KR100313389B1

KR100313389B1 - 마이크로액츄에이터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100313389B1
Application number: KR1019980016863A
Authority: KR
Inventors: 겐이치로 스즈키
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛본 덴기 가부시끼가이샤
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2001-12-28
Also published as: JP3050163B2; JPH10323058A; KR19980086951A; US7152300B1; US6191518B1

Abstract

마이크로액츄에이터는 고정자, 가동자 및 제1미세 구조체를 가지고 있다. 상기 고정자는 기판에 고정되어 있고 소정의 피치로 배열된 복수의 고정자 전극을 가지고 있다. 상기 가동자는 상기 고정자 전극에 대향된 복수의 가동자 전극을 가지고 있다. 상기 가동자는 상기 고정자와 상기 가동자를 가로질러 전압을 인가함으로써 이동된다. 상기 제1미세 구조체는 상기 가동자가 상기 고정자에 부착되지 않도록 하기 위해서 상기 가동자와 상기 고정자의 대향면중 적어도 하나의 표면에 형성된다.

Description

마이크로액츄에이터 및 그 제조 방법

본 발명은 광학 부품 및 소형 광자기/자기 디스크 부품을 구동하는데 사용되는 마이크로액츄에이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

절연 재료로 제조된 가동자가 복수의 고정 전극들사이에 발생된 정전기력, 및 전압이 좁은 갭으로 상기 가동자와 대향하는 상기 복수의 고정 전극에 인가될 때 상기 가동자에 의해 유도되는 전하에 의해 이동되는 일반적인 마이크로액츄에이터(정전 액츄에이터(electrostatic actuator))가 제안되어 있다.

슬라이더(slider)와 일체로 형성된 자기 헤드를 구동하기 위해서 자기 디스크 장치의 아암에 의해 지지된 서스펜션의 말단에 장착되어 있는 마이크로액츄에이터가 엘.에스.팬(L.S.Fan) 등의 명의의 "마이크로액츄에이터에 기초한 2단 서보 시스템을 이용한 매우 높은 트랙 밀도에서의 자기 기록 헤드 위치 결정"(산업 전자공학에 관한 IEEE 트랜잭션, Vol.42, No.3, pp.222-233, 1995년 6월(참조 문헌 1))에 제안되어 있다.

도 12에는 참조 문헌 1에 설명되어 있는 마이크로액츄에이터가 도시되어 있다.

도 12에서, 종래 마이크로액츄에이터는 실리콘 기판(후술됨)상에 형성된 한 쌍의 T형 고정자(83,84)에 의해서 구성되어 있고, 서로 대향된 레그부(leg portion)의 말단, 및 상기 고정자(83,84)사이에 형성된 H 형 가동자(82)를 가지고 있다. 상기 가동자(82)는 상기 실리콘 기판상에서 플로팅하기 위해 4개의 스프링(81)에 의해서 지지되어 있다. 각각의 스프링(81)의 일측은 상기 실리콘 기판에 고정된 한 쌍의 스프링 베이스(80)중 대응하는 스프링 베이스에 고정되어 있고, 전체적인 스프링(81)이 상기 실리콘 기판으로부터 분리되어 있다.

상기 고정자(83,84)는 메인 몸체부(83a,84a), 및 이들 메인 몸체부(83a,84a)의 중앙으로부터 수직으로 뻗어 있는 레그부를 구성하고 있는 지지부(83b,84b)로 각각 구성되어 있다. 이들 지지부(83b,84b)의 단부는 서로 대향되어 있다. 많은 즐치부(櫛齒部;comb tooth portion)(91)가 각각의 상기 지지부(83b,84b)의 양쪽상의 두 라인에서 소정의 피치로 즐치 형상으로 형성되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 다수의 고정자 전극(93)이 각각의 즐치부(91)의 한쪽상에서 즐치 형상으로 소정의 피치로 형성되어 있다.

상기 가동자(82)는 한 쌍의 평행한 지지부(82a), 및 이 지지부(82a)의 중앙들을 연결하는 연결부(82b)로 구성되어 있다. 상기 가동자(82)는 액츄에이터를 구성하기 위해 상기 고정자(83,84)와 결합되어 있다. 즉, 상기 가동자(82)의 지지부(82a)는 상기 고정자(83,84)의 지지부(83b,84b)를 사이에 두기 위해 평행하게 배열되어 있다. 상기 가동자(82)의 연결부(82b)는 상기 고정자(83,84)의 지지부(83b,84b)의 단부에 의해서 형성된 갭을 수직으로 가로지른다.

상기 가동자(82)는 상기 고정자(83,84)의 즐치부(91)들 사이의 피치와 동일한 피치로 즐치 형상으로 형성된 다수의 즐치부(92)를 구비하고 있다. 상기 고정자(83,84)의 즐치부(91)와 상기 가동자(82)의 즐치부(92)는 겹쳐져서 서로 맞물려있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 전극(93)들 사이에 삽입될 가동자 전극(94)은 각각의 즐치부(92)의 한쪽에 형성되어 있다. 각각의 상기 고정자(83,84)의 즐치부(91)는 상기 가동자(82)의 즐치부(92)의 폭보다 넓은 폭을 가지고 있다. 상기 고정자 전극(93)은 상기 가동자 전극(94)의 폭보다 넓은 폭을 가지고 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 전극(93)과 일체로 형성된 상기 즐치부(91)는 고정자 베이스(101)를 통해 실리콘 기판(100)에 고정되어 있다. 이와 대조적으로, 상기 가동자 전극(94)과 일체로 형성된 상기 즐치부(92)는 상기 실리콘 기판(100)으로부터 분리되어 있는데, 즉 소정의 간격을 두고 상기 반도체 기판(100)의 표면위에서 플로팅한다.

이 배열에서, 상기 가동자(82)는 도 12에서 우측 또는 좌측으로 이동될 수 있는데, 즉 상기 즐치부(92)는 이 즐치부(92)의 가동자 전극(94)과 상기 고정자(83,84)의 고정자 전극(93)을 가로질러 전압을 인가함으로써 상기 즐치부(91)에 가까워지거나 분리되는 방향으로 이동될 수 있다. 이 경우에, 상기 가동자(82)는 좌측 고정자(84)에 전압을 인가함으로써 좌측으로 이동될 수 있고, 또는 우측 고정자(83)에 전압을 인가함으로써 우측으로 이동될 수 있다.

이 배열을 가지고 있는 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법에 대해서 설명한다. 2μm 두께의 PSG(PhoshoSilicate Glass)막이 상기 가동자(82)가 형성되어야 하는 실리콘 기판(100)상의 한 영역에서 패터닝된다. 상기 PSG 막상에 형성된 레지스트 패턴들사이에는 포토리소그래피를 이용하여 구리가 도금된다.

상기 PSG 막은 상기 가동자 전극(94)을 포함하고 있는 가동자(82)를 상기 실리콘 기판(100)으로부터 분리시키기 위해 불화수소산을 사용하여 제거되며, 이에 따라 구리 도금된 상기 가동자(82)가 형성된다. 이 방법으로, 20μm 두께의 구리 재료를 사용하는 참조 문헌 1의 마이크로액츄에이터가 제조된다.

실리콘 IC 공정을 사용하는 마이크로액츄에이터에서는, 폴리실리콘 박막을 사용하는 구조가 종래에 잘 알려져 있다. 전기 도금된 액츄에이터에 비해, 폴리실리콘 구조를 가지고 있는 상기 마이크로액츄에이터가 실리콘 IC 공정과 양호하게 일치하며 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 자기/광자기 헤드 등에 관한 응용에서, 원하는 방향 이외의 방향으로의 헤드 이동은 적어지도록 억제되어야 한다.

도 12에 도시된 마이크로액츄에이터에서, 상기 가동자(82)는 도 12에서 우측과 좌측으로 이동해야 하지만, 상기 실리콘 기판(100)의 표면에 수직인 방향으로의 이동은 가능한 한 적어지도록 억제되어야 한다. 이 조건으로부터, 상기 스프링(81)은 두껍게 제조되어야 한다. 또한, 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)은 큰 정전기력을 사용하기 위해 두껍게 제조되어야 한다.

이들 조건으로부터, 실제적인 사용을 위해서는 20μm의 전극 두께를 가지고 있는 마이크로액츄에이터가 제조되어야 한다. 상기 폴리실리콘 박막은 기껏해야 4μm 정도의 두께를 가지고 있으므로, 상기한 도금 기술과 단결정 실리콘 에칭 기술(후술됨)을 사용하는 마이크로액츄에이터가 개발되고 있다.

단결정 실리콘으로 제조된 마이크로액츄에이터를 제조하기 위해, 에이.베니테즈(A. Benitez) 등의 명의의 "상용 본딩 및 재에칭된 절연체상 실리콘 기판으로 제조된 벌크 실리콘 마이크로전자기계 장치"(센서 및 액츄에이터, A50, pp.99-103, 1995)(참조 문헌 2)에 설명되어 있는 방법이 이용될 수 있다.

이 방법에 따라, 도 14의 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)은 20μm 두께의 단결정 실리콘막으로 형성되어 있고 상기 고정자 베이스(101)는 실리콘 산화막으로 형성되어 있다. 불화수소산을 사용하여 상기 가동자 전극(94)의 아래에 위치되어 있는 실리콘 산화막을 제거함으로써, 상기 가동자 전극(94)이 상기 실리콘 기판(100)으로부터 분리될 수 있다.

이 경우에, 상기 가동자 전극(94)은 상기 고정자 전극(93)보다 폭이 좁으므로, 상기 실리콘 산화막은 불화수소산을 사용하여 에칭할 때에도 상기 고정자 전극(93)의 아래에 여전히 잔류하여, 상기 고정자 전극(101)을 형성하고 있다. 이 방법으로, 예컨대 20μm 두께의 단결정 실리콘막으로 각각 제조된 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)이 상기 실리콘 기판(100)상에 형성된다.

상기 방식으로 제조된 소정의 전극 두께를 가지고 있는 마이크로액츄에이터에서, 상기 가동자 전극(94)이 구동 중의 어떤 이유로 인해 상기 실리콘 기판(100)과 충돌하여 이 실리콘 기판에 부착되면, 상기 가동자(82)는 동작을 정지한다. 이 현상은 일반적으로 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)이 단결정 실리콘을 사용하여 형성되면 발생하는데, 이는 상기 가동자 전극(94)과 상기 실리콘 기판(100)이 미러 표면(mirror surface)을 가지고 있기 때문이다. 상기 문제는 또한 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)이 구리 도금을 사용하여 형성될 때 자주 생긴다.

최근에는, 상기 문제를 효과적으로 해결하기 위한 방법이 와이.지(Y.Yee) 등의 명의의 "미세 구조체의 스틱킹(sticking)을 줄이기 위한 폴리실리콘 표면 수정 기술"(고체 상태 센서 및 액츄에이터에 관한 제8차 국제 회의의 개요, Vol.1, pp 206-209, 1995년 6월)(참조 문헌 3)에 공지된 폴리실리콘 마이크로액츄에이터와 관련하여 보고되어 있다.

도 15a 내지 도 15e를 참조하여, 이 해결 방법을 이용하여 액츄에이터를 제조하는 방법에 대해서 설명한다.

산화막(121)이 실리콘 기판(120)상에 형성된 후에, 0.5μm 두께의 폴리실리콘막(122)이 상기 산화막(121)상에 형성된다(도 15a). PSG 산화막(123)이 상기 폴리실리콘 막(122)상에 형성된다(도 15b). 이때, 상기 폴리실리콘 막(122)의 그레인 영역(grain region)에 산화가 깊게 진행된다. 이 샘플은 상기 PSG 산화막(123)의 두께 차이를 증가시켜서 상기 표면에 미세 구조체를 가지고 있는 폴리실리콘 막(124)을 형성하기 위해 어떠한 마스크도 없이 건식 에칭된다(도 15c).

2μm 두께의 PSG 막(126)이 상기 폴리실리콘 막(124)상에 형성되고 2μm 두께의 폴리실리콘 막(125)이 상기 PSG 막(126)상에 형성된다. 상기 폴리실리콘 막(125)은 마이크로액츄에이터 전극 형상을 가지도록 패터닝된다(도 15d). 마지막으로, 상기 PSG 막(126)은 상기 실리콘 기판(120)의 표면으로부터 상기 폴리실리콘 막(125)으로 제조된 전극을 분리하기 위해서 불화수소산을 사용하여 제거된다(도 15e).

이상에서 설명한 방법에 따라, 상기 가동자 전극에 접촉된 상기 실리콘 기판(120)의 표면은 두 접촉 영역을 줄이기 위해서 거칠어지고, 이에 따라 상기 고체 상태 표면들 사이의 인력이 감소된다. 두 접촉면에 미세 구조체를 형성함으로써 마찰을 감소시키는 방법이 종래에 제안되어 있다. 예컨대, 가동자에 대향된 기판의 표면에 산화막의 돌기를 배열하는 방법이 일본 특허 공개 제8-23685호, "정전 마이크로액츄에이터"(참조 문헌 4)에 공개되어 있다.

하지만, 참조 문헌 4에 설명된 산화막의 돌기는 포토리소그래피에 의해 형성되므로, 상기 돌기의 평면 크기는 도 15a 내지 도 15e를 참조하여 설명된, 표면을 거칠게 하는 방법에서의 돌기보다 훨씬 크다. 마찰력이나 부착력은 표면 조도에 크게 좌우되며, 이에 따라 도 15a 내지 도 15e를 참조하여 설명된 제조 방법에 의한 상기 마이크로액츄에이터의 특성은 종래 돌출 구조를 가지고 있는 액츄에이터의 특성보다 우수하다. 또한, 도 15a 내지 도 15e의 방법은 미세 구조체를 형성하는데에 포토리소그래피를 필요로 하지 않기 때문에 전체 공정이 간단해질 수 있다.

하지만, 도 15a 내지 도 15e에 도시된 종래 방법은 다음과 같은 이유 때문에 SOI 웨이퍼를 사용하는 단결정 실리콘 액츄에이터의 제조에 적용될 수 없다.

특히, 상기 SOI 웨이퍼를 사용하는 제조 방법에서는, 통상적으로 반도체 웨이퍼 제조업체로부터 구입한 SOI 웨이퍼가 사용된다. 이는 비용이 낮고 기판의 품질이 우수하기 때문이다. 하지만, 마이크로액츄에이터가 구입한 SOI 웨이퍼를 사용하여 제조되어야 하는 경우에는, 도 15a 내지 도 15e에 도시된 제조 방법을 사용하여 가동자의 아래의 기판 표면을 거칠게 하는 것은 본질적으로 불가능한데, 이는 상기 가동자와 상기 고정자를 위해 사용된 막이 이미 형성되어 있기 때문이다.

종래 마이크로액츄에이터는 또한 다음과 같은 구조적 문제를 가지고 있다. 동작 중에, 상기 가동자는 상기 기판에 뿐만 아니라 상기 고정자에도 부착되는데, 이는 상기 가동자 전극(94)과 상기 고정자 전극(93)이 도 13에 도시된 바와 같이 서로 복잡하게 맞물려 있기 때문이다. 상기 전극(93,94)이 보다 두꺼워지고 상기 전극(93,94)들간의 간격이 보다 좁아짐에 따라, 상기 문제가 보다 자주 발생된다.

가동자 전극(94)이 상기 고정자 전극(93)에 부착되는 이 문제는 상기 SOI 웨이퍼를 사용한 마이크로액츄에이터에 뿐만 아니라 폴리실리콘 및 전기 도금에 의해서 제조된 모든 마이크로액츄에이터에 공통적인 문제를 일으킨다.

이 문제는 도 15a 내지 도 15e를 참조하여 설명된 제조 방법에 의해서는 만족스럽게 해결될 수 없다. 이는 상기 미세구조체(124)가 도 15a 내지 도 15e의 상기 방법에 의해 상기 폴리실리콘 막(122)을 에칭할 때 상기 실리콘 기판(120)의 표면에 수직인 방향으로 배열된 플라즈마를 사용하는 건식 에칭에 의해 형성되기 때문이다. 즉, 이 방법은 상기 실리콘 기판(120)에 수직인 표면의 처리에만 적용될 수 있다.

상기 가동자 전극이 상기 폴리실리콘 막(122)으로 형성되어야 하는 경우에는, 압축력이 도 15b의 산화 단계에 의해서 상기 폴리실리콘 막(122)에 작용한다. 이 이유 때문에, 상기 실리콘 기판(120)으로부터 분리된 전극 자체가 변형된다.

도 1은 도 2에 도시된 마이크로액츄에이터의 주요부의 확대된 단면도.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 평면도.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부의 확대된 단면도.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부의 확대된 단면도.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부의 확대된 단면도.

도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부의 확대된 단면도.

도 7a 내지 도 7c는 도 1에 도시된 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법의 단계들을 각각 보인 도면.

도 8a 내지 도 8c는 도 5에 도시된 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법의 단계들을 각각 보인 도면.

도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 평면도.

도 10은 도 9의 부분(C)을 보인 확대된 평면도.

도 11은 본 발명의 제7실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 평면도.

도 12는 종래 마이크로액츄에이터의 평면도.

도 13은 도 12의 부분(A)을 보인 확대된 평면도.

도 14는 도 13의 라인(A-A')을 따라 취해진 단면도.

도 15a 내지 도 15e는 종래 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법의 단계들을 각각 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 : 가동자 13 : 고정자

15, 17 : 절연막

16, 26, 36, 46, 56 : 미세 구조 박막

23 : 고정자 전극 24 : 가동자 전극

본 발명의 목적은 동작 중에 가동자 전극을 포함하고 있는 가동자가 고정자 전극을 포함하고 있는 고정자 또는 기판에 부착되지 않도록 함으로써 안정된 성능을 나타낼 수 있는 마이크로액츄에이터, 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가동자 전극의 아래에서 SOI 웨이퍼의 표면에 미세 구조체가 형성되어 있는 마이크로액츄에이터, 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라, 기판상에 고정되어 있는 고정자로서, 소정의 피치로 배열된 복수의 고정자 전극을 가지고 있는 고정자; 상기 고정자 전극에 대향된 복수의 가동자 전극을 가지고 있는 가동자로서, 상기 고정자와 상기 가동자를 가로질러 전압을 인가함으로써 이동되는 가동자; 및 상기 가동자가 상기 고정자에 부착되지 않도록 하기 위해서, 상기 가동자와 상기 고정자의 대향면중 적어도 하나의 표면에 형성된 제 1 미세 구조체를 구비하고 있는 마이크로액츄에이터가 제공되어 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1에는 도 2에 도시된 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다. 도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로액츄에이터가 도시되어 있다. 도 2에서, 제1실시예의 마이크로액츄에이터는 실리콘 기판(후술됨)상에 형성되어 서로 대향된 레그부를 가지고 있는 한 쌍의 T형 고정자(13,14), 및 이들 고정자(13,14)사이에 배열되어 있는 H 형 가동자(12)로 구성되어 있다. 상기 가동자(12)와 고정자(13,14)는 전도형 재료로 만들어진다. 상기 가동자(12)는 상기 실리콘 기판상에서 플로팅하도록 4개의 스프링(11)에 의해 지지되어 있다. 각각의 스프링(11)은 상기 실리콘 기판에 고정된 스프링 베이스(10)에 고정되어 있고, 상기 실리콘 기판의 표면으로부터 분리되어 있다.

상기 고정자(13,14)는 서로 평행하게 배열되어 있는 메인 몸체부(13a,14a), 및 이들 메인 몸체부(13a,14a)의 중앙으로부터 수직으로 뻗어 있는 레그부의 역할을 하는 지지부(13b,14b)로 각각 구성되어 있다. 이들 지지부(13b,14b)의 단부는 서로 대향하고 있다. 다수의 즐치부(21)가 각각의 상기 지지부(13b,14b)의 양쪽에서 즐치 형상으로 소정의 피치로 형성되어 있다. 다수의 고정자 전극(23)이 도 13에서와 같이 각각의 즐치부(21)의 한쪽에 즐치 형상으로 소정의 피치로 형성되어 있다.

상기 가동자(12)는 한 쌍의 평행한 지지부(12a)와 이들 지지부(12a)의 중앙들을 연결하는 연결부(12b)로 구성되어 있다. 상기 가동자(12)는 상기 고정자(13)와 결합되어 있다. 즉, 상기 가동자(12)의 지지부(12a)는 상기 고정자(13,14)의 지지부(13b,14b)를 사이에 두기 위해 평행하게 배열되어 있다. 상기 가동자(12)의 연결부(12b)는 상기 고정자(13,14)의 지지부(13b,14b)의 단부에 의해 형성된 갭을 수직으로 가로지른다.

상기 가동자(12)는 상기 고정자(13,14)의 즐치부(21)들 사이의 피치와 동일한 피치로 즐치 형상으로 형성된 다수의 즐치부(22)를 구비하고 있다. 상기 고정자(13,14)의 즐치부(21)와 상기 가동자(12)의 즐치부(22)는 겹쳐져서 서로 맞물려 있다. 도 13에서와 같이, 상기 고정자 전극(23)들 사이에 삽입될 가동자 전극(24)이 각각의 즐치부(22)중 한쪽에 형성된다. 각각의 고정자(13,14)의 즐치부(21)는 상기 가동자(12)의 즐치부(22)의 폭보다 넓은 폭을 가지고 있다. 상기 고정자 전극(23)은 상기 가동자 전극(24)의 폭보다 넓은 폭을 가지고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 전극(23)과 일체로 형성된 즐치부(21)가 고정자 베이스(2)를 통해 실리콘 기판(1)에 고정된다. 이와 대조적으로, 상기 가동자 전극(24)과 일체로 형성된 즐치부(22)가 상기 실리콘 기판(1)의 표면으로부터 분리된다.

미세 구조 박막(16)을 각각 가지고 있는 절연막(15)이 상기 고정자(13)의 각각의 즐치부(21)와 고정자 전극(23) 및 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 상부면, 하부면, 측면, 및 말단면에 형성되어 있다. 그러므로, 상기 가동자(12)와 고정자(13)의 모든 표면은 미세 구조체를 가지고 있다. 미세 구조 박막(16)을 가지고 있는 절연막(17)이 또한 상기 가동자(12)와 대향된 상기 반도체 기판(1)의 적어도 한쪽 표면에 형성되어 있다.

상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)은 3μm의 폭과 20μm의 높이를 가지고 있는 단결정 실리콘으로 형성되어 있다. 상기 고정자(13)의 즐치부(21)는 10μm의 폭과 20μm의 높이를 가지고 있는 단결정 실리콘으로 형성되어 있다. 상기 고정자 전극(23)은 상기 가동자 전극(24)과 유사하게 3μm의 폭과 20μm의 높이를 가지고 있는 단결정 실리콘으로 형성되어 있다. 이 경우에, 상기 고정자 전극(23)이 상기 반도체 기판(1)의 표면으로부터 플로팅하지만, 상기 고정자 전극은 전압이 인가되더라도 이동하지 않는데, 이는 상기 즐치부(21)가 상기 반도체 기판(1)에 고정되어 있기 때문이다. 상기 절연막(15)은 100 nm의 두께의 산화막 또는 질화막 또는 이들의 복합 재료로 형성되어 있다. 상기 미세 구조 박막(16)은 100nm 두께의 폴리실리콘 막이다.

상기 제 1 실시예의 마이크로액츄에이터의 구조는 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)에 접촉된 상기 반도체 기판(1)의 표면 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)이 상기 미세 구조 박막(16)으로 덮여 있는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 상기 가동자 전극(24)이 상기 반도체 기판(1) 또는 상기 고정자 전극(23)과 충돌하면, 상기 반도체 기판(1) 또는 상기 고정자 전극(23)에 상기 가동자 전극(24)을 부착하려는 힘이 크게 감소될 수 있다.

제1실시예에서, 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 표면, 및 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 표면은 절연막(15)으로 덮여 있다. 이 구조로, 상기 가동자 전극(24)과 고정자 전극(23)은 구동 전압이 상기 가동자(12)와 고정자(13)사이에 인가될 때 구동 중의 충돌시에 단락되지 않게 된다.

본 발명자의 실험에 따라, 상기 가동자 전극(24)과 고정자 전극(23)의 측면에 형성된 미세 구조 박막(16)의 가장 바람직한 표면 조도는 실제적으로 사용할 때 50 내지 500 nm 정도이다. 상기 전극 표면이 수십 nm정도의 표면 조도를 가지고 있으면, 충돌시 두 전극을 당기는 힘을 발생하는, 대기에 포함되어 있는 수분의 표면 장력이 크게 감소된다.

상기 가동자 전극(24)과 상기 고정자 전극(23)사이에 인가된 전압을 줄임으로써 큰 구동력을 얻기 위해서, 두 전극간의 간격은 감소되어야 한다. 하지만, 상기 전극들간의 가장 좁은 간격은 제조 공정 조건으로부터 기껏해야 2μm 정도이다. 미세 구조체가 2μm의 간격을 가지고 있는 두 전극 표면에 형성되면, 상기 두 전극간의 간격은 미세 구조체로 인해 크게 변동되며, 상기 마이크로액츄에이터의 동작 특성은 불안정해진다. 하지만, 상기 마이크로액츄에이터는 500nm 이하의 두께를 가지고 있는 얇은 미세 구조체 표면이 동작 안정도에 거의 영향을 미치지 않기 때문에 실제적으로 사용될 수 있다.

도 3에는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다. 이하의 설명에서, 도 1에서 동일 부분을 나타내는 동일한 참조 부호 및 그에 대한 설명은 생략한다.

제2실시예에서는, 미세 구조 박막(26)을 각각 가지고 있는 절연막(15)이 고정자(13)의 즐치부(21)와 가동자(12)의 즐치부(22)의 대향하는 측면, 및 상기 고정자 전극(23)과 가동자 전극(24)의 말단면에만 형성된다. 미세 구조 박막(27)은 상기 가동자(12)의 즐치부(22) 및 가동자 전극(24)에 대향된 반도체 기판(1)의 표면에 직접 형성된다.

이 구조는 도 1에 도시된 제1실시예에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

1) 슬릿(slit) 또는 미러와 같은 광학 소자, 자기 헤드 등과 연결된 슬라이더 또는 서스펜션과 같은 소자가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)상에 집적 장착되어 있다. 이 경우에, 상기 즐치부(22)와 가동자 전극(24)은 편평한 표면을 가지고 있으므로, 이들 소자는 상기 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 동작 방향에서 소정의 각도를 유지하도록 쉽게 장착될 수 있다. 이들 소자는 상기 가동자(12)의 동작 표면에 대해 소정의 각도로 0.1μm 이하의 정밀도를 가지고 정확하게 장착되어야 한다.

2) 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)에 대향된 반도체 기판(1)의 표면에 형성된 미세 구조 박막(27)은 상기 가동자(12)와 상기 고정자(13)의 측면에 형성된 미세 구조 박막(26)의 제조 공정과는 다른 제조 공정에 의해서 상이한 재료로 형성될 수 있다. 환언하면, 산화막(2)을 제거할 때에, 상기 미세 구조 박막(27)은 상기 즐치부(22)와 상기 가동자 전극(24)의 아래에만 잔류될 수 있다. 이 경우에, 상기 미세 구조 박막(27)은 산화막(2)으로 구성되어 있다.

상기 미세 구조 박막(26)은 50 내지 500 nm 정도의 표면 조도를 가지도록 제조될 수 있고, 상기 미세 구조 박막(27)은 1μm 정도의 다른 표면 조도를 가지도록 제조될 수 있다. 이는 상기 가동자 전극(24)과 상기 반도체 기판(1)간의 간격이 가능한 한 좁아야 하는 전극 간격과는 달리 좁을 필요가 없기 때문이다.

마이크로액츄에이터의 동작 중에 상기 가동자(12)가 상기 고정자 또는 기판에 부착되지 않도록 하기 위해, 상기 표면 조도는 500 nm 이하이면 적합하다. 상기 반도체 기판(1)으로부터 상기 가동자 전극(24)을 분리하는 제조 공정 중에 상기 가동자 전극(24)이 상기 반도체 기판(1)에 부착되지 않도록 하기 위해, 1μm 정도의 크기의 미세 구조를 가지고 있는 표면 조도가 바람직하다. 이러한 점에서, 상기 제2실시예의 구조가 효과적이다.

영역마다 다른 표면 조도를 가지고 있는 미세 구조 박막(26)을 형성함으로써, 상이한 재료, 상이한 제조 공정 및 상이한 형상을 가지고 있는 부착 방지 구조체가 제조될 수 있다. 이것은 설계 및 제조 공정의 자유도를 증가시킨다는 점에서 유용하다.

상기 실시예는 미세 구조 박막(16,26,27)이 폴리실리콘을 사용하여 형성된 경우이다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 일반적으로 상기 표면에 수십 내지 수백 nm 정도의 크기를 가지고 있는 미세 구조체를 형성할 수 있는 방법에 사용될 수 있는 재료를 포함하고 있다. 예컨대, 미세 구조 박막(16,26,27)용의 재료로서, CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 텅스텐 막, 티타늄 막 또는 티타늄 질화막과 같은 금속막, 산화막 또는 질화막과 같은 절연막, 비결정 실리콘 막과 같은 반도체 막, 또는 유기물 박막이 이용가능하다. 스퍼터링 또는 증착과 같은 방법이 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 이들 방법의 조합을 포함한다.

상기 실시예에서는, 상기 미세 구조 박막(16,26)이 절연막(15,17)상에 형성된다. 하지만, 미세 구조 박막(16,26)은 예컨대 각각의 가동자 전극(24), 고정자 전극(23), 및 반도체 기판(1)의 실리콘 표면에 직접 형성될 수도 있다 이 경우에, 미세 구조체가 이들 표면에 만족스럽게 형성될 수 있는 경우에는, 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)이 고정자 전극 또는 반도체 기판에 부착되는 것이 방지될 수 있다.

미세 구조체를 형성하는 재료가 폴리실리콘과 같은 반도체 재료 또는 텅스텐과 같은 금속 재료이면, 상기 가동자 전극(24)과 고정자 전극(23)의 충돌시에 전기 단락이 생긴다. 이를 방지하기 위해, 이러한 형성 재료는 산화되어 절연막으로 변화되기에 충분하다. 산화막과 같은 절연막이 처음부터 형성 재료로 사용되면, 미세 구조체를 형성할 때 상기 재료를 산화하는 공정은 필요하지 않다.

도 4에는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다.

제3실시예에서는, 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 상부 표면, 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 상부 표면이 폴리실리콘 막(38)으로 덮여 있다. 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)에 대향된 반도체 기판(1)의 표면이 폴리실리콘 막(37)으로 덮여 있다.

또한, 이 구조에서는, 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)은 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(24) 또는 상기 반도체 기판(1)의 표면에 부착되는 것이 방지될 수 있다. 동작 중에 상기 가동자 전극(24)이 상기 고정자 전극(23)과 충돌하더라도 이들은 전기적으로 단락되지 않는다.

제3실시예의 특성에 따라, 특히 미세 구조 박막(36)이 폴리실리콘으로 형성되면, 폴리실리콘 막이 절연막(15)상에 거친 표면을 가지도록 성장되고 폴리실리콘 막이 실리콘상에 편평한 표면을 가지도록 성장되는 선택적 조건이 필요하다. 예컨대, LPCVD(Low Pressure CVD)가 적용될 때 상기 선택적 성장 조건은 20% 시레인 가스, 1 Torr의 압력, 590 내지 630℃의 증착 온도이다. 이 폴리실리콘 선택적 성장을 사용함으로써, 원하는 미세 구조 박막이 미세 구조체가 필요한 영역에만 형성될 수 있다. 또한, 상기 제조 공정은 여분의 포토리소그래피가 없기 때문에 간단해진다.

특히, LPCVD에 의해 형성된 폴리실리콘의 그레인 형상은 형성 온도를 변화시킴으로써 변동될 수 있다. 특히, 비결정 실리콘과 폴리실리콘사이에 590 내지 630℃의 천이 온도에서 형성된 폴리실리콘은 파형 형상을 가지고 있고, 수십 내지 수백 nm의 크기를 가지고 있는 반구 형상 미세 구조체가 쉽게 형성될 수 있다. 이 특정 크기와 형상은 상기 가동자 전극이 동작 중에 상기 기판 또는 고정자 전극과 충돌할 때 대기에 포함되어 있는 습기의 응축에 의해 생성된 물의 표면 장력에 의해서 생긴 인력에 의해서 상기 기판 또는 고정자 전극에 상기 가동자 전극이 부착되지 않도록 하는데 적합하다.

이러한 미세 구조체를 가지고 있는 폴리실리콘이 LPCVD에 의해서 형성될 수 있으므로, 상기 미세 구조체는 좁은 구조체내에 쉽게 형성될 수 있다. 그러므로, 미세 구조체는 상기 가동자 전극의 아래에 형성될 수 있다. 또한, 미세 구조체가 상기 가동자 전극과 고정자 전극(23)의 대향면에 쉽게 형성될 수 있으므로, 측방향에서의 상기 가동자 전극과 상기 고정자 전극 사이의 접촉 영역이 감소될 수 있다.

상기 방법은 폴리실리콘에 한정되지 않고 선택적 성장이 사용될 수 있는 재료에도 일반적으로 응용가능하다. 예컨대, 본 발명은 또한 CVD에 의해 형성된 텅스텐 등을 포함하고 있다.

상기 실시예에서는, 상기 미세 구조 박막이 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 표면, 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 표면에 형성된다. 대신에, 상기 가동자 전극(24)의 표면 등이 미세 구조체를 형성하기 위해 직접 에칭될 수 있다.

즉, 상기 가동자 전극(24) 또는 고정자 전극(23)이 형성된 후에 상기 가동자 전극(24)의 하부 표면 또는 측면에 미세 구조체를 형성하는 방법과 같이 상기 표면이 약간 에칭될 수 있다. 상기 에칭 방법은 액체를 이용하는 습식 에칭 및 가스를 이용하는 건식 에칭을 포함한다.

상기 마이크로액츄에이터가 보다 두꺼워지고 상기 가동자 전극(24)과 상기 고정자 전극(23) 사이의 갭이 보다 좁아짐에 따라, 용액이 습식 에칭시에 깊은 부분에 유입되기가 어렵다. 그러므로, 건식 에칭이 보다 적합하며, 습식 에칭은 간단한 장치에 의해 유리하게 수행될 수 있다. 상기 표면에 수백 nm의 크기를 가지고 있는 미세 구조체를 형성하기 위해서는 거칠게 에칭된 표면을 얻기 위한 조건을 구하는 것이 중요하다.

건식 에칭에서는, 예컨대, 상기 장치의 내부 압력이 SF₆과 같은 불소 기초 실리콘 에칭 가스를 사용하여 수백 mTorr까지 높게 설정된다. 한편, 습식 에칭에서는, 히드라진, EDP 등으로 제조된 실리콘 에칭 용액으로 실리콘 분말을 용해함으로써 제조된 용액이 사용될 수 있다. 또한, 에칭 용액 또는 가스에 유기물-요소-함유 재료를 혼합하는 것이 효과적이다.

도 5에는 본 발명의 제4실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다.

제4실시예에서는, 미세 구조체(46)가 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 측면 및 하부면에 직접 형성된다. 또한, 미세 구조체(46)는 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 측면과 하부면에 직접 형성된다. 미세 구조체(47)는 상기 가동자 전극(24)과 대향된 반도체 기판(1)의 표면에 형성된다. 상기 미세 구조체(46,47)는 상기 가동자 전극(24), 고정자 전극(23) 및 반도체 기판(1)을 구성하고 있는 재료와 동일한 재료를 사용하여 형성된다.

이 구조에서는, 원하지 않는 잔여 응력이 상기 마이크로액츄에이터에 남아 있지 않으므로, 어떠한 히스테리시스 없이 장기간 신뢰도가 우수하고 안정된 특성이 실현될 수 있다. 특성의 변동은 주위 온도가 변하더라도 작게 억제될 수 있다. 상기 제조 방법은 박막을 형성하는 제조 공정이 없으므로 간단해진다.

도 5에 도시된 구조를 가지고 있는 마이크로액츄에이터에서는, 상기 가동자 전극(24)이 상기 고정자 전극(23)과 충돌할 때 상기 가동자 전극(24)과 상기 고정자 전극(23)이 전기적으로 단락될 수 있다. 이를 방지하는 한가지 방법으로서, 상기 미세 구조체(46,47)가 산화되어 절연막으로 변화할 수 있다. 또한, 절연막이 상기 미세 구조체(46,47)상에 형성될 수도 있다. 복잡한 하측의 형상에 일치하는 막을 형성하는 방법으로서, 예컨대 질화막이 LPCVD를 사용하여 100 nm 두께로 형성될 수 있다.

도 6에는 본 발명의 제5실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다.

제5실시예에서, 도 1의 제1실시예의 미세 구조 박막과 동일한 미세 구조 박막(56)이 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 표면과, 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 표면에 형성된다. 도 5의 제5실시예의 미세 구조체와 동일한 미세 구조체(57)가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)에 대향된 반도체 기판(1)의 표면에 형성된다.

이 구조는 상기 제조 방법이 다음과 같은 이유로 인해 크게 간단해질 수 있음을 특징으로 하고 있다. 일반적으로, 수십 내지 수백 nm의 스텝을 가진 미세 구조체가 에칭에 의해 형성된 경우보다 두께와 형성이 정확한 막을 가진 박막에 의해 형성될 수 있다. 상기 미세 구조체는 또한 균일성 측면에서 보다 우수하다.

도 6의 제5실시예에서, 막 두께와 형상이 정확하게 제어되어야 하는 전극의 측면에 형성될 미세 구조 박막(26)이 박막의 형성을 사용하여 제조된다. 대조적으로, 막 두께와 형상이 정확하게 제어될 필요가 없는 반도체 기판(1)상의 미세 구조체(57)가 상기 반도체 기판(1)을 에칭함으로써 형성된다. 이 제조 공정은 본 발명의 효과를 얻기 위한 한가지 적절한 선택이다.

도 1의 실시예에서와 같이, 단지 박막을 형성함으로써 모든 미세 구조체를 형성하는 것은 폴리실리콘 재료를 사용하여 LPCVD와 같은 방법에서 적절한 선택이다. 하지만, 일반적으로, 상기 가동자 전극(24)의 하부면에 미세 구조 박막을 형성하는 것은 상기 가동자 전극의 측면에 형성하는 경우보다 어렵다. 이는 예컨대 스퍼터링 장치의 사용으로 타겟에 의해 형상화된 영역에 막을 형성하는 것이 어렵다는 사실로부터 이해될 수 있다.

도 6의 구조는 그러한 박막을 형성하는 것이 어려운 깊은 부분에 미세 구조체를 형성할 수 있도록 해 주며, 형상이 조절되어야 하는 측면을 위해 상기 박막 형성 방법이 사용되기 때문에 유용하다. 도 6의 구조를 사용함으로써, 폴리실리콘 이외에 다수의 재료가 미세 구조 박막(56)을 위해 사용될 수 있다.

상기 실시예에서는, 미세 구조체가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24) 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 대향하는 측면에 형성된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 미세 구조체가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24) 또는 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 측면에만 형성되더라도 동일한 효과가 얻어진다.

상기 기판 또는 상기 고정자 전극에 상기 가동자 전극(24)이 부착되지 않도록 해 주는 미세 구조체가 또한 상기 즐치부(22)와 가동자 전극(24)중 하나에 또는 둘다에 그리고 상기 반도체 기판(1)측에 형성될 수도 있다. 전기적인 단락을 방지하기 위해 형성된 절연막(15)이 미세 구조체의 존재 여부에 관계 없이 상기 즐치부(22)와 상기 가동자 전극(24) 또는 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)상에 형성될 수도 있다.

상기 실시예에서는, 상기 고정자(13)가 상기 반도체 기판(1)상에 배열된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 고정자(13)가 상기 가동자(12)상에 배열되는 경우에도 적용될 수 있다. 본 발명은 상기 가동자(12)가 상기 고정자(13)상에 배열되어 있는 구조에도 적용될 수 있다. 이 방법으로, 본 발명은 다른 고정자 또는 가동 부재가 상기 가동자(12) 또는 고정자(13)상에 장착되어 있는 구조를 가지고 있는 마이크로액츄에이터에 효과적이다.

이하에서는, 본 발명에 따라 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

도 7a 내지 도 7c에는 도 1의 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법이 도시되어 있다. 이 제조 방법에서, 제조 공정은 500μm 두께의 반도체 기판(1)상에 2μm 두께의 산화막(2)과 20μm 두께의 실리콘 막(60)을 순차적으로 형성함으로써 제조된 SOI 웨이퍼를 사용하여 시작된다.

3μm 두께의 산화막(61)이 상기 실리콘 막(60)상에 형성된 후에, 마이크로액츄에이터의 형상이 포토리소그래피를 사용하여 패터닝함으로써 상기 산화막(61)에 전달된다. 상기 실리콘 막(60)은 염화 가스를 사용하는 플라즈마 에칭 장치에 의해 마스크로서 상기 산화막(61)을 사용하여 에칭된다(도 7a). 가동자 전극(24)의 아래의 산화막(2)이 불화수소산을 사용하여 제거된다.

상기 불화수소산이 다량의 물을 사용하여 세척된 후에, 상기 샘플은 상기 반도체 기판(1)에 상기 가동자 전극(24)이 부착되지 않도록 하기 위해서 응결된 건조 장치를 사용하여 건조된다. 이 샘플은 상기 고정자 전극(23) 및 상기 가동자 전극(24)의 표면과 상기 반도체 기판(1)의 표면의 산화막 및 질화막으로 각각 구성된 절연막(15,62)을 형성하기 위해서 열 산화 처리노 및 LPCVD 장치에 삽입된다(도 7b).

폴리실리콘이 LPCVD를 사용하여 상기 샘플의 표면에 형성된다. 이 표면에 큰 미세 구조체를 가지고 있는 막(63)은 예컨대 600℃의 형성 온도에서 20%로 희석된 시레인 가스를 유입시킴으로써 폴리실리콘으로 형성된다.

이 방법을 사용하여 도 3의 마이크로액츄에이터를 형성하기 위해, 절연막이 도 7a의 단계 후에 상기 실리콘 막(60)의 측벽상에 형성된다. 상기 절연막은 건식 에칭을 사용하는 재에칭 공정에 의해 상기 측벽을 제외하고 제거된 후에, 상기 실리콘 막(60)의 측벽과 상부 표면에 폴리실리콘이 형성된다. 상기 실리콘 막(60)의 상부 표면은 편평한 구조체를 형성하기 위해서 폴리싱 공정에 의해 폴리싱된다. 다음에, 상기 산화막(2)이 가동자 전극(24)과 고정자 전극(23)을 형성하기 위해서 제거된다. 이때, 도 3에 도시된 미세 구조 박막(26,27)이 상기 절연막을 제거하기 위해 상기 에칭 시간을 제어함으로써 형성될 수 있다.

도 4의 마이크로액츄에이터를 제조하기 위해서, 도 3의 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법에서 상기 산화막(2)을 제거하는 시간이 연장되며, 이에 따라 상기 반도체 기판(1)의 표면에 미세 구조 박막(27)이 잔류하지 않게 된다. 그 후, 폴리실리콘이 다시 형성된다.

도 8a 내지 도 8c에는 도 5의 마이크로액츄에이터를 제조하는 방법이 도시되어 있다. 이 제조 방법에서, 상기 공정은 500μm 두께의 반도체 기판(1)상에 2μm 두께의 산화막(2)과 20μm 두께의 실리콘 막(60)을 순차적으로 형성함으로써 제조된 SOI 웨이퍼를 사용하여 시작된다.

3μm 두께의 산화막(61)이 상기 실리콘 막(60)의 표면과 상기 반도체 기판(1)의 하부 표면에 형성된 후에, 마이크로액츄에이터의 형상이 포토리소그래피를 사용하여 패터닝됨으로써 상기 산화막(61)에 전달된다. 상기 실리콘막(60)은 염화 가tm를 사용하는 플라즈마 에칭 장치에 의해 마스크로서 산화막(61)을 사용하여 에칭된다(도 8a). 가동자 전극(24)의 아래의 산화막(2)이 불화수소산을 사용하여 제거된다.

상기 불화수소산이 다량의 물을 사용하여 세척된 후에, 상기 실리콘 막(60)의 표면을 에칭하기 위해 상기 샘플이 에칭 용액내에 삽입된다. 이때, 상기 샘플은 150℃정도까지 EDP(EthyleneDiaminePyrocatechol)를 가열함으로써 제조된 용액에 1 분 정도 머물게 되며, 이때 예컨대 실리콘 분말은 미리 충분히 용해된다. 따라서, 도 8c에 도시된 미세 구조체(73)가 상기 실리콘막(60)의 표면에 형성된다.

상기 산화막(2)이 제거된 후에 상기 샘플을 건조시키지 않고 상기 실리콘 막(60)의 표면을 에칭하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 상기 반도체 기판(1)으로부터 분리된 가동자 전극(24)이 상기 반도체 기판(1)에 부착될 수 있다. 물론, 이 문제는 도 7a 내지 도 7c에 설명된 응결 건조와 같은 건조 방법을 사용함으로써 해결될 수 있다.

이 제조 방법의 현저한 특성에 따라, 상기 산화막(2)이 도 8a의 단계에서 에칭된 직후에 실리콘이 상기 샘플의 건조 없이 에칭된다. 상기 기판(1)에의 상기 가동자 전극(24)의 부착은 상기 실리콘 막(60)의 표면에 미세 구조체(73)를 형성하는 것만을 주의함으로써 방지될 수 있다. 이 이유 때문에, 응결 건조와 같은 불필요한 공정이 생략될 수 있다.

전기적 단락의 방지를 위해, 상기 샘플은 도 8c에 도시된 바와 같이, 산화막으로 제조된 미세 구조 박막(74,75)을 형성하기 위해 열 산화처리 노에 산화된다. 상기 반도체 기판(1)의 하부 표면에 형성된 산화막(61)은 도 8b의 단계에서 상기 실리콘 막(60)의 표면을 에칭할 때에 상기 반도체 기판(1)을 보호한다.

상기 제조 방법에 따라, 미세 구조체가 상기 가동자 전극(24)의 측면에 형성된다. 상기 미세 구조체의 크기가 수백 nm 이하인 한, 상기 마이크로액츄에이터는 상기 미세 구조체를 가지고 있는 전극을 가로질러 전압을 인가하는 경우에도 대부분의 경우에 안정적으로 구동될 수 있다. 하지만, 광 파장의 변조 및 자기 헤드의 구동과 같은 특정 분야에서, 상기 마이크로액츄에이터는 10 m 이하의 정밀도로 구동되어야 한다.

본 발명의 마이크로액츄에이터를 그러한 분야에 적용하고 상기 마이크로액츄에이터를 정밀하게 구동하기 위해, 상기 가동자 전극(24) 또는 상기 고정자 전극(23)의 측면이 편평하면 바람직하다. 이하에서는, 이 요구를 충족하고 본 발명의 목적으로서 고정자 전극 또는 기판에 가동자 전극이 부착되지 않도록 해 주는 구조를 가지고 있는 마이크로액츄에이터의 또 다른 실시예에 대해서 설명한다.

도 9에는 본 발명의 제6실시예에 따른 마이크로액츄에이터가 도시되어 있다. 도 2에서와 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 나타내며, 이에 대한 설명은 생략한다.

제6실시예의 마이크로액츄에이터는 스토퍼(19)가 가동자(12)의 즐치부(22)의 말단부와 일체로 형성되어 있다는 점에서 도 2에 도시된 마이크로액츄에이터와 다르다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 스토퍼(19)는 고정자(13 또는 14)의 즐치부(21)측으로 상기 가동자(12)의 즐치부(22)의 말단부를 만곡시킴으로써 형성된다.

상기 스토퍼(19)와 이 스토퍼(19)와 대향된 상기 고정자(13)의 즐치부(21) 사이의 간격은 상기 고정자(13)의 가동자 전극(24)의 말단부와 즐치부(21) 사이의 간격, 및 상기 가동자(12)의 고정자 전극(23)의 말단부와 즐치부(22) 사이의 간격보다 좁게 설정되어 있다. 이 구조로, 상기 가동자(12)의 동작 중에 상기 스토퍼(19)가 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 접촉하더라도, 상기 가동자 전극(24)은 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 접촉하지 않는다.

제6실시예에서, 상기 스토퍼(9)가 상기 고정자(13)와 접촉하는 경우에도 상기 고정자(13)가 상기 스토퍼(19)에 접촉하지 않도록 하기 위해서 미세 구조 박막(29)이 상기 스토퍼(19)의 말단면과 상기 고정자(13)의 즐치부(21)의 측면에 형성된다.

이 배열에 따라, 상기 전극의 거의 모든 측면이 편평하게 만들어진 경우에도, 접촉시의 부착력은 크게 감소될 수 있다. 제6실시예는 상기 스토퍼(19)가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)의 말단에 형성된 경우이지만, 상기 스토퍼가 상기 고정자(13 또는 14)의 즐치부(21)상에 형성되어도 동일한 효과가 얻어질 수 있다. 스토퍼는 상기 가동자(12)와 상기 고정자(13,14)상에 형성될 수도 있다. 상기 가동자(12)가 상기 고정자(13 또는 14)에 대향한 부분에 상기 스토퍼(19)가 형성되는 한, 상기 스토퍼(19)의 형성 위치는 상기 가동자(12)의 즐치부(22)의 말단부에 한정되지 않는다.

상기 스토퍼의 상기 말단면에 미세 구조체를 형성하기 위해서, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한 제조 방법에서는 절연막이 포토리소그래피를 사용하여 미세 구조 형성 영역에서만 남아 있고 잔류 영역으로부터 제거된다. 이후에, 폴리실리콘이 선택적으로 형성된다.

도 11에는 본 발명의 제7실시예에 따른 마이크로액츄에이터의 주요부가 도시되어 있다.

제7실시예에서는, 제1스토퍼(제1결합 부재)(27)가 가동자(12)의 즐치부(22)의 말단부에 형성되고, 상기 제1스토퍼(27)의 3개의 표면을 둘러싸고 있고 위에서 보았을 때 U 형상을 가지고 있는 제2스토퍼(제2결합 부재)(28)가 배열된다. 상기 제2스토퍼(28)는 고정자(13)로부터 분리되어 반도체 기판에 고정된다. 미세 구조 박막(26)이 상기 제1 및 제2스토퍼(27,28)의 대향하는 표면에 형성된다.

상기 제2스토퍼(28)는 상기 반도체 기판에 전기적으로 접속되고 가동자 전극(24)의 전위와 동일한 전위를 가지도록 설정된다. 상기 가동자 전극(24)과 고정자 전극(23)의 전체적인 표면은 편평하게 제조될 수 있다. 결과적으로, 인가 전압에 대해 매우 안정된 구동 특성을 가지고 있는 마이크로액츄에이터가 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2스토퍼(27,28)간의 간격은 상기 가동자 전극(24)과 상기 고정자 전극(23)간의 간격보다 좁게 설정된다. 이 이유 때문에, 상기 가동자 전극(24)이 상기 즐치부(22)의 길이 방향으로 이동하더라도 상기 가동자 전극(24)은 상기 고정자 전극(23)과 접촉하지 않는다. 상기 제1 및 제2스토퍼(27,28)의 대향면에 형성된 미세 구조 박막(26)은 위에서 설명한 부착 방지 효과와 동일한 효과를 가지고 있다

제1 내지 제5실시예는 미세 구조체가 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24)의 표면, 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)와 고정자 전극(23)의 표면에 형성되는 경우이다. 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 미세 구조체는 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 가동자 전극(24) 및 상기 고정자(13)의 즐치부(21)의 대향면, 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 상기 고정자 전극(23)의 대향면, 및 상기 가동자(12)의 즐치부(22)와 상기 고정자(12)의 즐치부(21)의 대향하는 표면에만 형성될 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 다음과 같은 효과가 얻어질 수 있다.

1) 상기 마이크로액츄에이터의 동작 중에 상기 가동자 전극이 상기 고정자 전극에 부착되어 마이크로액츄에이터가 동작을 정지하는 문제가 해결된다. 종래 시간보다 100 배정도 긴 시간에 걸쳐서 상기 마이크로액츄에이터의 구동시에도 부착이 행해지지 않는다. 이로부터, 본 발명에 따른 개선은 만족스러운 효과를 나타낸다.

2) 미세 구조체가 상기 가동자 전극의 하부 표면 또는 이 가동자 전극에 대향된 기판의 표면에도 형성되므로, 상기 기판에의 상기 가동자의 부착이 또한 방지된다. 본 발명에 의해 형성된 구조는 종래와 같은 포토리소그래피를 사용하여 형성된 미세 구조체보다 미세한 미세 구조체를 제공한다. 그러므로, 대기에 포함되어 있는 습기의 농축에 의해 생긴 표면 장력이 효과적으로 감소된다. 본 발명자에 의한 실험에 따라, 본 발명의 마이크로액츄에이터는 어떤 부착 실패 없이 10배 정도 긴 시간에 걸쳐서 동작하였다.

3) 상기 가동자 전극 또는 상기 고정자 전극의 표면에 폴리실리콘을 형성하는 방법을 사용함으로써, 형성될 미세 구조체의 형상이 폴리실리콘 막 두께, 형성 온도, 압력 등을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 예컨대, 폴리실리콘이 1 Torr의 압력과 590℃ 이하의 온도에서 형성되면, 10nm 이하의 표면 조도를 가지고 있는 편평한 표면이 얻어질 수 있다. 대조적으로, 100nm 두께의 폴리실리콘 막이 590 내지 630℃에서 형성되면, 50 내지 500 nm의 범위내에서 원하는 형상을 가지고 있는 미세 구조체가 상기 형성 온도를 설정함으로써 형성될 수 있다.

LPCVD에 의해서 형성된 폴리실리콘은 좁은 구조의 내부에 유입되는 특성과 상기 구조의 표면에 폴리실리콘을 쉽게 형성하는 특성을 가지고 있다. 또한, 폴리실리콘을 형성한 후에 상기 샘플을 산화시킴으로써 폴리실리콘이 산화막으로 변화될 수 있다.

상기 산화막은 도 15a 내지 도 15e에 도시된 미세 구조체와 동일한 큰 미세 구조체를 가지고 있는 구조를 형성하기 위해서 제거될 수 있다. 이들 특성 때문에, LPCVD를 이용한 폴리실리콘은 다른 재료보다 널리 사용될 수 있다.

4) 반구 형상의 미세 구조체를 가지고 있는 폴리실리콘은 대기 중의 습기의 농축에 의해 생성된 작은 물방울의 표면 장력을 줄이는데 특히 적합하다. 동시에, 상기 가동자 및 상기 고정자에 결합된 폴리실리콘의 영역이 넓으므로, 반구 형상의 미세 구조체를 가지고 있는 폴리실리콘은 상기 전극에 대해 큰 결합력을 가지고 있다. 상기 전극들은 충돌시에 상기 반구 형상의 상부측에서 서로 점 접촉(point-contact)하므로, 부착을 일으키는 표면 장력이 크게 감소될 수 있다.

5) 절연 미세 구조체들 또는 미세 구조체들을 결합함으로써, 전기적 단락은 상기 가동자 전극이 상기 마이크로액츄에이터의 동작중에 상기 고정자 전극과 충돌하더라도 방지될 수 있다. 따라서, 상기 액츄에이터의 신뢰도가 크게 개선될 수 있다.

6) 상기 스토퍼 구조를 사용함으로써 상기 가동자의 부착이 방지될 수 있고, 서로 대향된 상기 가동자 전극과 상기 고정자 전극간의 간격이 거의 일정하게 유지된다. 결과적으로, 상기 마이크로액츄에이터는 10 nm 이하의 높은 정밀도로 구동될 수 있다. 이에 따라 광 파장, 자기 헤드 등의 변조를 위해 마이크로액츄에이터에 요구되는 엄격한 정밀도가 충족된다.

Claims

마이크로 액츄에이터에 있어서,

기판과;

상기 기판 상에 고정된 고정자로서, 소정의 피치로 배열된 복수의 고정자 전극을 가지고 있는, 상기 고정자와;

스프링 부재에 의해 상기 기판 상에 지지된 가동자로서, 상기 고정자 전극과 맞물린 복수의 가동자 전극을 가지고 있고, 맞물린 상기 가동자 전극과 고정자 전극을 가로질러 전압을 인가함으로써 인동되도록 동작하며, 상기 고정자와 가동자는 각각 상기 기판에 실질적으로 수직인 각각의 대향면들을 가지고 있는, 상기 가동자와;

상기 가동자와 고정자의 상기 대향면들 중 적어도 하나의 대향면 상에 형성딘 제 1 미세 구조체로서, 상기 가동자가 상기 고정자에 부착되지 않도록 상기 대향면들 사이의 접촉 면적을 줄이기 위해 표면 조도를 형성하는, 상기 제 1 미세 구조체(microstructure)를 구비한 마이크로액츄에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 미세 구조체는 거친 표면을 가진 미세 구조 박막을 구비한 마이크로액츄에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 미세 구조체가 형성된 상기 가동자 및 고정자의 상기 대향면들 중 하나의 대향면 상에 형성된 제 2 미세 구조체를 더 구비한 마이크로액츄에이터.
제 3 항에 있어서,

상기 제 2 미세 구조체는 거친 표면을 가진 미세 구조 박막을 구비한 마이크로액츄에이터.
마이크로액츄에이터에 있어서,

기판과;

상기 기판 상에 고정된 고정자로서, 복수의 고정자 전극을 가진 즐치부(combtooth portion)를 가지고 있는, 상기 고정자와;

복수의 가동자 전극을 가진 즐치부를 가지고 있는 가동자로서, 상기 복수의 가동자 전극이 상기 복수의 고정자 전극과 맞물리고, 상기 가동자 전극과 상기 고정자 전극은 각각 상기 기판에 실질적으로 수직인 각각의 대향면을 가지고 있고, 상기 고정자와 상기 가동자를 가로질러 전압을 인가함으로써 이동되도록 동작하는, 상기 가동자와;

상기 가동자가 상기 고정자와 충돌하지 않도록 상기 가동자와 상기 고정자 사이에 설치된 스토퍼와;

상기 스토퍼 상에 그리고 상기 스토퍼에 대향된 상기 가동자 및 고정자의 상기 대향면들 중 적어도 하나의 대향면 상에 형성된 미세 구조체로서, 상기 스토퍼가 상기 가동자 및 고정자의 상기 대향면에 부착되지 않도록 상기 스토퍼와, 상기 스토퍼에 대향된 상기 가동자 및 고정자의 상기 대향면들 사이의 접촉 면적을 줄이기 위해 표면 조도를 형성하는, 상기 미세 구조체를 구비한 마이크로액츄에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 스토퍼는 상기 가동자 및 고정자의 상기 대향면들 중 하나의 대향면으로부터 돌출하도록 형성되고,

상기 가동자와 고정자 중 하나와 상기 스토퍼 사이의 간격은 상기 가동자와 고정자 사이의 간격보다 짧게 설정된 마이크로액츄에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 자동차 상에 형성되어, 상기 고정자쪽으로 돌출된 제 1 결합 부재와;

상기 가동자와 상기 고정자 사이에서 상기 기판 상에 형성되어, 상기 제 1 결합 부재로부터 소정의 간격을 두고 배열된 제 2 결합 부재를 구비한 마이크로액츄에이터.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 미세 구조체와 제 2 미세 구조체 중 적어도 하나의 미세 구조체는 물의 표면 장력에 의해 야기되는, 상기 고정자에의 상기 가동자의 부착을 방지하기 위하여 반구 형상을 가지고 있고,

상기 반구 형상의 상부가 상기 대향면에 접촉하는 마이크로액츄에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 스토퍼는,

상기 가동자 및 고정자의 상기 즐치부들 중 하나의 즐치부의 말단에 일체로 형성된 제 1 결합부와;

상기 기판에 고정된 제 2 결합부로서, 상기 제 1 결합부와 상기 제 1 결합부를 가지고 있지 않은 상기 가동자 및 고정자 사이에 설치된, 상기 제 2 결합부를 구비한 마이크로액츄에이터.
제 2 항에 있어서,

상기 미세 구조 박막은, 텅스텐 막, 티타늄 막, 화학 증착법에 의해 형성된 티타늄 질화막, 절연막, 비정질 실리콘 막, 또는 유기 박막으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 마이크로액츄에이터.
제 4 항에 있어서,

상기 미세 구조 박막은, 텅스텐 막, 티타늄 막, 화학 증착법에 의해 형성된 티타늄 질화막, 절연막, 비정질 실리콘 막, 또는 유기 박막으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 마이크로액츄에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 고정자와 가동자의 즐치부의 상부면은 폴리실리콘 막으로 덮인 마이크로액츄에이터.
마이크로액츄에이터 제조 방법에 있어서,

고정자 전극(23)을 가진 고정자(13) 및 가동자 전극(24)을 가진 가동자(12)를 반도체 기판(1) 상에 형성하는 단계로서, 상기 가동자는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 분리되도록 형성되는, 상기 고정자 및 가동자 형성 단계와;

상기 가동자 상에 그리고 상기 고정자와 상기 기판 중 하나의, 대향면들 중 적어도 하나의 대향면 상에 미세 구조체(16,26,27,46,47,56,57)를 형성하는 단계를 포함하며,

상기 고정자와 가동자는 각각 상기 반도체 기판에 실질적으로 수직인 각각의 대향면을 가지고 있는 마이크로액츄에이터 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 미세 구조체를 형성하는 단계는, 폴리실리콘 막박의 표면 상에 미세 구조 형상을 형성하기 위해, 상기 가동자 상에 그리고 상기 고정자와 상기 기판중 하나의, 상기 대향면들 중 적어도 하나의 대향면 상에 상기 폴리실리콘 박막을 형성하는 단계를 포함하고 있는 마이크로액츄에이터 제조 방법.
제 13항에 있어서,

상기 미세 구조체를 형성하는 단계는, 미세 구조 형상을 형성하기 위해, 상기 가동자를 그리고 상기 고정자와 상기 기판중 하나의, 상기 대향면들 중 적어도 하나의 대향면을 에칭하는 단계를 포함하는 마이크로액츄에이터 제조 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 고정자와 가동자의 즐치부에 대향된 상기 기판의 표면이 폴리실리콘 막으로 덮인 마이크로액츄에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 미세구조체는 절연 특성을 가지도록 산화된 마이크로액츄에이터.
제 3 항에 있어서,

상기 기판과 마주하는 상기 가동자의 바닥면과 상기 가동자의 상기 바닥면과 마주하는 상기 기판의 상부면 중 적어도 하나의 면 상에 설치된 제 3 미세구조체로서, 상기 가동자가 상기 기판에 부착되지 않도록 설치된, 상기 제 3 미세 구조체를 구비한 마이크로액츄에이터.
제 18 항에 있어서,

상기 제 1, 제 2, 제 3 미세 구조체는 거친 표면을 가진 미세 구조 박막을 구비한 마이크로액츄에이터.
제 5 항에 있어서,

상기 가동자와 고정자의 즐치부들은 각각 단결성 실리콘으로 형성된 마이크로액츄에이터.