KR100485127B1 - Design for Micromirror Structure and Micromirror Arrays - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정으로 제조되는 마이크로미러에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 "휨 빔"을 가지는 콤-드라이브 수직 구동 구조의 마이크로미러는, 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되지 않고, "휨 빔"에 의하여 연결되며, 미러판의 한쪽에는 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 구비한다. 본 발명에 의한 마이크로미러에서는 콤-핑거가 구동되어 미러판을 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 양질의 경면(mirror surface)을 제공한다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 주지 않아서 양질의 경면을 제공한다. 본 발명에서는 또한, "휨 빔"을 가지는 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 제시한다. The present invention relates to a micromirror manufactured by a microelectromechanical systems (MEMS) process, wherein the micromirror of the comb-drive vertical drive structure having the "bending beam" according to the present invention has a portion connecting the mirror plate and the substrate substrate. Instead of being directly connected to the substrate, it is connected by a "bending beam", and on one side of the mirror plate is provided a comb-finger of a single set of moving combs which are driven in connection with the "bending beam". In the micromirror according to the present invention, even when the comb-finger is driven to move the mirror plate, the mirror plate remains flat and has an infinite radius of curvature, thereby providing a good mirror surface. The micromirror according to the present invention does not affect the radius of curvature even if the thickness of the mirror plate is thin and the size of the mirror plate is large, thereby providing a good mirror surface. The present invention also provides a micromirror array in which a plurality of micromirrors are arranged when a vertical comb-drive driving micromirror structure having a "bending beam" is implemented in an SOI wafer.
Description
본 발명은 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정으로 제조되는 마이크로미러에 관한 것이다. The present invention relates to a micromirror manufactured by a microelectromechanical systems (MEMS) process.
실리콘 공정으로 마이크로구조를 제조하는 MEMS 공정은 감지, 구동 및 광학적 분야에서 응용되고 있다. MEMS 공정에서 자주 사용되는 구동 구조는 콤-드라이브(comb-drive) 형식으로서, 각각의 빗살(이하에서 콤-핑거)를 가진 두 개의 콤(comb)으로 구성되는데, 구동시에 보통 한 쪽 콤(고정 콤)은 고정되고, 나머지 콤(이동 콤)이 움직이게 된다. 구동 전압을 인가하면 이동 콤이 구동되어 두 개의 콤의 각 콤-핑거가 서로 깍지끼듯이 콤-핑거들 사이의 공간으로 삽입된다. 이때 콤-핑거가 서로 겹쳐지는 면적이 클수록 겹쳐지는 콤-핑거간의 정전기적인 힘이 커지게 되어, 작은 구동 전압에 의하여도 상대적으로 큰 힘을 적용하게 할 수 있다. MEMS processes for fabricating microstructures from silicon processes are finding applications in sensing, driving and optical applications. The drive structure often used in MEMS processes is a comb-drive type, which consists of two combs with each comb (comb-finger), usually one comb (fixed) during operation. Comb) is fixed and the remaining comb (moving comb) is moved. When the driving voltage is applied, the moving comb is driven to insert each comb-finger of the two combs into the space between the comb-fingers. In this case, the larger the area where the comb-fingers overlap each other, the greater the electrostatic force between the overlapping comb-fingers, so that a relatively large force can be applied even by a small driving voltage.
콤-드라이브 구조는 구동시 콤-핑거의 움직임 방식에 따라서, 병진 운동을 하는 선형 또는 측면 콤-드라이브 형식이 있으나(미국특허 제5,025,346호 및 제5,998,906호), 이러한 선형 또는 측면 콤-드라이브 구조는 같은 평면상에서 수평운동을 구현하는 방식으로서 마이크로미러를 구동하는데 적합하지 않다. 마이크로미러는 회전축을 중심으로 회전 운동을 하기 때문이다. The comb-drive structure has a linear or side comb-drive type that translates according to the way the comb-finger moves when driven (US Pat. Nos. 5,025,346 and 5,998,906), but such linear or side comb-drive structures It is not suitable for driving micromirror as a method of realizing horizontal motion on the same plane. This is because the micromirror rotates about the axis of rotation.
회전축을 중심으로 회전하는 마이크로미러는 응용 광학분야, 광통신분야 및 디스플레이장치들에서 사용된다. 이러한 마이크로미러를 구동하기 위하여는 수직 콤-드라이브 구동 구조가 적합하다. 수직 콤-드라이브 구조는 미국특허 제5,969,848호에도 제시되어 있다. Micromirrors that rotate about an axis of rotation are used in applied optics, optical communications, and display devices. Vertical comb-drive drive structures are suitable for driving such micromirrors. Vertical comb-drive structures are also shown in US Pat. No. 5,969,848.
초기의 수직 콤-드라이브 구조는 구동시 고정 콤과 이동 콤의 콤-핑거들 간의 겹치는 면적이 크지 않아서 효율적으로 구동되지 못할 뿐만 아니라, 무엇보다도 제조시 고정 콤과 이동 콤을 각각의 웨이퍼에서 별도의 공정으로 각각 제조한 후, 정렬하는 과정을 거쳤다. 이러한 정렬 과정에서 오차가 매우 커지고 수율도 떨어지는 문제점이 있었다. Initially, the vertical comb-drive structure does not operate efficiently due to the large overlap between the comb-fingers of the fixed comb and the mobile comb when driven, and, above all, the fixed comb and mobile comb are manufactured separately from each wafer during manufacturing. After each manufacturing process, the process of sorting was performed. This sorting process has a problem that the error is very large and the yield is also poor.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다중층 서브스트레이트를 사용하는 방식을 도입하여 이러한 정렬 과정이 필요하지 않은 수직 콤-드라이브 구조의 제조 공정이 소개되었다(WO 01/73934). 그러나, 여기서 제시된 제조 공정은 몸체/가공 기법을 사용하지 않으므로 두 개의 절연층이 포함된 다중층 서브스트레이트(예를 들어서 이중 Silicon-on-insulator, SOI)를 사용하여야 하는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 마이크로미러의 미러판과 콤-핑거의 두께를 상이하게 할 수 없으므로 마이크로미러의 효과적인 구동에 한계가 있다. 이 선행기술(WO 01/73934)에서는 복수개의 마이크로미러들의 어레이에 관한 구조는 전혀 제시되어 있지 않다. In order to solve this problem, a method of manufacturing a vertical comb-drive structure that does not require such an alignment process by introducing a method using a multilayer substrate has been introduced (WO 01/73934). However, the manufacturing process presented here has the disadvantage of using a multilayer substrate (eg, dual Silicon-on-insulator, SOI) with two insulating layers since it does not use body / processing techniques. In addition, since the thickness of the mirror plate and the comb-finger of the micromirror cannot be different, there is a limit to the effective driving of the micromirror. In this prior art (WO 01/73934), no structure is disclosed for an array of a plurality of micromirrors.
또한, 종래에 알려진 콤-드라이브 구조의 마이크로미러는 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되므로, 콤-핑거를 구동하여 미러판이 움직이는 경우, 미러판이 평평하게 유지되지 못하고, 구부러지게 되어 유한한 곡률 반경을 가지게 된다. 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 클수록 이런 문제는 더욱 심각해진다. In addition, in the conventionally known comb-drive micromirror, the part connecting the mirror plate and the substrate is directly connected to the substrate. Therefore, when driving the comb-finger, the mirror plate does not remain flat. As a result, they are bent and have a finite radius of curvature. The thinner the mirror plate and the larger the mirror plate, the more serious this problem becomes.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 마이크로미러에서, 콤-핑거가 구동되어 미러판이 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 높은 효율의 경면(mirror surface)을 가지는 마이크로미러를 제공하는 것이다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 미치지 않아서 양질의 경면을 제공할 수 있다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention, in the micromirror, the comb-finger is driven to keep the mirror plate flat even when the mirror plate is moved to have an infinite radius of curvature It is to provide a micromirror having a high efficiency mirror surface. The micromirror according to the present invention does not affect the radius of curvature even if the thickness of the mirror plate is thin and the size of the mirror plate is large, thereby providing a good mirror surface.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마이크로미러는, 미러판이 설치된 이동 콤의 수직 방향의 운동으로 이동 콤의 콤-핑거들이 고정 콤의 콤-핑거들 사이로 깍지끼듯이 삽입되는 수직 콤-드라이브 구동 구조의 마이크로미러에 있어서, 상기 미러판의 주위에 구비되고 상기 미러판과 연결되고, 이동 콤의 지지대와 연결되어 미러판을 지지하는 "휨 빔"; 및 상기 미러판의 한쪽에 구비되고, 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the object as described above, the micromirror according to the present invention is a vertical in which the comb-fingers of the moving comb are inserted between the comb-fingers of the fixed comb in a vertical motion of the movable comb provided with the mirror plate. A micromirror of a comb-drive driving structure, comprising: a "bending beam" provided around the mirror plate and connected to the mirror plate and connected to a support of a moving comb to support the mirror plate; And a comb-finger of a single set of moving combs provided on one side of the mirror plate and driven in connection with the "bending beam".
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 마이크로미러에 관하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the micromirror according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구조를 도시한 것으로서, 도1a는 평면도이고 도1b는 측면도이다. 도1에 도시된 것은 수직 콤-드라이브 구동 구조를 구성하는 두 개의 콤들 중 하나인 이동 콤의 구조이다. 도1a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판(11)의 주위에 "휨 빔"(13)이 미러판(11)과 연결되어 구비되어 있는데, 이 "휨 빔"(13)은 지지대(12)와 연결되어 구동되는 미러판(11)을 지지한다. 미러판(11)의 한쪽에는 상기 "휨 빔"(13)과 연결되어 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거(14)를 구비하고 있다. 즉, 미러판(11)을 중심으로 같은 쪽으로 "휨 빔"(13)과 이동 콤의 콤-핑거(14)가 구비되므로 콤-핑거(14)가 구동되고 "휨 빔"(13)을 통하여 구동력이 전달되어 미러판(11)이 움직이는 경우에도, 미러판(11)이 구부러지지 않고 평평함을 유지한다. Figure 1 shows the structure of a micromirror according to an embodiment of the present invention, Figure 1a is a plan view and Figure 1b is a side view. Shown in FIG. 1 is the structure of a mobile comb, one of two combs constituting a vertical comb-drive drive structure. As shown in Fig. 1A, the micromirror according to the present invention is provided with a "bending beam" 13 connected to the mirror plate 11 around the mirror plate 11, and this "bending beam" 13 Supports the mirror plate 11 which is connected to the support 12 and driven. One side of the mirror plate 11 is provided with a comb-finger 14 of a single set of moving combs in connection with the "bending beam" 13. That is, since the "bending beam" 13 and the comb-finger 14 of the moving comb are provided on the same side with respect to the mirror plate 11, the comb-finger 14 is driven and through the "bending beam" 13. Even when the driving force is transmitted and the mirror plate 11 is moved, the mirror plate 11 is kept flat without being bent.
도1에 도시된 본 발명에 의한 마이크로미러의 구조는 도1b에서 보이는 바와 같이, 미러판(11) 및 "휨 빔"(13, 도1b에서는 가려짐)의 두께가 콤-핑거(14)의 두께보다 얇다. 이러한 구조는 표면/몸체 가공 기법(미국특허 제6,150,275호)을 사용한 제조 공정 중에 미러판 및 "휨 빔"의 두께를 조절할 수 있는 것과 관련된 것이다. 수직 콤-드라이브 구조에서 인가되는 전압에 의하여 구동되는 것은 콤-핑거들이고, 콤-핑거들이 이동될 때에 콤-핑거에 연결된 "휨 빔"을 통하여 구동력이 전달되어 미러판이 움직이는 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 구동시 콤-핑거들이 겹쳐지는 면적이 클수록 효율적인 구동이 될 수 있는데, 콤-핑거와 동일한 두께의 "휨 빔"을 사용하는 경우, 콤-핑거에 의하여 구동되는 미러판의 움직임의 크기에 한계가 있게 된다. 도1b에서 보이는 바와 같이, 본 발명에서 제시한 구조에 의하면, 콤-핑거(14)의 두께는 두껍게 하면서도 "휨 빔"(13, 도1b에서는 가려짐)의 두께는 얇게 할 수 있다. "휨 빔"(13)의 구께가 얇을수록 "휨 빔"(13)의 탄성계수가 작으므로 구동 전압이 상대적으로 작아진다. 한편, 콤-핑거(14)의 두께는 이보다 두꺼우므로 이동할 수 있는 변위(즉, 휨 각)을 크게할 수 있는 장점이 있다. 즉 작은 구동 전압에서도 미러판(11)의 움직임을 크게할 수 있으므로 효과적인 구동이 가능하다. In the structure of the micromirror according to the present invention shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1B, the thickness of the mirror plate 11 and the "bending beam" (13, obscured in FIG. 1B) of the comb-finger 14 Thinner than thickness This structure relates to being able to control the thickness of the mirror plate and the "bending beam" during the manufacturing process using the surface / body processing technique (US Pat. No. 6,150,275). Driven by the voltage applied in the vertical comb-drive structure, it is comb-fingers, and when the comb-fingers are moved, the driving force is transmitted through a "bending beam" connected to the comb-finger to move the mirror plate. As described above, the larger the area where the comb-fingers overlap when driving, the more efficient driving is possible. When using the "bending beam" of the same thickness as the comb-finger, the movement of the mirror plate driven by the comb-finger There is a limit to the size of. As shown in Fig. 1B, according to the structure proposed in the present invention, the thickness of the comb-finger 14 can be made thick while the thickness of the “bending beam” 13 (hidden in Fig. 1B) can be made thin. The thinner the structure of the "bending beam" 13 is, the smaller the elastic modulus of the "bending beam" 13 is, so that the driving voltage is relatively small. On the other hand, since the thickness of the comb-finger 14 is thicker than this, there is an advantage that can increase the displacement (that is, the bending angle) that can be moved. That is, the movement of the mirror plate 11 can be increased even at a small driving voltage, thereby enabling effective driving.
도2는 도1에 도시된 본 발명의 일실시예 의한 마이크로미러의 구동시의 움직임을 도시한 것이다. 도2는 이동 콤의 콤-핑거들이 수직으로 구동되어 이에 따라서 미러판과 "휨 빔"이 회전 운동을 하는 것을 보여준다. 도1a를 참조하여 더욱 상세하게 설명하자면, 도1a에서 보면, 콤-핑거(14)가 지면으로부터 튀어나오는 방향으로 구동되면, 이에 따라서, 미러판(11) 및 "휨 빔"(13)은 지면을 중심으로 들어가는 방향으로 회전운동을 하게 된다. FIG. 2 illustrates a movement of the micromirror according to the embodiment of the present invention shown in FIG. Fig. 2 shows that the comb-fingers of the moving comb are driven vertically so that the mirror plate and the "bending beam" are in rotational motion. More specifically with reference to FIG. 1A, in FIG. 1A, when the comb-finger 14 is driven in a direction protruding from the ground, the mirror plate 11 and the “bending beam” 13 are thus grounded. Rotation movement in the direction of entering the center.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 마이크로미러의 구조를 구성하는 이동 콤은 도1과 같은 구조를 가지고, 수직으로 구동되어 이동 콤의 단일 세트의 콤-핑거의 아래쪽에 형성되는 고정 콤의 콤-핑거 사이로 깍지끼듯이 겹쳐들어가게 된다. 즉, 이동 콤의 아래쪽에 형성되는 고정 콤은 이동 콤이 구동될 때에, 이동 콤의 콤-핑거가 끼어들어갈 수 있는 콤-핑거들을 구비하고 고정 콤이므로 미러판이나 "휨 빔"이 필요하지 않은 단순한 콤-핑거의 구조로 구성된다. The mobile comb constituting the structure of the micromirror according to the present invention described above has the structure as shown in Fig. 1, and is vertically driven between comb-fingers of the fixed comb formed under the comb-finger of a single set of mobile combs. It will overlap with each other. That is, the fixed comb formed below the moving comb has comb-fingers through which the comb-finger of the moving comb can enter when the moving comb is driven, and is a fixed comb so that no mirror plate or "bending beam" is required. It consists of a simple comb-finger structure.
본 발명에 의한 마이크로미러의 구조를 SOI 웨이퍼에서 구현하는 경우, 이동 콤은 SOI 웨이퍼의 위쪽에서 공정 처리하여 디바이스실리콘층에 형성하고, 고정 콤은 SOI 웨이퍼의 아래쪽에서 공정 처리하여 핸들 실리콘층에 형성하도록 함으로써, 결과적으로 단일의 SOI 웨이퍼에서 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 구현하는 것이 가능하다. 도3은 본 발명에 의한 마이크로미러의 SEM 사진이다. When the micromirror structure according to the present invention is implemented in an SOI wafer, the mobile comb is processed on the top of the SOI wafer and formed on the device silicon layer, and the fixed comb is processed on the bottom of the SOI wafer and formed on the handle silicon layer. As a result, it is possible to implement a vertical comb-drive driven micromirror structure on a single SOI wafer. 3 is a SEM photograph of a micromirror according to the present invention.
이하에서는, 본 발명에 의한 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 설명한다. Hereinafter, a micromirror array in which a plurality of micromirrors are arranged when the vertical comb-drive driving micromirror structure according to the present invention is implemented in an SOI wafer will be described.
도4는 본 발명에 의한 마이크로미러 어레이를 설명하기 위한 것으로서, SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층에 배열된 이동 콤들을 보여준다. 도4는 4개의 마이크로미러의 배열을 예시한 것이다. Figure 4 illustrates a micromirror array according to the present invention, showing mobile combs arranged in the device silicon layer of the SOI wafer. 4 illustrates an arrangement of four micromirrors.
도4에서 보이는 바와 같이, 이동 콤이 배열되는 SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층은 전체가 접지되고, 4개의 이동 콤들의 각각에 대하여 아래쪽의 핸들실리콘층에 형성될 고정 콤의 전극에 전압을 인가할 전극 구멍(61)이 형성되어 있다. 또한, 아래쪽의 핸들실리콘층에 형성된 고정 콤 주위의 접지면을 위쪽의 디바이스실리콘층과 연결하기 위한 각각의 접지연결구멍(A)들이 형성되어 있다. As shown in Fig. 4, the device silicon layer of the SOI wafer in which the mobile combs are arranged is grounded in its entirety and an electrode for applying voltage to the electrodes of the fixed comb to be formed in the lower handle silicon layer for each of the four mobile combs. The hole 61 is formed. Further, respective ground connection holes A for connecting the ground plane around the fixed comb formed in the lower handle silicon layer with the upper device silicon layer are formed.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 "휨 빔"을 가지는 콤-드라이브 수직 구동 구조의 마이크로미러는, 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되지 않고, "휨 빔"에 의하여 연결되며, 미러판의 한쪽에는 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 구비함으로써, 콤-핑거가 구동되어 미러판을 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 높은 효율의 경면(mirror surface)을 제공한다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 주지 않아서 양질의 경면을 제공한다. 본 발명에서는 또한, "휨 빔"을 가지는 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 제시한다. As described above, in the micromirror of the com-drive vertical drive structure having the "bending beam" according to the present invention, the portion connecting the mirror plate and the substrate is not directly connected to the substrate, and the "bending beam". Is provided with a single set of comb-fingers of a single set of movable combs connected to and driven by the "bending beam" so that the mirror-plate is flat even when the comb-finger is driven to move the mirror plate. Maintains an infinite radius of curvature to provide a high efficiency mirror surface. The micromirror according to the present invention does not affect the radius of curvature even if the thickness of the mirror plate is thin and the size of the mirror plate is large, thereby providing a good mirror surface. The present invention also provides a micromirror array in which a plurality of micromirrors are arranged when a vertical comb-drive driving micromirror structure having a "bending beam" is implemented in an SOI wafer.
도1은 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구조,1 is a structure of a micromirror according to an embodiment of the present invention;
도2는 도1에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구동시 움직임을 도시한 것,FIG. 2 is a diagram illustrating a motion of driving a micromirror according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
도3은 본 발명에 의한 마이크로미러의 SEM 사진,3 is a SEM photograph of a micromirror according to the present invention;
도4는 본 발명에 의한 마이크로미러 어레이를 설명하기 위한 것으로서, SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층을 도시한 것. 4 is a view illustrating a micromirror array according to the present invention, showing a device silicon layer of an SOI wafer;
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- 2001-12-07 KR KR10-2001-0077395A patent/KR100485127B1/en not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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