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문제 정의
- 2 mm를 지정하면 거리 r에 따라 요구되는 두께변화 d(r)이 주어진다. 그레이스케일 마스크를 통하여 포토레지스트에 이러한 두께변화를 구현하기 위해서는 그레이스케일 값에 따른 두께변화를 알아아: 한다. 그림 2는 1부터 256까지 일정하게 증가하는 그레이스케일을 갖는 16X16 정사각형 배열에 대하여 마스크 제작과정과 포토레지스트 노광 및 처리과정 전체를 통하여 두께변화를 측정한 데이터를 다항식으로 String한 것이다.
제안 방법
- 가까운 Ell-factor로 제작하였다. 그레이스케일 마스크는 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열 이미지를 상용 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름(Kodak T-maxl00)에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 다시 홀로그래픽 필름(Agfa 8E75HD-4)에 축소복사하여 제작하였다. 제주}된 그레이스케일 마스크를 동하여 두 번 스핀코팅한 두께 26|im의두꺼운 포토레지스트를 자외선으로 근접 노광하여 두께 17 |im, 초점거리 2.
- 100%에 가까운 hll-factor로 제작하였다. 그레이스케일 마스크를 제작하기 위하여 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열을 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 제작하고, 이를 다시 흘로그래픽 필름에 축소 복사하여 최종적인 2차 마스크를 제작하였다. 제작된 그레이스케일 마스크를 통하여 두꺼운 포토레지스트에 자외선으로 근접 노광한 후에 식각하여 두께 17 ㎛, 초점거리 2.
- =365 nm)S. 근접 노광하여 미소렌즈 배열을 제작하였다. 처음에는 접촉 노광을 시도하였으나 필름 grain을 비롯한 noise 가 그대로 노광되어 렌즈의 표면이 다소 벌규칙하게 제작되었다.
- 그러나 회전수를 낮추거나 코팅횟수를 증가시킬 경우 표면의 균일도가 저하되는 경향이 있으므로 이를 개선하기 위한 연구가 핀요하다. 본 연구에서는 두께와 균일도를 고려하여 적정한 희전수 3000 rpm과 코팅 횟수 2회를 택하였다.
- 본 연구에서는 디스플레이 소자, 파면센서 등에 활용될 수 있는 주기 300 |im의 10X10 미소렌즈 배열을 그레이스케일 마스크를 이용하여 두께 20 gm 정도의 두꺼운 포토레지스트에 100%에 가까운 hll-factor로 제작하였다. 그레이스케일 마스크를 제작하기 위하여 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열을 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 제작하고, 이를 다시 흘로그래픽 필름에 축소 복사하여 최종적인 2차 마스크를 제작하였다.
- 본 연구에서는 저렴하게 제작된 그레이스케일 마스크를 이용하여 디스플레이 소자, 파면센서 등에 활용될 수 있는 주기 300|im의 10X10 미소렌즈 배열을 두꺼운 포토레지스트에 100%에 가까운 Ell-factor로 제작하였다. 그레이스케일 마스크는 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열 이미지를 상용 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름(Kodak T-maxl00)에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 다시 홀로그래픽 필름(Agfa 8E75HD-4)에 축소복사하여 제작하였다.
- 2 mm인 렌즈를 그림 3(a) 와 같이 fill-factor 100%로 배열한 10X10 미소렌즈 배열에 대한 그레이스케일 이미지를 그림 3(b)에 보였다. 여기서 fill- factor는 렌즈배열 전체 면적에 대한 렌즈로 사용되는 부분의 면적 비율로서, 본 연구에서는 렌즈에 기여하지 못하는 면적을 최소화하였다. 그림 3의 이미지는 그림 2에 나타난 다항식을 이용하여 렌즈에 요구되는 두께변화에 대한 그레이 값을 46(가장 어두운 부분)부터 256(가장 밝은 부분)까지 Matlab으로 계산하여 얻은 것으로 필름출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름에 그레이스케일로 기록된다.
- 현상에는 필름에 적절하게 작용하여 콘트라스트가 강한 Microdol-x를 사용하였는데, 콘트라스트와 입자의 거칠기를 고려하여 13분간 현상하였고, 계속되는 현상을 멈추기 위해 정지액 (stop bath)에 1분간 담그고, 현상되지 않은 은염 입자들을 제거하기 위하여 정착액 (rapid fixer)에 3분 동안 담근다. 예비 수세 (wash)를 30초 동안 하고, 수세를 촉진하기 위하여 수세 촉진제에 3분간 담근 후 흐르는 물에 본 수세를 5분간 하였다. 마지막으로 필름 표면에 있는 물방울을 제거하기 위하여 건조액(희석된 photo-Flo)에 1분간 담근 후 세워서 자연 건조를 하면 1차 마스크가 제작된다.
- 그림 3의 이미지는 그림 2에 나타난 다항식을 이용하여 렌즈에 요구되는 두께변화에 대한 그레이 값을 46(가장 어두운 부분)부터 256(가장 밝은 부분)까지 Matlab으로 계산하여 얻은 것으로 필름출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름에 그레이스케일로 기록된다. 위 그레이 값에 대하여 두께를 얻기 위한 전처리 과정은 IH절에서 언급하게될 1차 마스크와 2차 마스크를 제작할 때와 동일한 조건으로 제작하였다. 위와 같은 제작과정에서 여러 단계를 거침에 따라 그레이스케일에 따른 포토레지스트의 깊이가 비선형적으로 변화하고 노광이 다소 불균일하므로 정확히 원하는 표면 형태를 얻기 위해서는 시간을 요하는 반복과정이 필요하다.
- 그레이스케일 마스크를 제작하기 위하여 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열을 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 제작하고, 이를 다시 흘로그래픽 필름에 축소 복사하여 최종적인 2차 마스크를 제작하였다. 제작된 그레이스케일 마스크를 통하여 두꺼운 포토레지스트에 자외선으로 근접 노광한 후에 식각하여 두께 17 ㎛, 초점거리 2.2 mm인 미소렌즈 배열을 제작하였다. 본 제작방법은 저렴한 비용으로 100%에 가까운 fill-factor를 얻을 수 있고, 비구면 렌즈를 구현하기가 쉽다는 장점을 가진다.
- 그레이스케일 마스크는 컴퓨터로 설계한 미소렌즈 배열 이미지를 상용 필름 출력기를 이용하여 고해상도 흑백 필름(Kodak T-maxl00)에 그레이스케일로 기록 및 현상한 1차 마스크를 다시 홀로그래픽 필름(Agfa 8E75HD-4)에 축소복사하여 제작하였다. 제주}된 그레이스케일 마스크를 동하여 두 번 스핀코팅한 두께 26|im의두꺼운 포토레지스트를 자외선으로 근접 노광하여 두께 17 |im, 초점거리 2.2 mm인 미소렌즈배열을 제작하였다. 필름 grain 등에 의한 미세한 불균일성의 영향을 완화하기 위하여 coverglass로 마스크와 포토레지스트 사이에 간격을 주어 근접 노광하였는데, 제작된 포토레지스트 미소렌즈 배열의 표면을 a-step과 3-D 표면 측정기로 측정한 결과 상당히 매끄럽고 구면에 가까운 표면 형태를 보이며 비교적 균일한 렌즈 배열을 보였다.
- 짧은 초점거리를 갖는 렌즈를 제작하기 위해서는 두꺼운 포토레지스트 층을 필요로 하므로 Hoechst의 AZ P4903을 스핀 코팅으로 두 번 도포하였다. 스핀코팅할 때 적절한 회전수인 3000rpm에서 30초 동안 한 번 코팅하면 12|_im, 두 번 코팅하면 26 |im의 두께를 얻을 수 있다.
- 제작과정 즉, 1차 마스크의 노광 및 현상, 축소복사에 의한 2차 마스크의 제작 그리고 포토레지스트 노광 및 처리에 따라 많은 차이가 나타나지만, 그림 2 의 경우 그레이 값 50에서부터 125 부분에서는 비교적 선형적으로 상당한 두께변화를 보이는 반면, 50 이하에서는 거의 노광이 되지 않고 125이상에서는 별로 두께변화를 보이지 않는다. 참고적으로 항온항습기를 이용하여 실험실의 온도 20℃, 습도 42%의 조건하에서 모든 제작과정을 진행하였다.
- 노광 에너지는 5300-6000 mJ/cm2 이었으며, 현상은 Hoechst사의 AZ 400K(l:4)으로 현상하였다. 현상시간은 약 7분인데, 노광된 부분을 관찰하면서 포토레지스트가 더 이상 현상액에 분해되어 녹아지지 않을 때까지 진행하였다. 현상시간은 실험실의 온도 및 습도에 민감하므로 길게는 1분 정도의 변화가 있었다.
대상 데이터
- 3분간 softbake 하고, 그림 5와 같이 자외선램프로 그레이스케일 마스크를 통하여 노광한다. 노광 에너지는 5300-6000 mJ/cm2 이었으며, 현상은 Hoechst사의 AZ 400K(l:4)으로 현상하였다. 현상시간은 약 7분인데, 노광된 부분을 관찰하면서 포토레지스트가 더 이상 현상액에 분해되어 녹아지지 않을 때까지 진행하였다.
- 참고적으로 필름 출력기에 홀로그래픽 필름을 직접 사용하였으나 수 시간에 이르는 노광에도 전혀 감광되지 않았다. 필름 출력기는 필름 규격에 따라 다양한 모듈을 사용하여 큰 크기의 이미지도 출력할 수 있으나, 본 연구에서는 표준 크기 36mmX24nmi를 사용하였다.
성능/효과
- 처음에는 접촉 노광을 시도하였으나 필름 grain을 비롯한 noise 가 그대로 노광되어 렌즈의 표면이 다소 벌규칙하게 제작되었다. 따라서 이미지의 선명도가 다소 감소히더라도 마스크와 포토레지스트 사이에 간격 (air gap)을 주어 근접 노광을 하였으며, 간격은 150 pm가 적절한 것으로 나타났다.
- 필름 grain 등에 의한 미세한 불균일성의 영향을 완화하기 위하여 coverglass로 마스크와 포토레지스트 사이에 간격을 주어 근접 노광하였는데, 제작된 포토레지스트 미소렌즈 배열의 표면을 a-step과 3-D 표면 측정기로 측정한 결과 상당히 매끄럽고 구면에 가까운 표면 형태를 보이며 비교적 균일한 렌즈 배열을 보였다. 또한 He-Ne 레이저의 평행광을 렌즈에 입사시켜 초점을 확대 사진촬영한 결과, 고르지 못한 표면으로 인한 수차의 영향에도 불구하고 상당한 결상능력과 100%에 가까운 fillfactor 의 특성을 확인할 수 있었다.
- 2 mm인 미소렌즈 배열을 제작하였다. 본 제작방법은 저렴한 비용으로 100%에 가까운 fill-factor를 얻을 수 있고, 비구면 렌즈를 구현하기가 쉽다는 장점을 가진다.
- 그림 6(a)는 수평 방향(정사각형의한 변)으로 스캔한 것으로 "im 정도의 두께변화를 보이며, 그림 6(b)는 대각선 방향으로 스캔한 것으로 17 Rm 정도의 두께 변화를 보인다. 즉 본 연구에서 얻은 최대 두께변화는 포토레지스트의 원래 두께 26μm에 크게 미달하는 17μm으로렌즈의 최소 초점거리는 2.2mm이다. 이는 그림 2의 두께 변화와는 상당한 차이를 보이는 것으로 II절에서 언급한 설계, 제작 및 측정의 반복과정에 대한 필요성을 분명히 보여준다.
- 2 mm인 미소렌즈배열을 제작하였다. 필름 grain 등에 의한 미세한 불균일성의 영향을 완화하기 위하여 coverglass로 마스크와 포토레지스트 사이에 간격을 주어 근접 노광하였는데, 제작된 포토레지스트 미소렌즈 배열의 표면을 a-step과 3-D 표면 측정기로 측정한 결과 상당히 매끄럽고 구면에 가까운 표면 형태를 보이며 비교적 균일한 렌즈 배열을 보였다. 또한 He-Ne 레이저의 평행광을 렌즈에 입사시켜 초점을 확대 사진촬영한 결과, 고르지 못한 표면으로 인한 수차의 영향에도 불구하고 상당한 결상능력과 100%에 가까운 fillfactor 의 특성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 우수한 표면 형태를 갖는 보다 정교한 렌즈를 제작하기 위해서는 우선적으로 II절에서 언급한 설계, 제작 및 측정의 반복과정을 거칠 필요가 있다. 또한 근접 노광을 필요케 하는 필름 grain 등의 영향으로 인한 마스크의 미세한 불균일성을 개선하기 위해서는 thermal reflow, 공간여과 및 보다 높은 해상도의 필름을 이용하는 방법 등을 활용할 수 있을 것이다. 그레이스케일 마스크 제작에 있어서 필름 출력기를 이용하는 대신 그레이스케일 이미지를 하프톤 방식으로 레이저 프린터에 출력하는 방법과 공간여과를 병행하는 것도 유력한 방법이다.
- 또한 포토레지스트의 도포 및 취급 안정화를 통하여 보다 두꺼운, 따라서 짧은 초점거리의 포토레지스트 렌즈 제작과 다양한 비구면 형태의 렌즈도 제작이 가능할 것이다. 우수한 표면 형태를 갖는 보다 정교한 렌즈를 제작하기 위해서는 우선적으로 II절에서 언급한 설계, 제작 및 측정의 반복과정을 거칠 필요가 있다.
- 부분만을 나타낸 것이다. 상당히 매끄럽고 구면에 가까운 표면 형태를 보이며 비교적 균일한데, II절에서 언급한 설계, 제작 및 측정의 반복과정을 거치면 더욱 우수한 표면 형태를 얻을 수 있을 것이다. 그림 6(a)는 수평 방향(정사각형의한 변)으로 스캔한 것으로 "im 정도의 두께변화를 보이며, 그림 6(b)는 대각선 방향으로 스캔한 것으로 17 Rm 정도의 두께 변화를 보인다.
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