정밀 아나모픽 마이크로광학으로 소비자 레이저 장치에 혁명을 일으키다

정밀한 조명을 위한 레이저 광의 사용은 광학 리소그래피와 같은 고급 애플리케이션이나 측정 기술과 같은 소규모 틈새 시장으로 제한되었습니다. 이제 자동차 및 가전제품과 같은 산업이 LIDAR 및 3D 센서의 생산을 개발하고 늘리고 있으므로 레이저 조명은 새로운 방향으로 확장되고 있습니다. 이미징 응용 분야의 경우 폴리머로 만든 광학 장치는 이미 스마트 카메라와 같은 장치에 가장 먼저 선택됩니다. 그러나 더 나은 성능과 장기적인 안정성을 갖춘 유리 미세 광학 제품을 제공하려면 사출 성형 폴리머 광학 제품의 비용 구조를 해결해야 했습니다.

광학 폴리머 재료의 제한된 기능성은 광학 장치의 제한된 설계 및 생산 기회를 의미합니다. 이는 안정성과 성능에 대한 높은 요구 사항을 적용하는 광학 장치에 특히 불리합니다. 이는 LIDAR 및 3D ID와 같은 안전 관련 애플리케이션에서 광학 장치를 사용할 기회를 놓쳤다는 것을 의미합니다. 특히, 광택, 헤이즈, 복굴절, 자외선/가시광선(UV/VIS) 광 흡수 및 투과 감소와 같은 잘 알려진 성능 저하 메커니즘으로 인해 자율 운송이나 산업 및 소비자 장치의 정밀한 광학 제어와 같은 열악한 환경의 응용 분야에서 폴리머 기반 광학 장치의 사용이 제한될 수 있습니다.

그림 1. 원통형 광학 요소를 사용한 유리 기판의 동시 처리.

마찬가지로, 사진 촬영을 위해 자연적으로 조명을 받는 물체에서는 레이저 조명의 저하로 인해 장치의 해상도와 기능이 저하됩니다. 이러한 저하 메커니즘은 높은 플럭스 펄스 다이오드 레이저 소스와 결합되어 안전 관련 기능을 갖춘 장치의 성능과 수명을 제한할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 원통형 렌즈 모양을 위한 새로운 생산 기술은 유리로 만들어진 광학 부품의 비용 절감 제한 요인을 극복하고 폴리머 비용 수준에서 정밀하게 연마된 광학 제품을 제공할 수 있도록 설계되었습니다.

웨이퍼 기반 광학 생산 기술

단일 광자까지 레이저 광을 제어하는 기술인 빔 성형(Beam shaping)을 통해 광학 시장이 현재 거의 1조 달러 수준으로 성장할 수 있었습니다.[1] 이전에는 레이저 절단이나 용접을 위한 산업 응용 분야에 사용되었던 빔 성형이 가전제품 시장에도 적용되었습니다. 빔 성형은 처음에는 CD/DVD 및 블루레이 플레이어용 레이저 다이오드의 대량 생산을 위한 것이었습니다. 이제 스마트폰용 고급 마이크로 광학 장치로 진화하여 저조도 환경에서도 얼굴 인식, 동작 제어, 밝고 선명한 이미지를 구현하고 있습니다. 자동차 산업에서 빔 성형은 스포트라이트에만 사용되는 것이 아닙니다. 최첨단 헤드업 디스플레이와 LIDAR는 운전자의 시야와 안전을 향상시켜 미래 자율주행차의 가능성을 열어줍니다.

이러한 빔 성형 애플리케이션을 활성화하려면 필요한 마이크로 광학 장치를 높은 정밀도와 정확도로 제작해야 합니다. 광범위한 광학 기능을 위한 유리를 선택할 때 광학 특성과 장기 안정성은 핵심 기준입니다. 그러나 스마트 소비자 애플리케이션과 자율 운송은 주로 비용에 의해 좌우됩니다. 그 결과, 고분자 광학은 현재 수천만에서 수억 개의 부품을 다루는 응용 분야에 가장 먼저 선택됩니다.

그림 2. 구조화되고 절단된 원통형 렌즈 배열.

다이오드 레이저 소스와 결합된 폴리머 광학은 UV 및 고출력 열화로 인해 저전력 또는 저가치 응용 분야에만 사용할 수 있습니다. 몇 와트 CW(연속파) 또는 100와트 QCW(준연속파) 이상이 필요한 응용 분야의 경우, 특히 열악한 환경에서 유리 광학 장치의 안전하고 안정적인 작동이 최선의 선택입니다. 장기적인 안정성 외에도 유리는 고분자 기반 광학 장치에 비해 더 작은 열팽창 계수, 훨씬 더 높은 굴절률, 파장 범위와 강도 모두에서 더 나은 투과율을 제공하고 환경 영향에 강합니다.

최근까지 대량 생산 가능성과 가격 때문에 제품 디자이너는 폴리머 광학을 선택했습니다. 이제 유리 웨이퍼의 원통형 렌즈에 대한 향상된 비순차적 냉간 처리 및 연마 기술의 개발로 처리된 mm2당 비용이 폴리머 광학 수준까지 감소되었습니다. 예를 들어 LIMO는 더 높은 연삭 및 연마 속도와 함께 동시에 생산되는 미세 광학 장치의 웨이퍼 크기를 300mm x 300mm(~12인치)로 늘렸습니다. 이로 인해 사이클 시간이 단축되어 고품질을 유지하면서 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능해졌습니다.

유리로 만든 12" 웨이퍼 레벨 광학 장치

이 공정은 연마된 유리 웨이퍼로 시작됩니다. 그림 1과 같이 표면을 구조화하기 위해 연삭 공정이 사용됩니다. 5가지 크기는 수년에 걸쳐 가장자리 길이가 35mm에서 300mm로 증가한 세대를 포괄합니다. 표면 모양은 도구의 모양에 의해서만 제한되므로 이 방향에서는 자유 형태입니다. 한 면을 구조화한 후 다른 면은 전면에 평행하거나 수직인 임의의 형상으로 가공할 수 있습니다. 구조화된 영역은 가장자리 길이에 따라 2차적으로 확장되는 반면 처리 시간은 약간만 증가하므로 각 세대마다 mm2당 생산 비용이 감소합니다. 최신 세대의 유효 처리 웨이퍼 면적은 90,000mm2입니다. 현재의 스텔스 다이싱 기술을 사용하면 단 12개의 웨이퍼만으로 백만 개가 넘는 고급 1mm2 마이크로 광학 장치를 생산할 수 있습니다.

임의의 모양으로 양면을 구조화하면 단일 이미터 다이오드 또는 LIDAR 애플리케이션을 위한 고속 및 저속 축 콜리메이터(FAC/SAC)부터 리소그래피용 균질화 장치, 빔 변환 시스템(BTS)에 이르기까지 다양한 조합이 가능합니다. 레이저 광을 모든 종류의 직사각형, 정사각형 또는 선 모양의 빔으로 변환하는 아나모픽 성형(x 및 y 빔 크기 및 강도의 개별 제어)은 원형 또는 약간 타원형 빔 모양만 사용할 때 기능이 제한되었던 레이저 광을 사용하여 광범위한 응용 분야를 열어줍니다.

그림 3. 웨이퍼 컷 원통형 렌즈 및 어레이를 기반으로 한 제품 라인.

이러한 마이크로 광학 제품을 생산하는 데에는 여러 가지 방법이 있습니다. 유리에 초점을 맞추면 그림 3과 같이 LIMO의 기계적 웨이퍼 구조화와 유리 성형이 주요 기술입니다. 둘 다 괜찮은 품질을 제공하지만 설계 자유도, 생산 속도 및 그에 따른 비용을 비교해야 합니다. 금형은 잠재적으로 2D 자유형을 가지므로 설계 자유도가 더 높아집니다. 이러한 장점은 현재 펌핑 응용 분야의 주요 레이저 소스인 엣지 이미터와 마이크로 광학 분야의 미래 주요 대량 시장 중 하나인 많은 최첨단 LIDAR 접근 방식에서 감소됩니다. 엣지 이미터는 비대칭 이미터로, 두 축을 서로 다른 유효 초점 거리로 설계해야 하므로 원통형 모양을 선호하므로 회전 대칭 렌즈 사용을 제외합니다.

그림 4. 교차 원통형 렌즈를 사용하여 타원 빔을 원형 모양으로 변환합니다.[2]

새로운 구조화 기능은 전체 전면 300mm × 300mm 웨이퍼에 대해 4시간 미만이 필요하므로 단 하나의 도구 세트를 사용하여 최대 20,000mm2/h를 생성합니다. 이는 최적화된 몰드 트랜스퍼 기계에 필요한 7-10 세트에 비해 NRE 비용을 최소화합니다. 이 구조화 시간은 재료 선택과 거의 무관하며 특수 고굴절률 유리는 물론 실리콘, 게르마늄, 용융 실리카 또는 불화칼슘과 같은 다양한 경질 재료를 처리할 수 있습니다. 특히 용융 실리카는 Tg~1,400°C의 높은 전이 온도로 인해 성형에 문제가 될 수 있습니다.[3]

그림 5. 프런트엔드 및 백엔드 생산 흐름.

웨이퍼 프런트엔드 생산 흐름에서는 목표 성능 비교 및 분산 분석을 실행하기 위한 표면 형상 측정 및 광학 테스트의 반복적인 개선 루프가 구현되었습니다. 장점은 웨이퍼가 최고 품질 표준을 충족하지 못하는 경우 이미 처리된 웨이퍼를 재구성할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 최대 생산량으로 품질을 일정하고 높은 수준으로 유지할 수 있습니다.

구조화된 유리 웨이퍼는 쉽게 세척, 배송 및 코팅이 가능합니다. 자동화된 다이싱, 검사 및 패키징은 폴리머 비용 수준을 목표로 안정적이고 재현 가능하며 합리적인 가격의 백엔드 프로세스를 제공합니다.

요약

그림 6. 정사각형 기판에서 특정 모양으로 절단된 유리로 만들어진 마이크로 광학 장치가 포함된 웨이퍼.

마이크로 원통형 렌즈의 생산 공정을 12인치 유리 웨이퍼로 확장할 수 있는 능력은 완전히 새로운 비용 구조를 가능하게 하며 소비자 및 대량 생산 응용 분야에서 유리로 만든 원통형 렌즈의 사용을 재정의합니다. 이제 유리 렌즈의 모든 성능 관련 매개변수를 폴리머 광학 가격 수준에서 사용할 수 있게 되었습니다. 유리 미세광학의 웨이퍼 기반 생산은 3D ID 및 LIDAR 센서와 같은 다양한 레이저 조명 장치의 대량 생산을 가능하게 하는 비용 구조로 이어졌습니다. 유리 마이크로 광학은 안전 관련 레이저 조명 설계에 적합합니다. 이제 LIMO의 새로운 12인치 생산 기술을 통해 가장 짧은 램프업 시간과 함께 수백만 개의 원통형 유리 렌즈 생산이 가능해졌습니다.

이 기사는 최고 마케팅 책임자인 Dirk Hauschild가 작성했습니다. 광학 라인 제품 관리자 Daniel Braam 박사; 최고 운영 책임자(COO) Dirk Bogs; LIMO GmbH (독일 도르트문트). 자세한 내용은 Mr. Hauschild에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하세요.  .