[논문]가열용융 방법에 의한 Ge-BPSG 마이크로렌즈 어레이 제작

정진호; 오진경; 최준석; 최기선; 이형종; 배병성

doi:10.3807/kjop.2005.16.4.340

가열용융 방법에 의한 Ge-BPSG 마이크로렌즈 어레이 제작
Ge-doped Boro-Phospho-Silicate Glass Micro-lens Array Produced by Thermal Reflow 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.16 no.4, 2005년, pp.340 - 344

정진호 (전남대학교 물리학과) , 오진경 (전남대학교 물리학과) , 최준석 (전남대학교 물리학과) , 최기선 (전남대학교 물리학과) , 이형종 (전남대학교 물리학과) , 배병성 (경희대학교 정보디스플레이학과)

초록
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화염가수분해 증착법(FHD : Flame Hydrolysis Deposition)으로 제작된 Ge이 첨가된 BPSG(Boro-Phospho-Silicate-Glass)막의 표면을 절단톱(dicing saw)을 이용하여 일정한 깊이로 절단함으로써 각 단위 마이크로렌즈 셀들을 형성시켰다. 또한 절단된 각 단위 마이크로렌즈 셀들을 가열용융(thermal reflow) 방법을 이용하여 $1200^{\circ}C$에서 가열용응시킴으로써 직경이 $53.4{\mu}m$인 마이크로렌즈 어레이를 제작할수 있었다. 이 때 렌즈간 간격은 $70{\mu}m,$ 렌즈 두께는 약 $28.4{\mu}m$이었다. 제작된 마이크로렌즈 어레이의 형상을 이미지-프로세스로 분석하였으며. 초점거리는 $62.2{\mu}m$이었다. 본 제작방법은 일반적인 사진식각 공정을 이용한 마이크로렌즈 제작보다 간단하면서도 저렴한 비용으로 제작이 가능하다. 또한 곡률반경의 조절이 용이하고, 보다 정밀하며 다양한 마이크로렌즈 어레이를 구현할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microlens cells of Ge-doped BPSG (Boro-Phospho-Silicate Glass) are fabricated by dicing the film produced by FHD (Flame Hydrolysis Deposition). Microlens arrays of $53.4{\mu}m$ square unit are produced by the thermal reflow of the diced unit cells at $1200^{\circ}C$. The gap between the microlenses was about $70{\mu}m,$ and the thickness of the produced lens was about $28.4{\mu}m$. We analyzed the reflowed shape of the microlens cell by an image-process technique, and the focal length was about $62.2{\mu}m$. This method of fabricating a microlens is simple and inexpensive compared to the conventional method using the photolithographic process. Also, the control of the radius of curvature of the microlens is easier and a more precise microlens way of various types can be fabricated using this method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 디스플레이 소자, 광 송수신기 및 광통신에서의 광섬유 간 접속 등에 이용하여 접속 손실의 감소 및 능동 소자와의 원활한 패키지에 활용될 수 있는 굴절형 마이크로렌즈 어레이를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 설계된 마이크로렌즈 어레이는 렌즈반경이 28 ㎛, 렌즈간 간격이 70 ㎛로 설계하였으며, Ge이 첨가된 BPSG 막을 표면절단 공정과 가열용융 방법을 이용하여 제작하였다.
본 연구에서는 수 ㎛에서 수 mm1까지 다양한 크기의 마이크로렌즈 어레이를 제작하기 위하여 일반적으로 사용되는 사진식각 공정을 배제하고 Ge이 첨가된 BPSG 막을 표면 절단 공정과 가열용융 방법을 사용하였다. 먼저, 각 단위 마이크로렌즈 셀을 절단톱을 이용한 표면절단 공정으로 셀 간격이 70 ㎛이고, 표면적이 50x50 ㎛² 크기의 셀을 얻었다.

가설 설정

그러나 렌즈의 크기가 크거나 유리막의 두께가 렌즈 폭에 비하여 작은 경우에는 사각형의 모서리와 꼭지점 부분은 구면이 왜곡될 수 있으며 그 정도는 렌즈의 크기와 렌즈 폭에 대한유리 막 두께의 비 및 용융온도와 용융조건에 따라 달라진다. 본 연구의 모델링(modeling)에서는 렌즈 곡면을 회전대칭으로 가정하여 계산하였다. 정사각형의 마이크로렌즈 어레이에서는 유효 렌즈부를 정사각형의 내접원으로 가정한 경우에 그림 2와 같이 유효 렌즈 면적비(fill-factor)는 78%이며 내접원 내에 임계각이 존재할 경우 유효 렌즈면적은 더 작은 값을 갖게 된다.

제안 방법

먼저, 각 단위 마이크로렌즈 셀을 절단톱을 이용한 표면절단 공정으로 셀 간격이 70 ㎛이고, 표면적이 50x50 ㎛² 크기의 셀을 얻었다. 그리고 1200℃에서 20분 동안 가열용융을 통하여 직경이 53.4 ㎛와 두께가 28.4㎛인 마이크로렌즈 어레이를 제작하였다.
일정한 주기의 패턴을 형성해야만 한다. 본 실험에서는 일반적인 사진식각 공정을 배제하고, 절단톱(dicing saw)을이용하여 유리막과 실리콘 기판 상부 일부까지만 절단되도록 절단 깊이를 조절한 후, 단면이 U자 홈 모양이 되도록 절단하여 가로 및 세로 배열의 각 단위 마이크로렌즈 셀을 제작하였다.
본 제작방법은 기판 표면상에 수십 ㎛크기의 미세 절단이라는 간단한 방법으로 다양한 형태의 마이크로렌즈 어레이가 가능하기 때문에 기존의 포토레지스트 등의 재료를 이용하여 기판 표면에 렌즈를 제작하고 이를 기판 유리층에 전사시키는 기존의 방법들에 비하여 저가격화, 고부가가치의 마이크로렌즈 어레이를 대량 생산할 수 있다. 또한, 마이크로렌즈 셀을 가열 용융하는 방식으로 제작함으로써 마이크로렌즈의 표면이 매끄럽게 처리되어 고품질을 갖는 마이크로렌즈 어레이를 얻을 수 있다.
어레이를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 설계된 마이크로렌즈 어레이는 렌즈반경이 28 ㎛, 렌즈간 간격이 70 ㎛로 설계하였으며, Ge이 첨가된 BPSG 막을 표면절단 공정과 가열용융 방법을 이용하여 제작하였다.
사진이다. 이와 같이 제작된 모자이크형 유리막 패턴 셀을 실리콘 기판 용융온도와 유리막 용융온도 사이에서 적정한 열처리 온도를 설정하여 전기로에서 가열용융하여 마이크로렌즈 어레이를 제작하였다.
화염생성에는 산소와 수소를 사용하고, 재료가스로는 SiCU, POCh, B(CH₃O)3, GeCU 등을 사용하였다. 투입된 재료 가스는 화염 속의 고온 수증기와 반응하여 실리콘 기판 위에 산화물 미립자(soot) 층을 만든 후, 1100℃ 정도의 전기로에서 기판 위의 미립자를 고밀화함으로써 Ge이첨가된 BPSG 막을 제작하였다. 제작된 유리막은 SiO₂ 90mol%와 첨가제(B2O₃, P2O₅, GeO₂가 lOmol%의 구성비를 갖는 비정질 유리상을 이루었으며, 광원 파장이 1310 nm인 프리즘 커플러(prism coupler)를 사용하여 측정한 결과 증착 두께는 22.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 유리막은 Ge이 첨가된 BPSG 막으로서 화염 토치에 박막의 재료 가스를 흘려 넣어 산화물 미립자를 증착하는 화염가수분해 증착법과 고온에서 산화물 미립자를 녹여 유리막으로 만드는 고밀화(consolidation) 공정으로 제작되었다. 화염생성에는 산소와 수소를 사용하고, 재료가스로는 SiCU, POCh, B(CH₃O)3, GeCU 등을 사용하였다.
투입된 재료 가스는 화염 속의 고온 수증기와 반응하여 실리콘 기판 위에 산화물 미립자(soot) 층을 만든 후, 1100℃ 정도의 전기로에서 기판 위의 미립자를 고밀화함으로써 Ge이첨가된 BPSG 막을 제작하였다. 제작된 유리막은 SiO₂ 90mol%와 첨가제(B2O₃, P2O₅, GeO₂가 lOmol%의 구성비를 갖는 비정질 유리상을 이루었으며, 광원 파장이 1310 nm인 프리즘 커플러(prism coupler)를 사용하여 측정한 결과 증착 두께는 22.93 ㎛, 굴절률은 1.4459 이었다.
제작되었다. 화염생성에는 산소와 수소를 사용하고, 재료가스로는 SiCU, POCh, B(CH₃O)3, GeCU 등을 사용하였다. 투입된 재료 가스는 화염 속의 고온 수증기와 반응하여 실리콘 기판 위에 산화물 미립자(soot) 층을 만든 후, 1100℃ 정도의 전기로에서 기판 위의 미립자를 고밀화함으로써 Ge이첨가된 BPSG 막을 제작하였다.

이론/모형

이미지 분석법을 이용하여 렌즈의 경계를 추출하고 이를 좌표화한 것이다. 이 결과를 사용하여 렌즈단면의 방정식을 고차다항식 맞춤 (polynomial curve fitting)으로 구하였으며 그 결과는 식(1) 및 표-1과 같다.

성능/효과

그림 6은 광학 설계된 마이크로렌즈의 점(spot)의 분포를 분석하기 위해 파장 1310 nm인 근적외선 영역의 평행 광을 제작된 마이크로렌즈 어레이에 입사시켜 그 초점을 IR CCD (Infrared Charge Coupled Devices)와 현미경으로 자체 제작한 적외선 영상계측 시스템으로 사진 촬영한 결과이며 양호한 결상능력을 확인할 수 있었다."
면적이 50x50 ㎛² 두께가 22.93 ㎛인 Ge이 첨가된 BPSG 막으로 제작된 육면체 모양의 각 단위 마이크로렌즈 셀을 가열용융 후 측정한 결과, 직경이 53.4 ㎛, 두께가 28.4 ㎛인 반구면 형태의 렌즈를 얻을 수 있었다. 이와 같이 반구형의 렌즈 형상을 갖게 됨은 가열용융을 통하여 임의의 기판 상에 액체가 놓이게 되면 액체 표면은 표면장력에 의해 구면을 이루려는 원리를 이용한 것이다.
제작된 마이크로렌즈 어레이에 파장 1310 ran인 근적외선 영역의 평행광을 렌즈에 입사시켜 그 초점을 IR CCD와 현미경으로 자체 제작한 적외선 영상계측 시스템으로 사진 촬영한 결과 양호한 결상능력을 확인할 수 있었다. 이와 같이 우수한 표면 형태를 갖는 보다 정교한 마이크로렌즈를 제작하기 위해서는 우선적으로 유리막 두께와 용융온도에 따른 렌즈 면의 형성과정을 점성유체의 열거동 해석법을 사용하여 해석할 필요가 있다.
광파장은 1310 nm이다. 제작된 마이크로렌즈의 경우 단면의 곡선 방정식과 BPSG 막의 굴절률 값을 이용하여 초점거리를 계산한 결과 62.2㎛이었다. (b)는 경계 추출과 고차다항식 맞춤으로 결정된 곡률반경이 28.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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