메인 기판(50)의 상부에 접합된 유리 기판(52)의 유리가 캐비티(51)를 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행한다. 유리 열 재흐름 공정은 약 850℃에서 진행될 수 있다.
도 5의 (d)를 참조하면, 1차 유리 열 재흐름 공정 이후, 메인 기판(50)의 상부에 접합된 유리 기판(52)을 연마하여 메인 기판(50)의 상부에 접합된 유리를 제거한다. 이로써, 도 5의 (c) 단계에서 접합된 유리 기판(52)은 캐비티(51)로 흘러들어간 부분(즉, 유리 미세 프리즘(53)에 해당하는 부분)만 남고 모두 제거된다. 도 5의 (d) 단계는 CMP 방식을 이용하여 메인 기판(50) 위의 유리를 제거할 수 있다.
도 5의 (e)를 참조하면, 메인 기판(50)의 하부(즉, 후면)를 유리 미세 프리즘(53)의 바닥이 드러날 때까지 수직 식각한다. 이로써, 메인 기판(50)은 하나의 유리 미세 프리즘(53)을 내장한 형태를 갖게 된다. 또한, 도 5의 (e) 단계에 의해 유리 미세 프리즘(53)이 메인 기판(50)을 관통하는 형태로 제작됨으로써, 광이 메인 기판(50)을 관통하는 것으로 해석될 수도 있다. 유리 미세 프리즘(53)의 광학 특성은 도 5의 (a) 단계에서 식각되는 캐비티(51)의 기울기, 너비 등에 따라 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 미세 광학 소자 어레이는 도 3 또는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 메인 기판(30) 내에 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 내장되도록 제작되면, 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들이 내장된 메인 기판(30), 즉, 복수 개의 유리 미세 렌즈(34)들과 메인 기판(30)을 포함한 형태를 하나의 미세 광학 소자 어레이로서 제작할 수도 있음은 물론이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따르면, 미세 유리 렌즈 또는 미세 유리 프리즘과 같은 미세 광학 소자를 제작하는 경우, 미세 광학 소자 단위가 아닌, 하나의 기판 단위로 미세 광학 소자들을 제작할 수 있고, 메인 기판 상에 미세 광학 소자를 제작한 후 다른 소자와의 결합 작업을 진행할 때 기판 상에 직접 결합함으로써 복수 개의 소자들을 수작업을 진행하는 불편함을 해소할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 실시예들은 광학 MEMS 소자 및 센서 분야에 응용 가능하다. 자세히 설명하면, 미세 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(Laser Emitting Diode) Backlight Module의 집광렌즈 등에도 활용될 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, 20, 30, 50: 메인 기판 11, 21, 31, 51: 캐비티
12, 22, 32, 35, 52: 유리 기판 13, 33: 유리 기둥
14, 34: 유리 미세 렌즈 23, 53: 유리 미세 프리즘

Claims (10)

  1. 미세 광학 소자가 내장될 메인 기판을 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계;
    상기 캐비티가 형성된 메인 기판의 상부에 유리 기판을 접합하는 단계;
    상기 유리 기판의 유리가 상기 한 개 이상의 캐비티를 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여 상기 메인 기판에 내장되는 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 광학 소자가 미세 유리 렌즈인 경우,
    상기 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계는, 오목한 기둥 형태의 캐비티가 형성되도록 상기 메인 기판을 수직 식각하며,
    상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계는, 상기 한 개 이상의 캐비티를 유리로 채워 한 개 이상의 유리 기둥이 상기 메인 기판에 내장되도록 하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계는,
    상기 메인 기판에 내장된 한 개 이상의 유리 기둥의 일부가 드러나도록 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부를 수직 식각하는 단계;
    상기 미세 유리 렌즈의 광학 특성에 기초하여 상기 일부가 드러난 한 개 이상의 유리 기둥에 대해 2차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 메인 기판에 내장된 상기 한 개 이상의 유리 기둥의 바닥이 보이도록 상기 메인 기판의 하부를 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세 광학 소자가 미세 유리 프리즘인 경우,
    상기 한 개 이상의 캐비티를 형성하는 단계는, 오목한 다각뿔 형태의 캐비티가 형성되도록 상기 메인 기판을 습식 식각하며,
    상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계는, 상기 한 개 이상의 캐비티를 유리로 채워 한 개 이상의 다각뿔이 상기 메인 기판에 내장되도록 하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한 개 이상의 미세 광학 소자를 제작하는 단계는,
    상기 메인 기판에 내장된 한 개 이상의 다각뿔 중 일부가 드러나도록 상기 유리가 채워진 메인 기판의 하부를 수직 식각하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계 이후,
    상기 유리 기판을 연마하여 상기 메인 기판의 상부에 접합된 유리를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세 광학 소자가 미세 유리 렌즈인 경우,
    상기 캐비티를 형성하는 단계는 하나의 상기 메인 기판 상에 복수 개의 캐비티를 형성하고,
    상기 미세 광학 소자가 미세 유리 프리즘인 경우,
    상기 캐비티를 형성하는 단계는 하나의 상기 메인 기판 상에 하나의 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 기판에 내장되는 미세 광학 소자 제작 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 제작된 미세 광학 소자.
  9. 메인 기판을 식각 마스크 패턴에 따라 식각하여 복수 개의 캐비티들을 형성하는 단계;
    상기 복수 개의 캐비티들이 형성된 메인 기판의 상부에 유리 기판을 접합하는 단계;
    상기 유리 기판의 유리가 상기 복수 개의 캐비티들을 채우도록 1차 유리 열 재흐름 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여, 복수 개의 미세 광학 소자들이 내장된 메인 기판을 미세 광학 어레이 소자로서 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 광학 소자 어레이 제작 방법.
  10. 메인 기판; 및
    상기 메인 기판에 내장된 복수 개의 미세 광학 소자들;을 포함하며,
    상기 복수 개의 미세 광학 소자들은 상기 메인 기판을 식각하여 복수 개의 캐비티들을 형성하고, 유리 열 재흐름 공정을 수행하여 상기 복수 개의 캐비티들에 유리를 채운 후, 상기 유리가 채워진 메인 기판의 상부 또는 하부를 식각하여 제작되는 것을 특징으로 하는 미세 광학 소자 어레이.
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