KR100400742B1 - piezoelectric type micro mirror and method for fabricating the same - Google Patents

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KR100400742B1 KR10-2001-0021208A KR20010021208A KR100400742B1 KR 100400742 B1 KR100400742 B1 KR 100400742B1 KR 20010021208 A KR20010021208 A KR 20010021208A KR 100400742 B1 KR100400742 B1 KR 100400742B1
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Abstract

광통신용 스위치에 사용되는 압전 구동형 미소 거울 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 기판과, 기판 위에 형성되는 절연체와, 캐비티 영역에 위치하는 거울과, 거울 하부면에 형성되어 거울을 지지하는 지지체와, 절연체로부터 돌출되어 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 캔틸레버와, 각 캔틸레버 위에 형성되고 외부의 인가 전압에 따라 지지체를 구동시키는 압전 액츄에이터와, 상기 캔틸레버와 지지체를 연결하는 4개의 힌지로 구성함으로써, 잔류 응력에 의한 초기 변형이 없고 구동 각도가 크며 구동 방향이 자유롭다.The present invention relates to a piezoelectric-driven micromirror used in an optical communication switch, and a method of manufacturing the same, comprising: a substrate having a cavity in a central region, an insulator formed on the substrate, a mirror located in the cavity region, and a bottom surface of the mirror. A support formed to support the mirror, two cantilevers protruding from the insulator, each arranged side by side with respect to both sides of the support and connected to both sides of the support, and formed on each cantilever and driving the support according to an externally applied voltage. Composed of four hinges connecting the cantilever and the support to the piezoelectric actuator to be used, there is no initial deformation due to residual stress, the driving angle is large, and the driving direction is free.

Description

압전 구동형 미소 거울 및 그 제조방법{piezoelectric type micro mirror and method for fabricating the same}Piezoelectric type micro mirror and its manufacturing method {piezoelectric type micro mirror and method for fabricating the same}

본 발명은 광통신용 스위치에 사용되는 압전 구동형 미소 거울 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric-driven micromirror used in an optical communication switch and a method of manufacturing the same.

최근, 미세 가공(micromachining) 기술을 이용하여 광학 소자를 제작하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, researches for manufacturing optical devices using micromachining techniques have been actively conducted.

이러한 소자 중에 대표적인 것으로는 미소 거울(mirror-mirror)을 들 수 있는데, 이것은 표시 소자로 이용될 수 있을 뿐만 아니라 광 스캐너(scanner), 그리고 광통신을 위한 크로스-커넥터 스위치(cross-connector switch)에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.A representative mirror of these devices is a mirror-mirror, which can be used not only as a display device but also as an optical scanner and a cross-connector switch for optical communication. It is expected to be able.

미소 거울을 움직이기 위한 구동력으로는 정전기력, 압전 구동력, 열 변형력 등이 주로 이용되어 왔으며, 정전기력을 이용한 소자가 가장 널리 연구되어 왔다.As the driving force for moving the micro mirror, electrostatic force, piezoelectric driving force, thermal strain force, etc. have been mainly used, and devices using electrostatic force have been most widely studied.

그러나, 압전 구동력은 정전력에 비해서 동일한 구동전압에서 큰 구동력을 얻을 수 있으며, 특히 정전력과는 달리 전압에 따라 구동력이 선형적으로 변하는 특성이 있으므로 정확한 위치 제어가 필요한 미소 거울의 제작에 적합하다.However, the piezoelectric driving force can obtain a large driving force at the same driving voltage as compared to the electrostatic power, and in particular, unlike the constant power, the driving force is linearly changed according to the voltage, which is suitable for the manufacture of a micro mirror that requires precise position control. .

도 1은 압전력에 의하여 각도가 변화하는 전형적인 미소 거울을 보여 주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 미소 거울이 압전 캔틸레버 끝에 연결되어 있으며 압전력에 의하여 캔틸레버가 위로 휘게 되면 캔틸레버 끝의 각도에 비례하여 미소 거울의 각도가 변화하게 되는 구조로 되어 있다.FIG. 1 is a view showing a typical micromirror whose angle is changed by piezoelectric force. As shown in FIG. 1, the micromirror is connected to the end of the piezoelectric cantilever, and when the cantilever is bent upward by the piezoelectric force, In proportion, the angle of the micromirror changes.

이러한 각도 변화용 미소 거울은 간단한 구조로 되어 있으나 몇 가지 문제점이 있었다.Such an angle varying micro mirror has a simple structure but has some problems.

첫째, 압전 박막이 잔류 응력을 갖게 되면 미소 거울은 초기 상태에서도 기판에 평행하지 않고 특정한 방향으로 휘게 된다.First, when the piezoelectric thin film has a residual stress, the micromirror is bent in a specific direction without being parallel to the substrate even in an initial state.

즉, 압전 박막이 인장 응력을 가지면 캔틸레버의 끝이 위쪽 방향으로 휘게 되고, 압전 박막이 압축 응력을 가지면 캔틸레버의 끝이 아래쪽 방향으로 휘게 된다.That is, when the piezoelectric thin film has a tensile stress, the end of the cantilever is bent upward. When the piezoelectric thin film has a compressive stress, the end of the cantilever is bent downward.

둘째, 압전 캔틸레버는 전압 인가에 의하여 캔틸레버의 끝이 위쪽 방향으로만 움직이게 되고 아래쪽 방향으로는 움직이게 할 수 없으므로 구동 방향에 한계가 있다.Second, the piezoelectric cantilever has a limitation in the driving direction because the tip of the cantilever is moved only in the upward direction and cannot be moved downward in the piezoelectric cantilever.

PZT 등을 이용한 압전 박막은 도메인(domain)과 같은 방향으로 전압이 인가되면 두께 방향으로 늘어나고 길이 방향으로 수축하는 특성이 있으므로 전압 인가에 의하여 캔틸레버 끝은 위쪽 방향으로만 휘게 된다.The piezoelectric thin film using PZT or the like has a characteristic of extending in the thickness direction and contracting in the longitudinal direction when a voltage is applied in the same direction as a domain, so that the tip of the cantilever is bent only upward by the application of voltage.

물론, PZT의 도메인 방향과 반대되는 방향으로 전압이 인가되면 길이 방향으로 늘어나게 할 수는 있지만 이 경우 재현성이 있는 구동 특성을 얻을 수 없고 높은 전압에서는 도메인의 방향이 다시 바뀌므로 높은 전압을 인가할 수 없다.Of course, if the voltage is applied in the direction opposite to the domain direction of the PZT, it can be increased in the longitudinal direction, but in this case, reproducible driving characteristics cannot be obtained, and at a high voltage, a high voltage can be applied because the domain direction is changed again. none.

셋째, 압전 캔틸레버의 구동 특성은 압전 박막의 압전 특성과 캔틸레버의 두께 및 길이에 의존하기 때문에 캔틸레버가 충분히 길지 않으면 큰 구동 각도를 얻을 수 없다.Third, since the driving characteristics of the piezoelectric cantilever depend on the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film and the thickness and length of the cantilever, a large driving angle cannot be obtained unless the cantilever is long enough.

본 발명의 목적은 잔류 응력에 의한 초기 변형이 없고 구동 각도가 크며 구동 방향이 자유로운 압전 구동형 미소 거울 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a piezoelectric-driven micromirror and a method of manufacturing the same, which have no initial deformation due to residual stress, a large driving angle, and a free driving direction.

본 발명의 다른 목적은 2축 자유도를 갖는 압전 구동형 미소 거울 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a piezoelectric-driven micromirror having a biaxial degree of freedom and a method of manufacturing the same.

도 1은 압전력에 의하여 각도가 변화하는 전형적인 미소 거울을 보여 주는 도면1 is a view showing a typical micro mirror whose angle is changed by piezoelectric force

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 사시도 및 평면도2A and 2B are a perspective view and a plan view showing a piezoelectric driven micromirror according to the present invention;

도 2c는 도 2b의 Ⅱ-Ⅱ선상에 따른 단면도FIG. 2C is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 2B

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 미소 거울의 구동 원리를 보여주는 도면3a to 3c show a driving principle of the micro mirror according to the present invention;

도 4a 내지 도 4f는 도 2a의 I-I 선상에 따른 본 발명의 압전 구동형 미소 거울의 제조 공정을 보여주는 공정단면도4A to 4F are cross-sectional views showing a manufacturing process of the piezoelectric-driven micromirrors of the present invention along the line I-I of FIG. 2A.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 미소 거울을 지지하는 2층 구조의 지지체를 제조하는 공정 단면도5A to 5C are cross-sectional views of a process of manufacturing a support having a two-layer structure for supporting a micromirror according to the present invention.

도 6은 2축 구동이 가능한 미소 거울을 보여주는 도면6 is a view showing a micro mirror capable of two-axis drive

도 7은 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 광학 현미경 사진7 is an optical micrograph showing a piezoelectric-driven micromirror according to the present invention.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울의 구동 특성을 보여주는 그래프8A and 8B are graphs showing driving characteristics of the piezoelectric driven micromirror according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

11 : 실리콘 기판 12 : 질화물층11 silicon substrate 12 nitride layer

13 : 하부전극층 14 : 압전체층13 lower electrode layer 14 piezoelectric layer

15 : 상부전극층 16; 미소 거울15: upper electrode layer 16; Smile mirror

17 : 산화물층 18 : 불순물 영역17 oxide layer 18 impurity region

본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울은 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 기판과, 기판 위에 형성되는 절연체와, 캐비티 영역에 위치하는 거울과, 거울 하부면에 형성되어 거울을 지지하는 지지체와, 절연체로부터 돌출되어 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 캔틸레버와, 각 캔틸레버 위에 형성되고 외부의 인가 전압에 따라 지지체를 구동시키는 압전 액츄에이터와, 상기 캔틸레버와 지지체를 연결하는 4개의 힌지로 구성된다.The piezoelectric-driven micromirror according to the present invention includes a substrate having a cavity in a central region, an insulator formed on the substrate, a mirror positioned in the cavity region, a support formed on the lower surface of the mirror to support the mirror, A cantilever protruding from the insulator and arranged in parallel with each other on both sides of the support and connected to both sides of the support, and a piezoelectric actuator formed on each cantilever and driving the support according to an externally applied voltage, and the cantilever and the support. It consists of four hinges connecting the.

여기서, 절연체, 지지체 및 캔틸레버는 Si3N4로 형성되고, 지지체와 캔틸레버는 힌지(hinge)에 의해 연결된다.Here, the insulator, the support and the cantilever are formed of Si 3 N 4 , and the support and the cantilever are connected by a hinge.

그리고, 지지체의 하부 면에는 고농도의 불순물이 도핑된 p형 실리콘층이 형성될 수도 있다.In addition, a p-type silicon layer doped with a high concentration of impurities may be formed on the lower surface of the support.

본 발명은 중심영역에 제 1 캐비티(cavity)를 갖는 기판과, 기판 위에 형성되는 절연체와, 제 1 캐비티 영역에 위치하고 중심영역에 제 2 캐비티를 갖는 제 1 지지체와, 제 2 캐비티 영역에 위치하는 거울과, 거울 하부면에 형성되어 거울을 지지하는 제 2 지지체와, 절연체로부터 돌출되어 제 1 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고 제 1 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 제 1 캔틸레버와, 제 1 지지체로부터 돌출되어 제 2 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고 제 2 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 제 2 캔틸레버와, 제 1 캔틸레버 위에 형성되고 외부의 인가 전압에 따라 제 1 지지체를 구동시키는 제 1 압전 액츄에이터와, 제 2 캔틸레버 위에 형성되고 외부의 인가 전압에 따라 제 2 지지체를 구동시키는 제 2 압전 액츄에이터와, 상기 제 1 캔틸레버와 제 1 지지체를, 상기 제 2 캔틸레버와 제 2 지지체를 각각 연결하는 힌지로 구성될 수도 있다.The present invention provides a substrate having a first cavity in a central region, an insulator formed on the substrate, a first support having a second cavity in the first cavity region, and a second cavity located in the second cavity region. A mirror, a second support formed on the bottom surface of the mirror to support the mirror, a first cantilever protruding from the insulator, each arranged two by one on both sides of the first support, and connected to both sides of the first support; A second cantilever protruding from the first support and arranged two by side with respect to both sides of the second support and respectively connected to both sides of the second support, and a first cantilever formed on the first cantilever and according to an externally applied voltage; A first piezoelectric actuator for driving the support and a second piezoelectric actuator formed on the second cantilever and for driving the second support according to an externally applied voltage; , It may be of the first cantilever and a first support, a hinge for connecting the second cantilever and a second support, respectively.

여기서, 제 1, 제 2 지지체의 하부 면에는 고농도의 불순물이 도핑된 p형 실리콘층이 형성될 수도 있다.Here, a p-type silicon layer doped with a high concentration of impurities may be formed on the lower surfaces of the first and second supports.

또한, 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울의 제조방법은 기판을 준비하는 제 1 단계와, 기판의 상/하부 면 위에 각각 질화물층을 형성하는 제 2 단계와, 기판의 상부 면 위에 형성된 질화물층 위에 하부전극층, 압전체층, 상부전극층을 순차적으로 형성하는 제 3 단계와, 상부전극층 및 압전체층의 소정영역을 1차 식각하고 하부전극층의 소정영역을 2차 식각하는 제 4 단계와, 거울이 형성될 영역의 질화물층 위에 거울을 형성하는 제 5 단계와, 기판 하부의 소정영역에 있는 질화물층 및 기판을 식각하여 멤브레인을 형성하고 기판 상부의 소정영역에 있는 질화물층을식각하여 캔틸레버를 형성하는 제 6 단계로 이루어진다.In addition, the method of manufacturing a piezoelectric-driven micromirror according to the present invention includes a first step of preparing a substrate, a second step of forming a nitride layer on the upper and lower surfaces of the substrate, and a nitride layer formed on the upper surface of the substrate. A third step of sequentially forming a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer thereon; a fourth step of first etching a predetermined region of the upper electrode layer and the piezoelectric layer and second etching of a predetermined region of the lower electrode layer; and forming a mirror A fifth step of forming a mirror on the nitride layer of the region to be formed; and forming a membrane by etching the nitride layer and the substrate in the predetermined region below the substrate, and forming the cantilever by etching the nitride layer in the predetermined region above the substrate. It consists of six steps.

여기서, 상기 제 1 단계는 기판 전면에 산화물층을 형성하는 단계와, 산화물층의 소정영역을 식각하여 미러가 형성될 영역의 기판을 노출시키는 단계와, 노출된 기판에 고농도의 p형 불순물 이온을 주입하여 고농도의 불순물 영역을 형성하는 단계와, 남아있는 산화물층을 제거하는 단계로 이루어진다.The first step may include forming an oxide layer on the entire surface of the substrate, exposing a substrate in a region where a mirror is to be formed by etching a predetermined region of the oxide layer, and applying a high concentration of p-type impurity ions to the exposed substrate. Implanting to form a high concentration of impurity regions; and removing the remaining oxide layer.

이와 같이 제작되는 본 발명의 미소 거울은 잔류 응력에 의한 초기 변형이 없고, 구동 각도가 크며, 구동 방향이 자유롭다.The micromirrors of the present invention thus produced have no initial deformation due to residual stress, have a large driving angle, and have a free driving direction.

또한, 본 발명은 한 축의 자유도 뿐만 아니라 두 축의 자유도를 갖도록 제작할 수 있으므로 구동 각도와 방향이 더욱 자유롭다.In addition, the present invention can be manufactured to have two degrees of freedom as well as freedom of one axis, the driving angle and direction is more free.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.

본 발명은 종래의 압전 구동형 미소 거울이 잔류 응력에 의하여 초기 변형이 있고, 한 쪽 방향으로만 구동이 가능하며, 원하는 구동 각도를 얻을 수 없는 문제점을 해결한 새로운 구조의 압전 구동형 미소 거울과 그 제조 방법을 제시한다.The present invention relates to a piezoelectric-driven micromirror with a new structure in which a conventional piezoelectric-driven micromirror has a initial deformation due to residual stress, can be driven in only one direction, and a problem in which a desired driving angle cannot be obtained. The manufacturing method is presented.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 사시도 및 평면도이고, 도 2c는 도 2b의 Ⅱ-Ⅱ선상에 따른 단면도이다.2A and 2B are a perspective view and a plan view showing a piezoelectric driven micromirror according to the present invention, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 2B.

본 발명에서는 종래의 발명이 힌지(hinge)가 없는 단순한 캔틸레버로 되어 있는 것과는 달리 4개의 압전 구동형 캔틸레버가 힌지를 통하여 미소 거울과 연결되어 있어, 힌지 사이의 거리를 조절함으로써 큰 구동 각도를 얻을 수 있는 장점이 있다.In the present invention, unlike the conventional invention is a simple cantilever without a hinge, four piezoelectric driven cantilevers are connected to a micromirror through the hinge, so that a large driving angle can be obtained by adjusting the distance between the hinges. There is an advantage.

즉, 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 실리콘 기판 위에는 절연체인 Si3N4가 형성되고, 미소 거울은 지지체에 의해 지지되어 캐비티 영역에 위치하고 있다.That is, Si 3 N 4 , which is an insulator, is formed on the silicon substrate having the cavity in the center region, and the micromirror is supported by the support and positioned in the cavity region.

그리고, Si3N4로부터 돌출되어 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고, 지지체의 양 측면에 힌지에 의해 각각 제 1, 제 2 캔틸레버가 연결되어 있으며, 각 캔틸레버 위에는 압전 액츄에이터가 형성되어 있다.And, protruding from the Si 3 N 4 It is arranged side by side with respect to both sides of the support, respectively, the first and second cantilever is connected to each side of the support by a hinge, piezoelectric actuators are formed on each cantilever have.

여기서, 지지체 및 캔틸레버는 절연체인 Si3N4로 이루어지고, 지지체의 하부 면에는 고농도의 보론(boron) 불순물이 도핑된 p형 실리콘층이 형성될 수도 있다.Here, the support and the cantilever are made of Si 3 N 4 , which is an insulator, and a p-type silicon layer doped with high concentrations of boron impurities may be formed on the lower surface of the support.

불순물이 도핑된 p형 실리콘층을 형성하는 이유에서는 후술하기로 한다.The reason for forming the p-type silicon layer doped with impurities will be described later.

그리고, 4개의 캔틸레버 중 각각 2개씩은 전기적으로 공통으로 연결되어 있고, 제 1 상부 전극은 제 1 압전 액츄에이터에 연결되어 있으며, 제 2 상부 전극은 제 2 압전 액츄에이터에 연결되어 있다.Each of the four cantilevers is electrically connected to each other in common, the first upper electrode is connected to the first piezoelectric actuator, and the second upper electrode is connected to the second piezoelectric actuator.

본 발명의 이하 설명에서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 캔틸레버와 압전 액츄에이터를 통칭하여 압전 캔틸레버라고 명명하기로 한다.In the following description of the present invention, the cantilever and the piezoelectric actuator are collectively referred to as piezoelectric cantilevers as shown in FIGS. 2A and 2B.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 미소 거울의 구동 원리를 보여주는 도면으로서, 하부 전극은 접지로 사용하고, 제 1, 제 2 상부 전극에는 서로 다른 전압을 인가하여 미소 거울의 각도를 변화시킨다.3A to 3C illustrate a driving principle of the micro-mirror according to the present invention. The lower electrode is used as the ground and different voltages are applied to the first and second upper electrodes to change the angle of the micro-mirror.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 미소 거울의 각도를 시계 방향과 반시계 방향으로 자유롭게 구동하기 위하여 제 1, 제 2 상부 전극에 일정한 옵셋 전압(예를 들면, 약 10V)을 인가하여 구동 초기에 미소 거울이 일정한 높이만큼 위로 움직이게 한다.First, as shown in FIG. 3A, in order to drive the angle of the micromirror freely in a clockwise and counterclockwise direction, a constant offset voltage (for example, about 10V) is applied to the first and second upper electrodes to initially drive the mirror. Make the smile mirror move up a certain height.

그리고, 도 3b에 도시된 바와 같이 미소 거울을 시계 방향으로 구동하기 위해서는 제 1 상부 전극에 10V보다 큰 전압(예를 들면, 약 15V)을 인가하고 제 2 상부 전극에는 10V보다 작은 전압(예를 들면, 약 5V)을 인가한다.In addition, as shown in FIG. 3B, in order to drive the micro mirror in a clockwise direction, a voltage greater than 10V (for example, about 15V) is applied to the first upper electrode, and a voltage less than 10V (for example, is applied to the second upper electrode). For example, about 5V) is applied.

제 1 상부 전극에 15V가 인가되면, 제 1 캔틸레버는 10V가 인가되었을 때보다 윗 방향으로 움직이게 되고, 제 2 상부 전극에 5V가 인가되면, 제 2 캔틸레버는 10V가 인가되었을 때보다 아랫 방향으로 움직이게 된다.When 15V is applied to the first upper electrode, the first cantilever moves upward than when 10V is applied, and when 5V is applied to the second upper electrode, the second cantilever moves downward than when 10V is applied. do.

이와 같은 방법으로 미소 거울을 시계 방향으로 움직일 수 있다.In this way, you can move the micromirror clockwise.

이와는 반대로 반 시계 방향으로 움직이게 하기 위해서는 도 3c에 도시된 바와 같이, 제 1 상부 전극에 10V보다 낮은 전압을 인가하고 제 2 상부 전극에 10V보다 높은 전압을 인가한다.On the contrary, in order to move in the counterclockwise direction, as shown in FIG. 3C, a voltage lower than 10 V is applied to the first upper electrode and a voltage higher than 10 V is applied to the second upper electrode.

본 발명에 따른 미소 거울의 특성은 종래의 압전 구동형 미소 거울이 캔틸레버 끝의 각도 변화에 의존하는 것과는 달리 캔틸레버 끝의 변위 특성과 힌지와의 거리에 의존한다.The characteristics of the micromirrors according to the present invention depend on the displacement characteristics of the cantilever tip and the distance from the hinge, unlike the conventional piezoelectric driven micromirrors depending on the change of the angle of the cantilever tip.

도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 캔틸레버 끝의 변위를 h1, 제 2 캔틸레버 끝의 변위를 h2라 하고, 제 1, 제 2 캔틸레버의 힌지 사이의 거리를 d라 하면, 본 발명의 미소 거울의 기울임 각도(tilting angle) θ는 다음과 같이 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 3B, when the displacement of the tip of the first cantilever is h1 and the displacement of the tip of the second cantilever is h2, and the distance between the hinges of the first and second cantilevers is d, the tilt of the micromirror of the present invention is tilted. The tilting angle θ can be expressed as follows.

θ= h2 - h1 / dθ = h2-h1 / d

따라서, 미소 거울의 기울임 각도는 캔틸레버의 변위 특성의 개선뿐만 아니라 힌지 사이의 거리를 줄임으로써 개선할 수 있다.Thus, the tilt angle of the micromirror can be improved by reducing the distance between the hinges as well as the displacement characteristics of the cantilever.

그러나, 힌지 사이의 거리 감소에 따른 기울임 각도의 증가는 힌지의 큰 응력을 유발하게 하며, 이로 인하여 힌지가 파괴될 수도 있다.However, an increase in the tilt angle due to the decrease in the distance between the hinges causes a large stress of the hinge, which may cause the hinge to break.

그러므로, 힌지 특성 개선을 위한 적절한 재료 및 구조가 요구된다.Therefore, a suitable material and structure for improving the hinge property is required.

도 4a 내지 도 4f는 도 2a의 I-I 선상에 따른 본 발명의 압전 구동형 미소 거울의 제조 공정을 보여주는 공정단면도이다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the piezoelectric-driven micromirrors of the present invention along the line I-I of FIG. 2A.

도 4a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 상/하부 면 위에 각각 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 약 2㎛ 두께의 저응력 질화물층(12)을 증착한다.As shown in FIG. 4A, a low stress nitride layer 12 having a thickness of about 2 μm is deposited on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 11 by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD).

여기서, 질화물층(12)은 Si3N4로 형성하는데, 저응력 질화물층(12)은 후공정에서 기판(11) 식각 후 구조물로 사용할 재료이다.Here, the nitride layer 12 is formed of Si 3 N 4 , the low stress nitride layer 12 is a material to be used as a structure after etching the substrate 11 in a later step.

이어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 압전 커패시터를 형성하기 위하여 질화물층(12) 위에 하부전극층(13), 압전체층(14), 상부전극층(15)을 순차적으로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 4B, the lower electrode layer 13, the piezoelectric layer 14, and the upper electrode layer 15 are sequentially formed on the nitride layer 12 to form a piezoelectric capacitor.

여기서, 하부전극층(13)은 스퍼터링 방법으로 증착되는데, Pt/Ti, Pt/Ta와 같은 금속전극, RuO2와 같은 산화물 전극, RuO2/Pt와 같은 복합전극 등을 사용한다.Here, the lower electrode layer 13 is deposited by a sputtering method, using a metal electrode, an oxide electrode, a composite electrode or the like, such as RuO 2 / RuO 2 and Pt, such as Pt / Ti, Pt / Ta.

Ti와 Ta는 질화물층(12)과 압전체층(14) 사이의 접착력을 좋게 하기 위하여 사용한다.Ti and Ta are used to improve the adhesion between the nitride layer 12 and the piezoelectric layer 14.

그리고, 압전체층(14)은 졸-겔(sol-gel)법으로 약 1㎛ 두께의 PZT 박막을 증착하여 형성하고, 상부전극층(15)은 스퍼터링법으로 Pt, RuO2등을 증착하여 형성한다.The piezoelectric layer 14 is formed by depositing a PZT thin film having a thickness of about 1 μm by a sol-gel method, and the upper electrode layer 15 is formed by depositing Pt, RuO 2, or the like by a sputtering method. .

그 다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이 첫 번째 마스크로 상부전극층(15)과 압전체층(14)을 순차적으로 식각하고, 도 4d에 도시된 바와 같이 두 번?? 마스크로 하부전극층(13)을 식각하여 압전 커패시터를 형성한다.Next, as shown in FIG. 4C, the upper electrode layer 15 and the piezoelectric layer 14 are sequentially etched with the first mask, and twice as shown in FIG. 4D. The lower electrode layer 13 is etched using a mask to form a piezoelectric capacitor.

이어, 도 4e에 도시된 바와 같이 미소 거울이 형성될 영역의 질화물층(12) 위에 리프트-오프(lift-off) 방법으로 Al, Au 등으로 미소 거울(16)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4E, the micromirror 16 is formed of Al, Au, or the like on the nitride layer 12 of the region where the micromirror is to be formed by a lift-off method.

마지막으로, 도 4f에 도시된 바와 같이 질화물층(12)을 식각하여 캔틸레버와 미소 거울 형태의 형태를 만든 후, 기판(11) 하부의 소정영역에 있는 질화물층(12) 및 기판(11)을 식각하여 구조물을 형성한다.Finally, as illustrated in FIG. 4F, the nitride layer 12 is etched to form a cantilever and a micro mirror, and then the nitride layer 12 and the substrate 11 in a predetermined region under the substrate 11 are removed. Etch to form a structure.

여기서, 실리콘 기판(11) 식각시에는 이방성 식각 용액인 KOH, EDP, TMAH 등을 사용한다.Here, in etching the silicon substrate 11, an anisotropic etching solution such as KOH, EDP, TMAH, or the like is used.

그러나, 압전 구동형 미소 거울의 경우, Al 박막의 잔류 응력에 의하여 휘어지게 되는 문제점이 있었다.However, in the case of the piezoelectric-driven micromirror, there is a problem in that it is bent by the residual stress of the Al thin film.

이러한, 미소 거울의 휨을 방지하기 위해서는 Al의 잔류 응력을 줄이던지 미소 거울 아래의 지지체를 두껍게 해야 한다.In order to prevent the bending of the micromirror, the residual stress of Al or the support under the micromirror should be thickened.

그러나, 질화 실리콘을 지지체로 사용하는 경우, 질화 실리콘을 두껍게 형성하면 PZT 압전 캔틸레버의 변위가 작아지는 문제점이 있다.However, in the case where silicon nitride is used as the support, when the silicon nitride is formed thick, the displacement of the PZT piezoelectric cantilever becomes small.

따라서, 본 발명에서는 미소 거울을 지지하는 지지체로 질화 실리콘 박막과두꺼운 p형 실리콘(보론으로 높게 도핑된 실리콘)의 2층 박막을 사용하고, 압전 캔틸레버 부위에는 질화 실리콘 박막만을 사용하여 큰 변위를 얻을 수 있도록 하였다.Therefore, in the present invention, a two-layer thin film of a silicon nitride thin film and thick p-type silicon (silicon doped with boron) is used as a support for supporting the micromirror, and a large displacement is obtained by using only a silicon nitride thin film in the piezoelectric cantilever region. To make it possible.

도 7은 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 광학 현미경 사진이다.7 is an optical micrograph showing a piezoelectric-driven micromirror according to the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이 PZT 액튜에이터, 힌지, 미소 거울 부분이 모두 잘 형성되어 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, it can be seen that the PZT actuator, the hinge, and the micro mirror part are all well formed.

도 8a는 힌지 사이의 거리 d의 변화에 따른 미소 거울의 기울임 각도(tilting angle)를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 힌지 길이에 따른 기울임 각도의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 8A is a graph showing a tilting angle of the micromirror according to the change of the distance d between the hinges, and FIG. 8B is a graph showing a change of the tilting angle according to the hinge length.

이때, Si3N4의 두께는 약 2㎛이고, PZT 박막의 두께는 약 1㎛이며, 힌지의 폭은 약 4㎛이고, PZT 캔틸레버는 약 170㎛이며, 거울의 길이는 약 300㎛이다.At this time, the thickness of Si 3 N 4 is about 2 μm, the thickness of the PZT thin film is about 1 μm, the width of the hinge is about 4 μm, the PZT cantilever is about 170 μm, and the length of the mirror is about 300 μm.

기울임 각도 측정시, PZT 박막에 인가된 전압은 약 50V였다.In the tilt angle measurement, the voltage applied to the PZT thin film was about 50V.

도 8a에 도시된 바와 같이 힌지 사이의 거리가 감소함에 따라 구동 각도가 증가하다가 감소하는 경향을 나타내었다.As shown in FIG. 8A, the driving angle increases and decreases as the distance between the hinges decreases.

힌지 사이의 거리가 감소하면 기울임 각도가 선형적으로 증가하여야 하나 힌지 사이의 거리가 가까워지면 힌지에 부과되는 응력도 증가하게 되어 기울임 각도가 서서히 증가하게 되며 힌지 길이가 약 100㎛가 되면 기울임 각도가 오히려 감소하게 된다.As the distance between the hinges decreases, the tilt angle must increase linearly, but as the distance between the hinges increases, the stress applied to the hinges increases, so that the tilt angle gradually increases.When the hinge length reaches about 100㎛, the tilt angle is rather Will decrease.

그리고, 도 8b에 도시된 바와 같이 힌지의 길이가 증가함에 따라 구동 각도가 증가하였으며, 힌지의 길이가 약 50㎛ 이상이 되면 구동 각도가 거의 증가하지 않았다.As shown in FIG. 8B, as the length of the hinge increases, the driving angle increases, and when the length of the hinge is about 50 μm or more, the driving angle hardly increases.

힌지의 길이에 따라 구동 각도가 증가하는 것은 힌지의 길이가 증가함에 따라 힌지에 부과된 응력이 감소하기 때문이다.The driving angle increases with the length of the hinge because the stress applied to the hinge decreases as the length of the hinge increases.

본 발명에서 개발된 압전 구동형 미소 거울은 최고 6.4°의 높은 구동 각도를 얻을 수 있었으며, 힌지의 구조와 PZT 커패시터를 최적화하면 더욱 높은 구동 각도를 얻을 수 있을 것이다.The piezoelectric driven micro-mirror developed in the present invention was able to obtain a high driving angle of up to 6.4 °, and a higher driving angle may be obtained by optimizing the hinge structure and the PZT capacitor.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 미소 거울을 지지하는 2층 구조의 지지체를 제조하는 공정 단면도로서, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(11) 전면에 산화물층(17)을 형성하고, 산화물층(17)의 소정영역을 식각하여 미러가 형성될 영역의 기판(11)을 노출시킨다.5A to 5C are cross-sectional views of a process of manufacturing a support having a two-layer structure for supporting a micromirror according to the present invention. As shown in FIG. 5A, an oxide layer 17 is formed on an entire surface of a substrate 11 and an oxide is formed. The predetermined region of the layer 17 is etched to expose the substrate 11 in the region where the mirror is to be formed.

그리고, 도 5b에 도시된 바와 같이 노출된 기판(11)에 고농도의 p형 불순물인 보론 이온을 도핑하여 약 10㎛의 접합 깊이(junction depth)를 갖는 고농도의 불순물 영역(18)을 형성하고, 남아있는 산화물층(17)을 제거하여 제작한다.5B, a high concentration of impurity regions 18 having a junction depth of about 10 μm is formed by doping boron ions, which are high concentrations of p-type impurities, to the exposed substrate 11. The remaining oxide layer 17 is removed and manufactured.

그 이후의 공정은 도 4a 내지 도 4f의 공정 순서대로 제작하면, 도 5c에 도시된 바와 같이 미소 거울이 제작된다.Subsequent processes are manufactured according to the process sequence of FIGS. 4A to 4F, and a micromirror is manufactured as shown in FIG.

단, 마지막으로 실리콘 기판(11)을 식각하여 구조물을 형성할 때, KOH는 불순물 영역(18)과의 식각 선택성이 우수하지 못하므로 EDP나 TMAH를 사용한다.However, finally, when the silicon substrate 11 is etched to form the structure, KOH is not excellent in etching selectivity with the impurity region 18, so EDP or TMAH is used.

이와 같이 제작된 미소 거울은 한 축의 자유도만을 가진 것이다.The micro mirror made in this way has only one degree of freedom.

그러나, 미소 거울을 옵티컬 크로스-커넥터(optical cross-connector) 등에 사용하기 위해서는 두 축의 자유도를 가져야 한다.However, in order to use a micro mirror in an optical cross-connector or the like, it must have two degrees of freedom.

그러므로, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 2축 자유도를 갖는 미소 거울을 제작할 수 있다.Therefore, the present invention can produce a micro mirror having biaxial degrees of freedom as shown in FIG.

즉, 중심영역에 제 1 캐비티(cavity)를 갖는 실리콘 기판 위에는 절연체인 Si3N4가 형성되고, 제 1 캐비티 영역에는 제 1 지지체가 형성되는데, 제 1 지지체의 중심영역에는 제 2 캐비티가 형성되어 있다.That is, Si 3 N 4 , which is an insulator, is formed on a silicon substrate having a first cavity in the center region, and a first support is formed in the first cavity region, and a second cavity is formed in the center region of the first support. It is.

그리고, 미소 거울은 제 2 지지체에 의해 지지되어 제 2 캐비티 영역에 위치하고 있다.And the micromirror is supported by the 2nd support body, and is located in a 2nd cavity area | region.

또한, 제 1 지지체로부터 돌출되어 제 2 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고, 제 2 지지체의 양 측면에 힌지에 의해 각각 제 1, 제 2 캔틸레버가 연결되어 있으며, 각 캔틸레버 위에는 압전 액츄에이터가 형성되어 있다.Further, two protruding from the first support and arranged side by side with respect to both sides of the second support, respectively, the first and second cantilever are connected to each side of the second support by a hinge, the piezoelectric actuator on each cantilever Is formed.

그리고, 절연체로부터 돌출되어 제 1 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고, 제 1 지지체의 양 측면에 각각 제 3, 제 4 캔틸레버가 연결되어 있으며, 각 캔틸레버 위에는 압전 액츄에이터가 형성되어 있다.Then, two protruding from the insulator are arranged side by side with respect to both sides of the first support, the third and fourth cantilever is connected to both sides of the first support, respectively, and a piezoelectric actuator is formed on each cantilever.

여기서, 제 1, 제 2 압전 캔틸레버는 외부의 인가 전압에 따라 미소 거울을 X축 상에서 상, 하로 움직이게 되고, 제 3, 제 4 압전 캔틸레버는 미소 거울을 Y축 상에서 상, 하로 움직이게 된다.Here, the first and second piezoelectric cantilevers move the micromirrors up and down on the X axis according to an externally applied voltage, and the third and fourth piezoelectric cantilevers move the micromirrors up and down on the Y axis.

이 때에는 미소 거울만이 움직이는 것이 아니라 압전 캔틸레버가 힌지로 연결되어 있는 구조물 전체가 움직이게 된다.At this time, not only the mirror is moved but the entire structure in which the piezoelectric cantilever is hinged.

이와 같은 구조로 서로 독립적으로 두 축의 자유도를 갖는 압전 구동형 미소 거울을 제작할 수 있다.With this structure, a piezoelectric-driven micromirror having two axes of freedom independently of each other can be manufactured.

이 경우에도 압전 캔틸레버에만 질화 실리콘 구조물을 형성하고, 제 1, 제 2 지지체의 하부 면에는 고농도의 불순물이 도핑된 p형 실리콘층을 형성함으로써, 두꺼운 p형 실리콘층과 질화 실리콘층으로 된 2층 구조물을 사용하여 미소 거울 및 구조물의 휨을 방지할 수 있다.In this case, a silicon nitride structure is formed only on the piezoelectric cantilever, and a p-type silicon layer doped with a high concentration of impurities is formed on the lower surfaces of the first and second supports, thereby forming two layers of thick p-type silicon layers and silicon nitride layers. The structure can be used to prevent warpage of the micromirror and the structure.

이와 같이, 제작되는 본 발명은 잔류 응력에 의한 초기 변형이 없고, 구동 각도가 크며, 구동 방향이 자유롭다.As described above, the present invention produced has no initial deformation due to residual stress, a large driving angle, and a free driving direction.

또한, 본 발명은 한 축의 자유도 뿐만 아니라 두 축의 자유도를 갖도록 제작할 수 있으므로 구동 각도와 방향이 더욱 자유롭다.In addition, the present invention can be manufactured to have two degrees of freedom as well as freedom of one axis, the driving angle and direction is more free.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 중심영역에 제 1 캐비티(cavity)를 갖는 기판;A substrate having a first cavity in a central region; 상기 기판 위에 형성되는 절연체;An insulator formed on the substrate; 상기 제 1 캐비티 영역에 위치하고, 중심영역에 제 2 캐비티를 갖는 제 1 지지체;A first support positioned in the first cavity region and having a second cavity in a central region; 상기 제 2 캐비티 영역에 위치하는 거울;A mirror positioned in the second cavity area; 상기 거울 하부면에 형성되어 상기 거울을 지지하는 제 2 지지체;A second support formed on the bottom surface of the mirror to support the mirror; 상기 절연체로부터 돌출되어 상기 제 1 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고, 상기 제 1 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 제 1 캔틸레버;A first cantilever protruding from the insulator, each of which is arranged side by side with respect to both sides of the first support, and connected to both sides of the first support; 상기 제 1 지지체로부터 돌출되어 상기 제 2 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되고, 상기 제 2 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 제 2 캔틸레버;A second cantilever protruding from the first support and arranged in parallel with each other with respect to both sides of the second support, and connected to both sides of the second support; 상기 제 1 캔틸레버 위에 형성되고, 외부의 인가 전압에 따라 상기 제 1 지지체를 구동시키는 제 1 압전 액츄에이터;A first piezoelectric actuator formed on the first cantilever and configured to drive the first support according to an externally applied voltage; 상기 제 2 캔틸레버 위에 형성되고, 외부의 인가 전압에 따라 상기 제 2 지지체를 구동시키는 제 2 압전 액츄에이터; 그리고,A second piezoelectric actuator formed on the second cantilever and driving the second support according to an externally applied voltage; And, 상기 제 1 캔틸레버와 제 1 지지체를, 상기 제 2 캔틸레버와 제 2 지지체를 각각 연결하는 힌지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 미소 거울.And a hinge for connecting the first cantilever and the first support to the second cantilever and the second support, respectively. 제 4 항에 있어서, 상기 힌지, 절연체, 제 1, 제 2 지지체 및 제 1, 제 2 캔틸레버는 Si3N4로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 미소 거울.The piezoelectric-driven micromirror according to claim 4, wherein the hinge, the insulator, the first and second supports, and the first and second cantilevers are formed of Si3N4. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 지지체의 하부 면에는 고농도의 불순물이 도핑된 p형 실리콘층이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 미소 거울.The piezoelectric-driven micromirror according to claim 4, wherein a p-type silicon layer doped with a high concentration of impurities is formed on the lower surfaces of the first and second supports. 지지체에 의해 지지되는 거울과, 상기 지지체의 양 측면에 대해 나란히 각각 2개씩 배열되어 제 2 지지체의 양 측면에 각각 연결되는 캔틸레버와, 외부의 인가 전압에 따라 상기 지지체를 구동시키는 압전 액츄에이터를 갖는 미소 거울 제조방법에 있어서,A micro support having a mirror supported by a support, two cantilevers each arranged side by side with respect to both sides of the support and connected to both sides of the second support, and a piezoelectric actuator for driving the support according to an external applied voltage. In the mirror manufacturing method, 기판 전면에 산화물층을 형성하는 제 1 단계;Forming a oxide layer on the entire surface of the substrate; 상기 산화물층의 소정영역을 식각하여 상기 거울이 형성될 영역의 기판을 노출시키는 제 2 단계;Etching a predetermined region of the oxide layer to expose a substrate in a region where the mirror is to be formed; 상기 노출된 기판에 고농도의 p형 불순물 이온을 주입하여 고농도의 불순물 영역을 형성한 후 상기 남아있는 산화물층을 제거하는 제 3 단계;Injecting a high concentration of p-type impurity ions into the exposed substrate to form a high concentration of impurity regions and then removing the remaining oxide layer; 상기 산화물층이 제거된 기판의 상/하부 면 위에 각각 질화물층을 형성하는 제 4 단계;A fourth step of forming a nitride layer on the upper and lower surfaces of the substrate from which the oxide layer is removed; 상기 기판의 상부 면 위에 형성된 질화물층 위에 하부전극층, 압전체층, 상부전극층을 순차적으로 형성하는 제 5 단계;A fifth step of sequentially forming a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer on the nitride layer formed on the upper surface of the substrate; 상기 상부전극층 및 압전체층의 소정영역을 1차 식각하고, 상기 하부전극층의 소정영역을 2차 식각하는 제 6 단계;A sixth step of first etching a predetermined region of the upper electrode layer and a piezoelectric layer and second etching of a predetermined region of the lower electrode layer; 상기 거울이 형성될 영역의 질화물층 위에 거울을 형성하는 제 7 단계; 그리고,A seventh step of forming a mirror on the nitride layer of the region where the mirror is to be formed; And, 상기 기판 하부의 소정영역에 있는 질화물층 및 기판을 식각하여 멤브레인을 형성하고, 상기 기판 상부의 소정영역에 있는 질화물층을 식각하여 상기 캔틸레버를 형성하는 제 8 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 미소 거울 제조방법.And forming an membrane by etching the nitride layer and the substrate in the predetermined region below the substrate, and forming the cantilever by etching the nitride layer in the predetermined region above the substrate. Driven micro mirror manufacturing method. 삭제delete 제 7 항에 있어서, 상기 p형 불순물 이온은 보론인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 미소 거울 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the p-type impurity ion is boron.
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