마스크리스 리소그래피(maskless lithography)에 응용하기 위한 마이크로렌즈 어레이(microlens array, MLA)가 석영의 습식 식각과 UV 접착제(UV adhesive)의 코팅을 바탕으로 개발되었다. 제작된 MLA의 초점거리는 ${\sim}45\;{\mu}m$ 정도였으며, 집광되는 광선의 초점은 ${\sim}1\;{\mu}m$로 측정되었다. MLA를 통과하며 초점을 맺은 빔(beam)의 크기 및 세기가 charge coupled device (CCD) 카메라와 빔 프로파일러(beam profiler)를 이용하여 각각 측정되었으며, 일정한 세기의 점들이 초점면에서 고르게 관찰되었다. 초점거리는 코팅된 UV 접착제의 두께에 따라 변화하였으며, UV 접착제의 두께가 두꺼울수록 짧아지는 경향을 보였다. 일반적인 마스크 얼라이너(mask aligner)를 이용한 MLA의 UV 포커싱(UV focusing)이 감광막(photoresist, PR) 상에서 실시되었으며, MLA를 통과한 빛이 감광막 위에 일정하게 집광되었다. 마스크 얼라이너와 MLA 사이의 거리 변화에 따라 감광막에 구현된 패턴 사이즈가 조절 되었다. 고온에서 오랜 시간이 지난 후에도 소자의 특성은 전혀 변함이 없었다.
마스크리스 리소그래피(maskless lithography)에 응용하기 위한 마이크로렌즈 어레이(microlens array, MLA)가 석영의 습식 식각과 UV 접착제(UV adhesive)의 코팅을 바탕으로 개발되었다. 제작된 MLA의 초점거리는 ${\sim}45\;{\mu}m$ 정도였으며, 집광되는 광선의 초점은 ${\sim}1\;{\mu}m$로 측정되었다. MLA를 통과하며 초점을 맺은 빔(beam)의 크기 및 세기가 charge coupled device (CCD) 카메라와 빔 프로파일러(beam profiler)를 이용하여 각각 측정되었으며, 일정한 세기의 점들이 초점면에서 고르게 관찰되었다. 초점거리는 코팅된 UV 접착제의 두께에 따라 변화하였으며, UV 접착제의 두께가 두꺼울수록 짧아지는 경향을 보였다. 일반적인 마스크 얼라이너(mask aligner)를 이용한 MLA의 UV 포커싱(UV focusing)이 감광막(photoresist, PR) 상에서 실시되었으며, MLA를 통과한 빛이 감광막 위에 일정하게 집광되었다. 마스크 얼라이너와 MLA 사이의 거리 변화에 따라 감광막에 구현된 패턴 사이즈가 조절 되었다. 고온에서 오랜 시간이 지난 후에도 소자의 특성은 전혀 변함이 없었다.
A microlens array (MLA) was developed based on the wet-etched quartz substrate and coating of UV adhesive on the substrate for maskless lithography application. The developed MLA has the focal length of ${\sim}45\;{\mu}m$ and the spot size of ${\sim}1\;{\mu}m$. The spot size of...
A microlens array (MLA) was developed based on the wet-etched quartz substrate and coating of UV adhesive on the substrate for maskless lithography application. The developed MLA has the focal length of ${\sim}45\;{\mu}m$ and the spot size of ${\sim}1\;{\mu}m$. The spot size of the focused beam passing through the MLA was detected by CCD camera, and its intensity was monitored by beam profiler. Uniform spots with nearly identical intensities were observed on the focal plane when a beam passes through the fabricated MLA. The focal length was varied depending on thickness of the coated UV adhesive. The thicker the thickness of the UV adhesive was, the shorter the focal length of the MLA was. With a general mask aligner, UV beam focusing was tested onto photoresist (PR). The beams were well focused onto PR when UV passes through the MLA. Depending on the variable distances from the MLA, beam sizes onto PR were controlled. Even at high temperature for a long time, the performances of the MLA were not changed.
A microlens array (MLA) was developed based on the wet-etched quartz substrate and coating of UV adhesive on the substrate for maskless lithography application. The developed MLA has the focal length of ${\sim}45\;{\mu}m$ and the spot size of ${\sim}1\;{\mu}m$. The spot size of the focused beam passing through the MLA was detected by CCD camera, and its intensity was monitored by beam profiler. Uniform spots with nearly identical intensities were observed on the focal plane when a beam passes through the fabricated MLA. The focal length was varied depending on thickness of the coated UV adhesive. The thicker the thickness of the UV adhesive was, the shorter the focal length of the MLA was. With a general mask aligner, UV beam focusing was tested onto photoresist (PR). The beams were well focused onto PR when UV passes through the MLA. Depending on the variable distances from the MLA, beam sizes onto PR were controlled. Even at high temperature for a long time, the performances of the MLA were not changed.
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문제 정의
본 논문에서는 석영의 습식 식각을 이용한 MLA의 제작 및 리소그래피에의 응용에 관해 다루고 있다. 기존에 발표된 제작 방법들에 비해 비교적 간단한 제작 공정 및 값비싼 장비를 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.
MLA로부터 초점 거리만큼 떨어진 위치에 감광막을 위치시킨 뒤 빛을 조사하여 MLA 초점에 의한 감광막의 노광량(exposure density)의 정도를 측정하였다. 본 논문은 시뮬레이션을 통한 최적의 MLA 파라미터 추출, MEMS 공정을 통한 균일한 MLA 제작 및 감광막을 이용한 MLA의 포커싱 능력 (focusing ability) 등을 연구한 논문이다.
석영 기반 MLA의 제작 및 응용에 관한 실험이 이루어졌다. BOE 용액을 이용한 등방성 습식 식각을 통해 굴절계수가 1.
가설 설정
7(a)의 광선 초점이 크기가 훨씬 더 작은 점으로 측정되었을 것이며, 또한 Fig. 7(b) 에서도 전면에 걸쳐 동일한 광선의 세기 분포를 확인할 수 있었을 것이다. 이러한 편차에 대한 분석으로 두 가지 주요한 원인을 들 수 있다.
제안 방법
매질(석영, UV접착제)과 굴절률(석영의 굴절계수: 1.47, UV 접착제의 굴절계수: 1.58)은 일정한 값을 지정해주었으며, UV 접착제의 두께는 10 µm 단위로 일정하게 변화시켜 가며 계산하였다.
사용된 UV 접착제의 특성은 Table 1과 같다. 제작된 MLA의 특성을 확인하기 위하여 식각 시간에 따른 석영 기판의 곡률 형성 정도를 확인하였으며, 시뮬레이션을 이용해 초점거리를 측정한 후 이를 실험 결과와 비교해보았다. 또한 제작된 MLA에 빛을 투과했을 때 초점 (focus) 정도를 측정하기 위하여, 일반적 포토리소그래피 (photolithography) 장비를 이용하였다.
제작된 MLA의 특성을 확인하기 위하여 식각 시간에 따른 석영 기판의 곡률 형성 정도를 확인하였으며, 시뮬레이션을 이용해 초점거리를 측정한 후 이를 실험 결과와 비교해보았다. 또한 제작된 MLA에 빛을 투과했을 때 초점 (focus) 정도를 측정하기 위하여, 일반적 포토리소그래피 (photolithography) 장비를 이용하였다. MLA로부터 초점 거리만큼 떨어진 위치에 감광막을 위치시킨 뒤 빛을 조사하여 MLA 초점에 의한 감광막의 노광량(exposure density)의 정도를 측정하였다.
또한 제작된 MLA에 빛을 투과했을 때 초점 (focus) 정도를 측정하기 위하여, 일반적 포토리소그래피 (photolithography) 장비를 이용하였다. MLA로부터 초점 거리만큼 떨어진 위치에 감광막을 위치시킨 뒤 빛을 조사하여 MLA 초점에 의한 감광막의 노광량(exposure density)의 정도를 측정하였다. 본 논문은 시뮬레이션을 통한 최적의 MLA 파라미터 추출, MEMS 공정을 통한 균일한 MLA 제작 및 감광막을 이용한 MLA의 포커싱 능력 (focusing ability) 등을 연구한 논문이다.
Code V(Optical Research Associates Co.)를 이용하여 제안한 MLA의 변수의 변화에 따른 초점거리를 시뮬레이션 하였다. 계산시 필요한 변수로는 매질, 굴절률, 두께, 곡률반경이 있다.
얻어진 곡률반경을 바탕으로 405 nm, 632.8 nm의 파장을 갖는 두 종류의 평행광을 각각 입사시키고, UV접착제의 두께를 10 µm~100 µm로 일정하게 변화시켜가며 초점거리를 예상하였다.
16) 일반적으로 hL과 r은 atomic force microscope (AFM) 측정을 통해 얻어질 수 있다. 석영 기판에 음각 패턴을 형성한 후 AFM을 활용하여 필요한 변수인 hL과 r을 구하였다. 측정된 hL=8.
제안된 MLA의 제작에 있어 가장 중요한 변수라 할 수 있는 식각 시간에 따른 석영 기판의 식각 정도 및 곡률의 형성 여부 확인과 초점거리의 시뮬레이션을 위해 필요한 데이터를 얻기 위하여 scanning electron microscope(SEM)과 AFM을 활용하였다. 또한 제작된 MLA의 광학적 특성을 측정하기 위해 Fig.
또한 양극 감광막(AZ 4620, AZ electronic materials Co.)과 음극 감광막(SU-8 2010, MicroChem Co.)을 실리콘 기판 위에 각각 10 µm의 두께로 고르게 스핀코팅 하였다.
)을 실리콘 기판 위에 각각 10 µm의 두께로 고르게 스핀코팅 하였다.18) 유리 기판에 MLA를 고정시키고, MLA와 감광막 사이의 간격을 조절해가며 현상된 패턴의 크기 및 형태를 비교하였다.
석영의 식각 시간에 따른 곡률의 형성 정도를 확인하기 위하여 SEM 사진을 촬영하였다. Fig.
석영 기판 위에 코팅된 UV 접착제의 고르기 정도를 확인하기 위하여 간섭계(interferometer)로 표면 거칠기 (roughness)를 측정하였다. 좀 더 고르고 평평한 표면을 얻기 위해 chemical mechanical polishing (CMP) 과정을 거친 샘플과 그렇지 않은 샘플의 표면을 비교하였다.
석영 기판 위에 코팅된 UV 접착제의 고르기 정도를 확인하기 위하여 간섭계(interferometer)로 표면 거칠기 (roughness)를 측정하였다. 좀 더 고르고 평평한 표면을 얻기 위해 chemical mechanical polishing (CMP) 과정을 거친 샘플과 그렇지 않은 샘플의 표면을 비교하였다. CMP 과정을 거친 샘플은 전면에 걸쳐 약 0.
MLA와 CCD 카메라 사이의 거리를 변화시켜가며 빔 초점의 크기가 가장 작을 때를 초점거리로 정하였으며, 제작된 MLA 전면의 아홉 개 영역에서 UV 접착제의 두께에 따른 초점거리를 측정하였다. UV 접착제의 두께는 스핀코팅 시 RPM을 1200~2000까지 200씩 변화시키는 방법으로 조절하였으며, RPM이 클수록 코팅되는 UV 접착제의 두께는 얇을 것으로 예상할 수 있다.
실험방법에서 설명한 방법으로 MLA를 사진식각공정 에서 마스크리스 얼라이너 시스템(maskless aligner system)에 응용하기 위한 가능성을 확인하는 실험을 행하였다. MLA를 통과한 UV가 한 점에 모이는 것에 착안하여, 얼라이너에서 생성된 UV를 MLA를 투과시켜 감광막이 코팅된 웨이퍼위에 집광시킨 후 현상하면 마이크로 패턴 어레이가 웨이퍼 상에 일정한 크기와 간격으로 형성된다.
열적 안정성을 확인하기 위해 제작된 MLA를 120°C의 오븐에 2주간 방치하였다.
MLA와 CCD 카메라 사이의 거리를 변화시켜가며 초점거리를 측정하였고, 측정된 초점거리는 UV 접착제의 두께에 따라 32.2~45.4 µm 사이에서 변화하였다.
석영 기반 MLA의 제작 및 응용에 관한 실험이 이루어졌다. BOE 용액을 이용한 등방성 습식 식각을 통해 굴절계수가 1.47인 석영 기판에 음각의 곡률을 형성하였고, 그 위에 굴절계수가 1.58인 UV 접착제를 코팅함으로써 음각 패턴의 곡률 및 두 물질 간 굴절계수 차이에 의해 MLA를 통과한 빛이 집광함을 확인하였다. SEM 사진을 활용하여 식각 시간에 따라 석영기판에 형성된 음각 곡률의 형태를 비교하였고, 90분의 식각을 거친 후 가장 구면에 가까운 곡률이 형성되었음을 알 수 있었다.
얼라이너에서 생성된 UV를 제작된 MLA에 통과시켜 감광막이 코팅된 실리콘 웨이퍼위에 집광시켰을 때 원형의 마이크로 패턴 어레이가 웨이퍼 위에 형성되었다. MLA와 감광막 사이의 거리를 변화시켜가며 과정을 반복한 결과 초점이 맺히는 거리의 차이에 의해 다양한 형태의 패턴이 형성되는 것을 현미경 및 SEM 사진을 활용해 확인하였다. 이로부터, 제작된 MLA를 활용한 마스크리스 리소그래피 장비의 실현 가능성을 확인할 수 있다.
대상 데이터
제작된 MLA의 크기는 1.4×1.05 cm2이며,총 1024×768개의 마이크로 렌즈가 일정하게 배열된 형태로 석영기판에 형성되었다.
4와 같이 실험 장치를 구성하였다. 광원으로는 632.8 nm의 파장을 갖는 He-Ne 레이저를 사용하였고, 빔확장기를 사용하여 MLA 전면에 평행광을 조사하였다. MLA를 통과한 평행광은 측정부의 대물 렌즈를 지나 CCD 카메라로 관찰된다.
AFM 사진을 사용하여 식각을 통해 형성된 곡률의 형태와 시뮬레이션에 필요한 데이터를 얻었다. 제작된 MLA의 광학적 특성을 측정하기 위하여 CCD 카메라를활용하였으며 렌즈 어레이를 통과한 빛이 초점을 맺으며 모이는 것을 확인할 수 있었다.
이때 감광막과 MLA 사이의 거리를 MLA의 초점거리 이내에서 조절하면 다양한 마이크로 패턴의 형성이 가능하다. UV 광원을 웨이퍼 전면에 조사하기 위해 마스크 얼라이너(mask aligner, model: MDA-6000B, MIDAS system Co.)를 사용하였다. 또한 양극 감광막(AZ 4620, AZ electronic materials Co.
성능/효과
48 µm의 표면거칠기를 보였다. 스핀코팅 과정에서 MLA 전면의 가운데 부분에 좀 더 많은 UV 접착제가 코팅되기 때문에 전면이 완전한 평면으로 제작될 수는 없지만, 측정 결과를 통해 추가적인 polishing 과정으로 MLA 표면의 고르기 정도를 일정 부분까지 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
55 µm였다. 실험 결과를 통해 석영의 식각된 부분에 UV 접착제가 균일하게 채워져 있다는 것을 추론할 수 있다. 만약 그렇지 않다면 각각의 렌즈를 통과한 빛은 석영과 UV 접착제의 경계면에서 옆으로 새게 될 것이고, 따라서 빛의 간섭 현상이 일어나 일정하게 초점을 맺지 못하게 될 것이기 때문이다.
코팅된 UV 접착제의 두께는 표면을 아홉 개 영역으로 나눠 측정한 결과 RPM이 1200일 때 대략 70 µm이었으며, RPM을 200씩 증가할수록 두께는 약 5 µm씩 선형적으로 줄어드는 경향을 보였다.
그래프상에 함께 표시된 시뮬레이션을 통해 예측한 결과와 비교했을 때 서로 같은 경향을 보이고는 있지만, 측정된 초점거리가 예측된 값보다 평균 9 µm 가량 짧은 것을 확인할 수 있다.
감광막에 형성된 패턴과 같은 형태의 역상을 띄고 있음을 확인할 수 있다. 결론적으로 본 연구에서 얻어진 MLA는 원하는 임의의 위치에서, 다양한 spot size를 가진 빔을 집광할 수 있음을 확인하였고, 본 MLA는 마스크리스 리소그래피에의 응용에 유효함을 확인할 수 있었다.
열적 안정성을 확인하기 위해 제작된 MLA를 120°C의 오븐에 2주간 방치하였다. 2주 후 광학적 특성 측정 및 리소그래피 실험을 반복한 결과 UV 포커싱 능력과 초점 거리, 그리고 마이크로 패턴의 형태 및 크기에서 이전 샘플과 비교했을 때 전혀 변화가 관찰되지 않았다. 이는 제작된 MLA의 장시간 열적 안정성을 보여준다고 할 수 있으며, 광선에의 반복적인 노출로 인해 열이 자연적으로 발생하는 리소그래피 장비에 적용되기에 적합한 특성을 갖췄다고 볼 수 있다.
58인 UV 접착제를 코팅함으로써 음각 패턴의 곡률 및 두 물질 간 굴절계수 차이에 의해 MLA를 통과한 빛이 집광함을 확인하였다. SEM 사진을 활용하여 식각 시간에 따라 석영기판에 형성된 음각 곡률의 형태를 비교하였고, 90분의 식각을 거친 후 가장 구면에 가까운 곡률이 형성되었음을 알 수 있었다.
AFM 사진을 사용하여 식각을 통해 형성된 곡률의 형태와 시뮬레이션에 필요한 데이터를 얻었다. 제작된 MLA의 광학적 특성을 측정하기 위하여 CCD 카메라를활용하였으며 렌즈 어레이를 통과한 빛이 초점을 맺으며 모이는 것을 확인할 수 있었다. MLA와 CCD 카메라 사이의 거리를 변화시켜가며 초점거리를 측정하였고, 측정된 초점거리는 UV 접착제의 두께에 따라 32.
MLA와 감광막 사이의 거리를 변화시켜가며 과정을 반복한 결과 초점이 맺히는 거리의 차이에 의해 다양한 형태의 패턴이 형성되는 것을 현미경 및 SEM 사진을 활용해 확인하였다. 이로부터, 제작된 MLA를 활용한 마스크리스 리소그래피 장비의 실현 가능성을 확인할 수 있다. MLA를 고온의 오븐에 2주간 방치한 후 다시 측정을 반복한 결과 소자가 가진 특성에는 전혀 변함이 없었다.
후속연구
실제로 동일한 방법의 측정과정에서 장비에 따라 초점거리가 최대 20 µm까지 차이가 났다. 이는 향후 연구과정에서 좀 더 정밀화된 측정장비를 이용하거나 최적화된 초점거리 측정 방법을 이용해 보완해야 할 부분이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MLA 제작에 주로 이용되는 재료는 무엇인가?
또한 MLA 제작에 주로 이용되는 재료로는 폴리머7, 11), 실리카12), 유리13), 다이아몬드14) 등이 있으며, 이 중에서 폴리머 계열이 다루기 쉽고, 저가의 MLA 제작에 가장 적합하기 때문에 일반적으로 널리 사용되고 있다. 열적 리플로우 방법은 제작 과정이 간단하여 현재 MLA 제작 방법들 중 가장 널리 사용되는 방법이지만, 화학적으로 불안정하고 열적 안정성이 낮은 감광막(photoresist), 렌즈 형태의 제한성, 고온의 제작 과정 등이 문제점으로 지적된다.
석영의 습식 식각을 이용한 MLA의 제작 및 리소그래피에의 응용은 어떠한 장점을 가지는가?
본 논문에서는 석영의 습식 식각을 이용한 MLA의 제작 및 리소그래피에의 응용에 관해 다루고 있다. 기존에 발표된 제작 방법들에 비해 비교적 간단한 제작 공정 및 값비싼 장비를 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다. 또한 MEMS 기술에서 널리 사용되는 식각 방법을 이용한 비접촉 제작 기술을 통해 높은 해상도의 초소형 렌즈 어레이 제작이 가능하며, 석영을 기반으로 제작되었기 때문에 기존 폴리머 기반 MLA가 가진 가장 큰 문제점인 극한 환경에서의 변형 및 불안정성을 해결할 수 있다. 제안하는 MLA의 개략도는 Fig.
MLA 제작 방법의 대표적인 방법에는 어떠한 것들이 있는가?
많은 MLA 제작 방법들이 여러 연구팀에 의해 보고되고 있으며, 대표적인 방법으로는 감광막 혹은 졸-겔 글라스 열적 리플로우(photoresist or sol-gel thermal reflow)5), 리플리카 몰딩(replica molding)6), 핫 엠보싱(hot embossing)7), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)8), 그레이 스케일 리소그래피 (gray scale lithography)9), 엑시머 레이저 가공(excimer laser ablation)10) 등이 있다.
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