This research presents a simple and low-cost method for rapid fabrication of 3D micro-optical elements without employing complex fabrication procedures and conventional photomasks. Unlike a conventional maskless lithography system, we combined gray-scale photolithography using Digital Micromirror Device (DMD) and thermal reflow process to fabricate 3D micro-optical elements with continuous surface profile.
The maskless lithography platform is developed using a DMD as a dynamic mask pattern generator, low cost illumination part with UV LED, an optical microscopic imaging system with 40X microscope objective lens, and reflecting mirrors. We employed a low cost white light LED and microscopic imaging system with CCD image sensor to monitor the alignment of dynamic mask pattern on photoresist and the fabricated microstructures at the object plane. All optical components were aligned along the principle ray of the light to focus reflected light from DMD on the thick photoresist surface. The resulting resolution is 1.5 μm. The optimal conditions in UV exposure dose, number of gray-tone levels of dynamic mask, and the temperature and time control during the thermal reflow process are experimentally determined to fabricate 3D micro-optical elements with continuous surface profile.
The 3D micro-optical elements such as blazed grating, blazed diffractive Fresnel lens, and microlens are fabri-cated on a thick photoresist-coated silicon or glass substrate to verify the performance of the implemented maskless exposure system. We fabricated complex 3D optical structure with sloped surface profile on 10 μm thick positive photoresist-coated substrate within 20second by using proposed fabrication process with a simple and inexpensive manner. The surface roughness also measured by using atomic force microscopy to verify the performance of the employed thermal reflow process. The resulting average surface roughness of patterned photoresist after thermal reflow process was 2.5nm. The surface roughness reduces approximately 10 times after thermal reflow process at optimal temperature and time. Optical characterizations of 3D micro-optical elements are measured by performing 3D optical sectioning based on the transmission confocal microscopy.
In conclusion, maskless exposure system with thermal reflow process developed in this research fabricates very complex 3D microstructure with continuous surface profile. This rapid fabrication technique have the potential to enable the fabrication of complex bio-inspired structures such as gecko foot exhibiting reversible adhesion, scale structure of shark reducing drag, and the lantern part of firefly with a rapid and inexpensive manners.
본 연구에서는 무마스크기반 리소그래피(Maskless Lithography) 시스템을 구축하고 포토레지스트 가열용융(Thermal Reflow)방법을 도입하여 고속 및 저비용으로 3차원 형상의 마이크로 광소자를 제작하였다
본 연구를 통하여 구축한 무마스크기반 리소그래피 시스템은 LED 광원, 디지털 미소반사표시기, 현미경 등으로 구성되며 디지털 미소반사표시기로부터 형성된 동적 마스크 패턴을 현미경의 대물렌즈를 통해 축소한 후 포토 레지스트 표면에 노광한다. 디지털 미소 반사 표시기로부터 반사된 동적 마스크 광 패턴을 대물렌즈의 결상면에 정확히 포커싱하기 위하여 렌즈, 반사경, 정밀 스테이지 시스템을 사용하여 약 240 μm X 180 μm 의 노광 영역에서 약 1.5 μm해상도를 가지는 정밀 광학계를 구축하였다. 3차원 형상의 마이크로 광학구조를 제작하기 위하여 디지털 미소 반사 표시기로부터 형성된 동적 마스크 패턴을 중첩하여 각 동적 마스크 패턴에 서로 다른 노광 시간을 부여하는 알고리즘을 이용함으로써 3차원 형상의 마이크로 구조물을 제작 가능하였으며, 동적 마스크 패턴 크기 및 노광 시간의 최적화를 통하여 약 100 μm X 90 μm 영역 10μm 의 높이를 가지며 약 5-12도의 기울기를 가지는 마이크로 광학구조를 약 18초이내에 제작할 수 있었다. 본 연구에서 구축한 무마스크기반 리소그래피 시스템은 저비용 LED광원 사용 및 고속 패턴 전환 속도를 가지는 디지털 미소 반사 표시기를 사용함으로써 기존의 포토리소그래피 공정 방법에 비해 저비용, 고속화의 장점을 이루었으며, 수 마이크로미터의 정밀도를 가지는 3차원 형상의 패턴을 제작할 수 있었다.
무마스크 리소그래피 시스템을 사용하여 제작된 3차원 마이크로 광학소자의 광 효율을 감소 시키는 요인인 표면 거칠기를 최소화함으로써 고효율 광학소자 제작을 위하여 추가 공정 단계로 마이크로 렌즈 어레이 제작에 주로 사용되는 포토레지스트 가열 용융 방법을 도입하였다. 가열 온도 및 가열 시간의 최적화 실험을 통하여 설계된 마이크로 구조물의 크기 변형을 최소화하는 조건에서 포토레지스트 가열 용융법을 수행한 후 Atomic force microscope를 이용하여 표면 거칠기를 확인 한 결과 약 2.5nm로 포토레지스트 가열 용융법 수행전과 비교하여 약10배 이상의 표면 거칠기 감소를 이루었음을 확인하였다.
무마스크 기반 리소그래피 시스템과 포토레지스트 가열용융법을 통해 제작된 3차원 광학소자의 광학 특성 평가를 위하여 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Scanning Microscope)을 이용하였다. 공초점 레이저 현미경시스템에 532nm파장대역의 레이저 광원을 사용한 3차원 마이크로 광학 소자의 굴절 및 회절 현상을 측정함으로써 광학적 특성파악을 완료하였다.
본 연구를 통해, 무마스크 기반 리소그래피 시스템과 포토레지스트 가열용융법을 통한 3차원 마이크로 광학소자 제작 방법을 제시하였으며, 이러한 3차원 구조물 제작 방법은 도마뱀의 발바닥 구조를 모사한 계층적 구조 제작 및 연꽃잎의 표면 구조 모사 등 기존의 공정방법으로 제작 하기 힘든 동물 및 식물에 존재하는 독특한 미세구조 및 기능적 특성을 모방하는 생체모방 연구에 적용 가능할 것으로 기대된다.
