KR100349265B1 - 정전 구동형 다단계 가동 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전 구동형 다단계 가동 구조체 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 빛의 사용효율을 높이고 생산단가를 낮추기 위하여 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 3차원 미소 기계 구조체를 형성하고, 구동전극과 이동전극 사이의 인가전압 차이에 의해 발생하는 정전력을 구동원으로 하여 이동전극이 움직이며, 최상부의 마스크 및 빗살무늬로 형성된 창을 통하여 빛의 차단 및 통과를 제어하며, 마이크로 머시닝 기술의 약점인 희생층 제거 시의 상층과 기판과의 고착을 방지하기 위한 지지빔으로 구성된다.

Description

정전 구동형 다단계 가동 구조체 및 그 제조방법{Electrostatically Driven Multistep Microstructures and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 빛을 차단하거나 통과시키는 가동 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체공정을 이용하여 제작하여 빛을 차단하거나 통과시키는 정전 구동형 다단계 가동 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 대표적인 표시장치인 액정(Liquid Crystal)을 사용하는 광개폐소자는 응시각도에 따른 빛의 콘트라스트 변화가 심하고, 액정의 반응시간이 길어 동화상 표현이 어렵다. 또한, 빛의 사용효율이 낮다는 결점외에 액정주입, 액정정렬을 위한 별도의 조립공정이 필수적인 점등 생산단가가 고가화 된다는 큰 문제가 있다.
또한, 종래의 기계적 광 샷터는 일반적으로 전력소모가 많으며 빠른 동작이 어렵고, 수백 ㎛ 크기의 미소한 광샷터를 만드는 것이 어려우며 이들을 복수개 배치하여 디스플레이의 화소로서 사용하는 것은 불가능하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 광개폐효율이 높고 생산단가가 낮은 광개폐소자인 다단계 가동 구조체를 반도체 공정만으로 수 ㎛에서 수백 ㎛ 크기로 제작하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다단계 가동 구조체의 전체 구조
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 다단계 가동 구조체의 작동원리도
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 다단계 가동 구조체의 공정단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 11 : 구동전극
12 : 선택전극 13 : 지지빔
20 : 회전이동자 21 : 이동전극
22 : 마스크 23 : 창
24 : 빛
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정전 구동형 다단계 가동 구조체는 반도체 기판 위에 형성된 하부전극과, 이동전극과 수직적으로 이격된 하부전극 사이의 인가전압 차이를 이용한 정전력을 구동원으로 하여 회전운동이 가능한 회전이동자와, 회전이동자에 빛의 개폐를 위한 마스크 및 창과, 회전이동자을 지지하기 위한 지지빔으로 이루어짐을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 정전 구동형 다단계 가동 구조체 제조방법은 반도체기판 위에 절연막을 형성하는 제1단계와, 절연막 위에 제1다결정실리콘을 형성하여 전압이 인가될 패드와 하부전극을 형성하는 제2단계와, 패드 및 하부전극에 절연막과 제2다결정실리콘을 형성하는 제3단계와, 하부전극과 같은 모양으로 제1희생층인 산화막을 형성하는 제4단계와, 이동전극 및 지지빔을 형성하기 위해 제3다결정실리콘을 형성하는 제5단계와, 이동회전자에 마스크와 창을 형성하기 위해 제3다결정실리콘을 식각하는 제6단계와, 식각된 제3다결정 실리콘에 제2희생층인 산화막을 형성하는 제7단계와, 제2희생층 상에 제4다결정실리콘을 형성한 후 마스크와 및 창을 형성하기 위해 제4다결정실리콘을 식각하는 제8단계와, 제1 및 제2희생층을 제거하는 제9단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
최근에 반도체 가공기술을 활용하여 수 ㎛ 에서 수백 ㎛ 크기의 기계적 구조체를 제작하는 기술, 즉 마이크로 머시닝 기술이 마이크론 크기의 센서 및 액츄에이터 제작에 응용되고 있다. 따라서, 이러한 마이크로 머시닝 기술을 활용하여 미소 기계구조체를 제작하므로써, 액정(Liquid Crystal)을 사용하는 표시장치의 단점인 낮은 빛의 사용효율을 높이고, 높은 생산단가 역시 양산성이 우수한 반도체 공정만을 사용하므로써 획기적으로 낮출 수 있다.
또한, 미세한 가공이 가능한 반도체 공정을 사용하므로써 더욱 미소한 수십 ㎛ 크기의 디스플레이 화소를 만들 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 다단계 구조체의 전체적인 구조이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 다단계 가동 구조체는 구동전극(11) 및 선택전극(12)과, 회전이동자(20) 및 이동전극(21)을 지지하는 하는 지지빔(13)이 실리콘기판(10)에 형성되고, 광의 개폐를 도와주는 마스크(22) 및 이 마스크(22)상에 만든 창(23)으로 구성된다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 다단계 가동 구조체의 단면도로서 작동원리를 나타낸 것이다.
도 2a는 초기상태로서, 구동전극(11) 및 선택전극(12)에 인가한 전압이 차이가 없는 경우이다. 이 상태에서는 회전이동자(20)가 회전운동을 하지 않고 평형 상태로 유지되므로 마스크(22) 상에 만든 창(23)을 통하여 빛(24)을 모두 통과시킨다.
도 2b는 구동상태로서, 구동전극(11)과 선택전극(12)에 인가한 전압이 차이가 있는 경우이다. 이 상태에서는 상부의 이동전극(21)과 하부의 구동전극(11) 및 선택전극(12) 사이의 인가 전압차이에 의한 정전 흡인력의 차이가 발생한다. 이 정전 흡인력의 차이에 의해 상부의 회전이동자(20)가 회전운동을 하게 되며, 회전운동자(20) 및 마스크(22)와 마스크(22) 상에 구성된 창(23)에 의해 빛(24)을 차단한다. 이 상태에서 인가전압을 해제하면 회전이동자(20)는 초기상태로 돌아온다. 이때 회전이동자(20)가 이동하면 회전이동자(20)를 지지하는 지지빔(13)이 탄성 변형하게 되며, 모든 전극에 인가한 전압을 해제하면 하부 지지빔(13)에 저장된 탄성에너지에 의해 회전이동자(20)는 초기상태로 돌아온다. 여기서 회전이동자(20)는 빛을 통과시키기 위한 창(23)과 빛(24)을 차단하기 위한 마스크(22)로 구성되어 있으며, 그 형태는 창문에 쇠창살이 촘촘하게 박혀 있는 형상이다. 평상시에는 최상살사이의 틈을 통하여 빛을 통과시키지만 구동전극에 전압을 인가하면 2개 이상의 창으로 구성된 다단계 가동 구조체인 이동전극이 회전하여 쇠창살 사이의 틈을 막아빛을 차단하게 되어 있는 것이다.
즉, 마이크로 머시닝 기술로서 회전운동이 가능한 박막 이동전극을 제작하고, 절연체에 매립되어 있는 전극과 상부공간에 형성한 전극에 적절한 전압을 가하여 이 이동전극을 원하는 방향으로 움직이게 함으로써 빛을 개폐하는 방식을 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제조공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 다단계 가동 구조체의 공정단면도이다.
먼저, 도 3a에 나타낸 바와 같이 전압을 인가하기 위한 형성공정으로, 실리콘 기판(40) 위에 하부전극과 기판사이의 절연을 위해 산화막(41)을 형성하고, 이어서 불순물이 도핑된 제1다결정실리콘을 형성한 후 식각하여 전원이 공급될 패드(43)와 하부전극(42)인 구동전극 및 선택전극 영역을 10㎛ 간격으로 이격 형성한다.
이어서, 도 3b에 나타낸 바와 같이 구동전극 및 선택전극과 패드(43) 영역에 산화막(44)을 형성한 후 식각하고, 언도프된 제2다결정실리콘(45)을 형성한 후 식각한다. 이어서 하부전극 영역과 동일한 크기로 제1희생층(46)인 산화막을 형성한 후 이방성 식각하여 회전이동자와 같은 모양으로 형성한다.
이어서, 도 3c에 나타낸 바와 같이 제1희생층(46)과 하부전극 사이의 이격된 부분에 제3다결정실리콘(47)을 형성한 후 이방성 식각하여 이동전극 및 지지빔을 형성한다. 여기서 이동전극 부분은 전극으로서 작동해야 하므로 제3다결정실리콘에불순물을 도핑한다. 또한, 지지빔은 회전방향으로는 작은 저항강성을 갖도록 하고, 수직방향으로는 이동전극을 충분히 지지할 수 있도록 하는 형상을 갖으며 수직방향 강성이 작으면 회전이동자와 기판이 고착하는 현상이 발생하므로 지지빔은 이러한 고착현상을 충분히 이길 수 있도록 충분한 수직방향 강성을 갖도록 단면과 형상을 형성한다.
다음에, 도 3d에 나타낸 바와 같이 마스크와 창을 형성하기 위해 이동전극인 제3다결정실리콘(47)을 식각하고, 이어서 이동전극과 뒤에 형성하는 마스크가 일체가 되도록 하기 위해 제2희생층인 산화막을 형성한 후 이동전극보다 조금 작게 산화막을 이방성 식각한다.
이어서, 도 3e에 나타낸 바와 같이 이동전극과 동일한 크기로 언도프된 제4다결정실리콘(49)을 형성하고, 도 3f에 나타낸 바와 같이 제4다결정실리콘(49)을 식각하여 이동전극과 동일한 모양과 크기의 마스크 및 창을 형성한다.
이어서, 하부전극 영역과 동일한 크기로 제3희생층(50)인 산화막을 형성한 후 이동전극보다 조금 작게 산화막을 이방성 식각하고, 이동전극과 동일한 크기로 언도프된 제5다결정실리콘(51)을 형성한다.
마지막으로, 도 3h에 나타낸 바와 같이 제5다결정실리콘(51)을 식각하여 이동전극과 동일한 모양과 크기의 마스크 및 창을 형성한 후 제1, 제2, 제3 희생층인 산화막을 제거하여 회전이동자를 형성한다. 여기서 회전이동자는 필요에 따라 이동전극과 동일한 모양과 크기의 마스크 및 창을 2∼10 단계 형성하고, 제4다결정실리콘 이후에 형성되는 다결정실리콘 층은 불순물을 도핑하지 않는다.
상기와 같은 본 발명은 마이크로 머시닝 기술에서 가장 약점인 희생층 제거시에 발생하는 상부층과 하부층과의 고착문제를 해결하기 위해 지지빔을 채용하고, 또 창을 형성하여 희생층 제거 공정을 단순화하여 생산수율을 비약적으로 높이는 것이 특징이다.

Claims (9)

  1. 빛을 차단하거나 통과시키는 가동 구조체에 있어서,
    반도체 기판 위에 형성된 하부전극과,
    상기 하부전극과 수직적으로 이격된 이동전극 사이의 인가전압 차이를 이용한 정전력을 구동원으로 하여 회전운동이 가능한 회전이동자와,
    상기 회전이동자에 빛의 개폐를 위한 마스크 및 창, 및
    상기 회전이동자을 지지하기 위한 지지빔으로 구성됨을 특징으로 정전 구동형 다단계 가동 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부전극은 구동전극 및 선택전극으로 이루어짐을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전이동자는 2∼10 단계의 구조체로 이루어짐을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지빔은 상기 회전이동자를 충분히 지지할 수 있고 회전운동을 원활히 할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크와 상기 창은 빛의 차단하거나 통과시키는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체.
  6. 다단계 가동 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체기판 위에 절연막을 형성하는 제1단계와,
    상기 절연막 위에 제1다결정실리콘을 형성하여 전압이 인가될 패드와 하부전극을 형성하는 제2단계와,
    상기 패드 및 상기 하부전극에 절연막과 제2다결정실리콘을 형성하는 제3단계와,
    상기 하부전극과 같은 모양으로 제1희생층인 산화막을 형성하는 제4단계와,
    이동전극 및 지지빔을 형성하기 위해 제3다결정실리콘을 형성하는 제5단계와,
    회전이동자에 마스크와 창을 형성하기 위해 상기 제3다결정실리콘을 식각하는 제6단계와,
    상기 식각된 제3다결정실리콘에 제2희생층인 산화막을 형성하는 제7단계와,
    상기 제2희생층 상에 제4다결정실리콘을 형성한 후 상기 마스크 및 상기 창과 동일한 모양 및 크기로 상기 제4다결정실리콘을 식각하는 제8단계, 및
    상기 제1 및 제2희생층을 제거하는 제9단계로 이루어짐을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 희생층 및 상기 다결정실리콘의 두께는 각각 1∼10㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제6단계 이후에 상기 제7단계와 상기 제8단계를 2∼10번 반복하여 수행하는 제10단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제3다결정실리콘은 불순물을 도핑하고, 상기 제2 및 제4다결정 실리콘은 불순물을 도핑하지 않는 것을 특징으로 하는 정전 구동형 다단계 가동 구조체의 제조방법.
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