KR100413522B1 - 매몰된 인덕터 자기 유도형 광스위치 제작방법 - Google Patents

매몰된 인덕터 자기 유도형 광스위치 제작방법 Download PDF

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Abstract

매몰된 인덕터 자기 유도형 광스위치 제작방법을 개시한다. 본 발명은 미소 부분품 조립방법이 아닌 웨이퍼 일괄 제작방법의 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 활용하여, 기판에 매몰된 인덕터의 자기력에 의하여 자성을 띤 거울이 기판에 수직으로 정렬됨으로써 광경로를 변경시키는 광스위치를 제작한다. 본 발명에 의하면 다수의 기판 및 광부분품을 조립할 필요가 없어 제작방법과 기판의 가공성 및 조립성이 단순해진다.

Description

매몰된 인덕터 자기 유도형 광스위치 제작방법{Fabrication method of the magnetic drive type optical switch using a buried inductor}
본 발명은 광통신 시스템에서 광신호 접속/개폐의 기능을 담당하는 광스위치 제작방법에 관한 것으로, 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 광스위치 제작방법에 관한 것이다.
광스위치는 광섬유(optical fiber)를 통한 레이저 신호광을 다른 회선의 광섬유에 접속시키는 기능을 갖는다. 이러한 광스위치는 인터넷 등 대용량 정보 교환을 위한 광통신 시스템에 응용되어 광신호 중계기 등에 사용된다. 특히 최근에는 반도체 공정기술을 근간으로 하는 MEMS 기술을 이용하는 마이크로 광스위치 및 그 제작방법이 활발하게 연구되고 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 광스위치에 사용되는 레이아웃 구조이다. 광스위치는 보통 입력(M개)과 출력(N개)의 개수로 정의되는데, 도 1에는 입력과 출력이 각각 2개인 2×2 매트릭스 구조의 광스위치를 나타내었다.
도 1을 참조하면, 각각의 액츄에이터(11 내지 14)의 끝에는 입사되는 빛에 대해 45°의 각도로 기울어진 거울(15a 내지 15d)들이 있어, 빛이 입사할 경우 이를 반사시키는 기능을 갖고 있다. 예를 들어, 액츄에이터 a(11)와 액츄에이터 d(14)의 on 방향 작동에 의하여 거울 a(15a)와 거울 d(15d)가 앞으로 튀어나오면, 광섬유 A(81)와 광섬유 B(82)에서 나온 빛의 경로가 도 1 에서와 같이 변환되어, 광섬유 C(83)와 광섬유 D(84)로 각각 입사된다. 광섬유의 입력단에는 마이크로 렌즈용 홈(16)이 있어, 평행광화(collimation)를 위한 입력용 마이크로 렌즈(18)를 장착할 수 있으며, 마찬가지로 광섬유의 출력단에도 마이크로 렌즈용 홈(17)이 있어 집속화를 위한 출력용 마이크로 렌즈(19)를 장착할 수 있다. 빛들은 트렌치(20)를 따라 진행하며 발산에 의한 손실이 적도록 광도파로를 사용하는 것이 필요하다.
이처럼, M×N 구조의 마이크로 광스위치는 다수의 거울, 거울 구동을 위한 액츄에이터 및 광유도부품의 조합으로 구성되고, 3차원적 공간구조를 사용함으로써 다수의 기판 및 부품을 사용하는 것이 대부분이다. 현재까지 알려진 거울 구동방식은 정전기력, 자기력, 재료의 열팽창 등인데, 광스위치 설계구조에 따라 작동되는 효과가 매우 다르다.
미국 특허 제 6,229,640 B1호에는 SOI(Silicon On Insulator)형 기판의 실리콘 에피층과 매몰산화막을 가공하여 2×2 광스위치를 제작하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 70∼100㎛ 두께의 실리콘 에피층을 식각하여 트렌치(즉, 광섬유 삽입 선로), 거울 구동축, 스프링 및 구조적으로 부양된 빗살(comb) 전극타입의 액츄에이터를 구성하고, 두 전극 사이에 발생하는 정전력으로써 전극에 연결된 거울 구동축을 구동시킨다. 이에 따라 거울은 수직으로 식각된 구동축의 선단 측벽을 이용하며 광섬유 교차공간에 왕복운동을 함으로써 광경로의 차단과 접속기능을 한다.
이 방법에 따르면, 정전력을 구동원으로 하므로 적은 수의 거울 구동은 가능하나, M×N 매트릭스 광스위치와 같이 거울 수가 많아질 경우 광경로가 상대적으로 길어지기 때문에 높은 반사율을 갖는 수직 거울을 제작하는 것과 배선 등을 하나의 기판 상에 구현하는 것이 매우 어렵다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 DMD(Digital Micromirror Devices)와 광학부품을 공간적으로 결합한 3차원 형태의 M×N 매트릭스 광스위치 제작이 시도되고 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,094,293호에는 거울면이 접합된 실린더 형태의 영구자석과 거울의 배면에 자기장이 수직발생하도록 배치된 유도코일에 의해 자기장 방향을 바꿀 수 있게 제어함으로써 영구자석을 회전토록 하는 광스위치가 개시되어 있다. 이러한 광스위치는 M×N 매트릭스 광스위치로 구현될 수는 있으나, 개별적인 영구자석, 축, 거울 등 광부분품 조립과정을 통하여 제작해야 하기 때문에 제작방법과 광부분품 조립이 단순하지 않다. 그리고, 거울의 기계적인 자석운동 구조에 의하여 광접속 또는 단락시에 항상 코일에 전류가 인가되어야 하는 구조를 갖는다.
호스펠트(Jens Hossfeld) 등의 발표 논문 "Polymetric optical MEMS"(Proceeding of SPIE DTMM, 2권, vol. 3680, pp. 637-645에 게재)에는, 이러한 거울형 구조를 극복하기 위하여, 매질의 굴절률 차이에 따른 광 전반사 원리를 이용한 광스위치가 개시되어 있다. 이 광스위치는 굴절률 정합형 광스위치로서, 광 투과 매질 내에 빈 공간 구조를 가지며 빈 공간 내 입출이 가능한 굴절률 정합 재료와 이를 이송할 수 있는 상·하판 자기력 구동장치, 또는 유체 이송펌프 등으로 구성된다. 이러한 광스위치는 미소 공간 내에 개별 매질의 입출이 가능하도록 함으로써 M×N 매트릭스 광스위치로 구현될 수 있으나, 반도체 기판 가공방법이 아닌 기계식 조립형 제작구조이기 때문에 기판의 가공성 및 조립성이 매우 복잡하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 다수의 기판 및 광부분품을 조립할 필요가 없이 기판의 가공성 및 조립성이 단순한 마이크로 광스위치 제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 광스위치에 사용되는 레이아웃 구조이다.
도 2는 본 발명에 따라 개별 인덕터가 SOI형 기판 뒷면에 매몰된 자기 유도형 매트릭스 광스위치의 평면적 개념도이다.
도 3은 도 2의 개별 광스위치를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 나타낸 광스위치의 동작 개념도들이다.
도 5, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9, 도 10a, 도 11a, 도 12a 및 도 13a는 본 발명의 실시예에 따른 자기 유도형 광스위치 제작방법을 설명하기 위한 각 단계의 의 기판공정 단면도들이다.
도 6b, 도 7b, 도 8b 및 도 10b는 각각 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 10a가 나타내는 단계의 이해를 돕기 위하여 참고적으로 제시한 기판 뒷면의 평면도들이다.
도 11b, 도 12b 및 도 13b는 각각 도 11a, 도 12a 및 도 13a가 나타내는 단계의 이해를 돕기 위하여 참고적으로 제시한 기판 윗면의 평면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판, 101 : 실리콘 베이스층, 102 : 매몰산화막,
103 : 반도체층, 104 : 마스크 패턴, 110 : 토션 바,
200 : 거울 포켓, 210 : (인덕터 매몰용)홈,211, 213, 215 : 절연막,
212 : 1차 메탈라인, 214 : 자심체, 216 : 2차 메탈라인,
250 : 인덕터, 300 : 거울, 310 : 광반사층,
320 : 자성층, 400 : 마이크로 볼 렌즈, 500 : 광섬유
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 미소 부분품 조립방법이 아닌 웨이퍼 일괄 제작방법의 MEMS형 광스위치 제작방법을 제공한다. 본 발명에 따른 광스위치의 구동원리는 인덕터와 거울 사이에 작용하는 자기력을 이용한다. 본 발명에 따르면, 인덕터는 기판의 뒷면에 식각한 트렌치에 매몰되도록 제조된다. 거울은 기판의 윗면에 기판과 평행한 구조로 제조된다. 각각의 거울은 전류 인가시 인덕터에서 발생되는 자기력에 의하여 기판에 수직방향으로 구동/제어된다. 즉, 본 발명에 따르면, 기판 양면가공을 통하여 하나의 기판 상에 인덕터와 거울을 일괄 제작하여 자기력을 이용한 수직방향 구동 구조의 M×N 매트릭스 광스위치를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 광스위치 제작방법의 일 태양에 따르면, 기판의 뒷면을 식각함으로써 상기 기판 내에 거울 포켓(mirror pocket)과 인덕터가 매몰될 홈을 형성한다. 이어서, 상기 홈에 상기 기판에 평행되게 코일이 감겨진 인덕터를 매몰한 다음, 상기 기판의 앞면을 가공하여 상기 거울 포켓에 정렬되는 거울과 상기 거울을 지지하는 토션 바(torsion bar)를 일체로 형성하면서 상기 거울 포켓을 완전히 개방한다.
이 때, 상기 홈에 인덕터를 매몰하는 단계는 상기 기판의 가공과는 별도로 제작된 마이크로 인덕터를 상기 홈에 삽입하여 수행할 수도 있고, 상기 홈에 매몰되는 인덕터를 상기 기판에 대해 직접 제조함으로써 수행할 수도 있다.
본 발명에 따른 광스위치 제작방법의 다른 태양에 따르면, 실리콘 베이스층, 매몰산화막 및 반도체층이 순차 적층된 SOI형 기판을 준비하여, 상기 실리콘 베이스층을 식각함으로써 상기 매몰산화막을 노출시키는 거울 포켓과 상기 매몰산화막을 노출시키지 않는 인덕터 매몰용 홈을 형성한다. 상기 홈의 내벽과 바닥에 절연막을 1차 코팅한 다음, 다수의 1차 메탈라인을 상기 홈 내부와 상기 홈 외부 턱에 형성한다. 상기 1차 메탈라인이 형성된 결과물 상에 절연막을 2차 코팅한 다음, 자성 금속을 증착하여 상기 홈 내부에 매립되는 자심체를 형성한다. 상기 자심체가 형성된 결과물 상에 절연막을 3차 코팅한 다음, 상기 자심체를 둘러싸는 코일이 완성되도록 상기 1차 메탈라인과 연결되는 다수의 2차 메탈라인을 형성함으로써, 상기 실리콘 베이스층에 수평적으로 매몰된 인덕터를 제조한다. 계속하여 상기 인덕터의 자기력에 의하여 구동되는 거울이 형성되도록, 상기 반도체층 상에 자성층 및 광반사층을 증착한 후 상기 거울의 중심 이하 하반부가 상기 자기력에 의해 당겨질 경우 상기 거울 포켓에 수직적으로 삽입되도록 거울 패턴을 평면적으로 정의하는 단계를 포함하여, 상기 거울과 상호 연결된 토션 바가 형성되도록 상기 반도체층을식각한다. 상기 거울 포켓이 완전히 개방되고 상기 거울이 토션 바에 의하여 상기 기판 표면으로부터 플로팅(floating)된 구조를 갖도록 상기 거울과 토션 바 하부의 상기 매몰산화막을 식각한다.
상기 토션 바는 재료 및 구동의 안정성과 집적회로화에 우수한 실리콘 단결정 또는 다결정 실리콘 중의 어느 하나인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 반도체층은 실리콘 에피층 또는 폴리실리콘층인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광스위치 제작방법들에 있어서, 상기 거울 포켓과 홈은 트렌치 식각 방법에 의하여 각각 식각될 수 있다. 여기서, 상기 거울 포켓은 수직 식각 단면구조를 갖도록 형성하고, 상기 홈의 내벽은 경사지게 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 거울 포켓은 반응성 이온식각(RIE)방법으로 형성하고, 상기 홈은 습식식각용액을 이용한 등방성 식각방법에 의하여 형성할 수 있다. 상기 거울의 패턴은 평면적 모양이 원형 또는 다각형의 모양으로 구성되며 상기 거울 포켓의 평면적 모양도 사각형 패턴 외 임의의 모양으로 형성할 수 있다. 상기의 거울과 연결되는 토션 바의 기계적 탄성 조절을 위하여 상기 토션 바의 형태를 직선구조 또는 맨더(meander)구조로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기판에 수평적으로 매몰된 인덕터 자기 유도형의 개별 광스위치가 어레이 형태로 배열된 M×N 매트릭스 구조의 광스위치를 제조하기 위하여, 상기 제작방법에 따라 상기 기판에 다수의 광스위치를 집적한 다음, 상기 광스위치가 집적된 동일 기판 상에 마이크로 렌즈 및 광섬유 집적을 위한 부대공정으로서 광스위치 영역 바깥 부분에 홈을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
도 2는 본 발명에 따라 제조되는, 개별 인덕터가 기판(100) 뒷면에 매몰된 자기 유도형 매트릭스 광스위치의 평면적 개념도이다. 광섬유(500) 어레이는 광스위치 기능을 담당하는 기판(100)에 바로 선 거울(300)에 대하여 각각 45°각도로 배열되며, 개별 광섬유(500)에서 방출된 레이저 신호광(600)이 마이크로 볼 렌즈(400)와 거울(300)에 의하여 선택적으로 임의의 다른 광섬유에 집속되는 것을 도시한다. 토션 바(110)에 매달려 있는 거울(300)은 하부에 매몰된 인덕터에 전류를 인가할 때 발생한 자기장에 의하여 기판(100)에 수직으로 식각된 거울 포켓(200)의 자장 방출 면에 붙게 되어 기판(100)에 수직으로 서게 된다. 이에 따라, 광경로를 변경하여 방출 신호광을 다른 광섬유에 선택적으로 접속시킬 수 있다. 인덕터에 인가된 전류를 단락하면 자기장이 소멸되므로, 거울(300)은 토션 바(110)의 탄성에 의하여 기판(100)에 평행하게 복원된다.
도 3은 도 2의 개별 광스위치를 확대하여 나타낸 도면이다. 기판(100)의 구조는 실리콘 베이스층(101), 매몰산화막(102) 및 반도체층(103)을 포함하는 SOI형인 것이 바람직하다. 거울 포켓(200)은 기판(100) 뒷면, SOI형 기판인 경우 실리콘 베이스층(101)을 식각하여 마련된다. 참조부호 210은 기판에 3차원적으로 형성되어질 인덕터 매몰용 홈을 가리킨다. 이 홈도 기판(100) 뒷면, SOI형 기판인 경우 실리콘 베이스층(101)을 식각하여 마련된다.
거울(300)은 매몰산화막 개방영역(220)을 정의하여 반도체층(103)과 매몰산화막(102)을 식각함으로써 기판(100)에 대해 플로팅되며 기판(100)에 평행한 평면 구조를 갖게 된다. 그리고, 거울(300)은 반도체층(103)이 패터닝된 하부층(103a), 자성층(320a) 및 광반사층(310a)으로 구성됨을 도시한다. 거울(300)의 하부층(103a)과 토션 바(110)는 반도체층(103)으로부터 출발되어 제조된 것으로서 상호 연결된 구조를 가진다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 나타낸 광스위치의 동작 개념도들로서 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 단면에 해당된다. 도 4a를 참조하면, 기판(100) 뒷면, 즉 실리콘 베이스층(101) 내에 매몰된 인덕터(250)에 전류를 인가하지 않을 때, 매몰산화막(102) 제거에 의하여 기판(100)에 대해 플로팅된 거울(300)은 토션 바(110)에 의하여 기판(100) 표면에 수평적으로 유지된다.
도 4b를 참조하면, 인덕터(250)에 전류를 인가할 경우 발생되는 자력선 B에 의하여 자성층을 구비한 거울(300)이 수직으로 식각된 거울 포켓(200)의 자력선 발생면에 당겨져 붙게 됨으로써 기판(100)에 대해 수직으로 서게 된다. 이후 인덕터(250)에 인가된 전류를 단락하면 토션 바(110)의 탄성에 의하여 도 4a와 같이 거울(300)이 기판(100) 표면에 수평되게 복원된다.
도 5, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9, 도 10a, 도 11a, 도 12a 및 도 13a는 본 발명의 실시예에 따른 자기 유도형 광스위치 제작방법을 설명하기 위한 각 단계의 의 기판공정 단면도들이다. 도 6b, 도 7b, 도 8b 및 도 10b는 각각 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 10a가 나타내는 단계의 이해를 돕기 위하여 참고적으로 제시한 기판 뒷면의 평면도들이다. 또한 도 11b, 도 12b 및 도 13b는 각각 도 11a, 도 12a 및 도 13a가 나타내는 단계의 이해를 돕기 위하여 참고적으로 제시한 기판 윗면의 평면도들이다.
도 5를 참조하면, SOI형 기판(100)으로서 실리콘 베이스층(101)과 매몰산화막(102) 및 반도체층(103)으로 구성된 기판을 준비한다. 이어서, 기판(100) 뒷면 실리콘 식각을 위하여 실리콘 마스킹 박막 패턴으로서 마스크 패턴(104)을 형성한다. 예를 들어, 기판(100) 뒷면 즉, 실리콘 베이스층(101) 상에 CVD(chemical vapor deposition)방법으로 산화막을 증착한 다음, 이를 패터닝하여 거울 포켓 영역과 인덕터 영역을 정의한다.
도 6a를 참조하면, 마스크 패턴(104)을 식각마스크로 하는 포토리소그라피 공정에 의하여, 기판(100) 뒷면, 즉 실리콘 베이스층(101)을 일정 두께만큼 식각함으로써 거울 포켓(단면상 보이지 않음)과 인덕터 홈(210)을 각각 형성한다. 도 6b는 이 상태에서 기판(100) 뒷면의 평면도이다. 참조부호 200은 거울 포켓을 가리킨다. 거울 포켓(200)의 평면적 모양은 도면과 같은 사각형 패턴 외 임의의 모양으로 형성할 수 있다. 인덕터 홈(210)은 차후 패턴형성을 용이하게 하기 위하여 KOH 등의 습식식각용액을 이용한 등방성 식각방법에 의하여 실리콘 베이스층(101)을 식각하여 형성하는데, 실리콘 베이스층(101)으로서 (100)면 실리콘을 이용한 경우에는 도 6a와 같은 단면 형상을 갖는다. 그리고, 도 6a의 단면상 거울 포켓은 도시되지 않으나, 거울 포켓은 반응성 이온식각방법으로 식각하여 수직적 식각 단면구조를 갖도록 한다. 이어서, 인덕터 홈(210)의 내벽과 바닥에 제 1 절연막(211)을 코팅한다. 예를 들어, 거울 포켓(200)과 인덕터 홈(210)이 형성된 기판(100) 상에 산화막을 증착한다.
도 7a를 참조하면, 제 1 절연막(211)이 코팅된 인덕터 홈(210) 내에 Al, Cu 등의 도전성 금속을 증착한 후 포토리소그라피 공정을 수행하여 이 도전성 금속을 다수의 라인형태로 패터닝한다. 도 7b는 이 상태에서 기판(100) 뒷면의 평면도이다. 도전성 금속을 패터닝함에 따라 인덕터 홈(210) 내부와 인덕터 홈(210) 외부 턱에 다수의 1차 메탈라인(212)이 형성된다. 이것은 인덕터에서 자심체를 둘러싸는 코일의 하반부에 해당된다.
도 8a를 참조하면, 1차 메탈라인(212)이 형성된 다음, 제 2 절연막(213)을 코팅한 것을 나타낸다. 제 2 절연막(213)으로서 산화막을 증착할 수 있다. 제 2 절연막(213) 상에 자성 금속을 증착한 다음, 포토리소그라피 공정에 의해 인덕터 코어 부분을 정의하여, 상기 인덕터 홈(210) 내부에 매립되는 자심체(214)를 형성한다. 자성 금속으로는 Ni, Fe 또는 Cr을 선택할 수 있다. 도 8b는 이 상태에서 기판(100) 뒷면의 평면도이다.
도 9를 참조하면, 자심체(214)가 형성된 결과물 상에 제 3 절연막(215)을 코팅한 다음, 인덕터 홈(210) 외부 턱에 놓여진 1차 메탈라인(212) 부분이 노출되도록 제 3 절연막(215)을 포토리소그라피 공정에 의해 식각한다. 이에 따라, 자심체(214)는 제 2 절연막(213)과 제 3 절연막(215)으로 둘러싸인 구조가 된다. 제 2 절연막(213)과 제 3 절연막(215)은 동일한 산화막으로 형성될 수도 있을 뿐더러, 성질상 절연기능이 동일하므로 도면에는 구분하여 도시하지 않았다.
도 10a를 참조하면, 다수의 2차 메탈라인(216)을 형성하여 1차 메탈라인(212)과 연결시킨다. 이를 위하여, 제 3 절연막(215)이 형성된 결과물 상에 도전성 금속을 증착한 후 포토리소그라피 공정을 수행하여 이 도전성 금속을 다수의 사선형태로 패터닝한다. 이에 따라, 상호 연결된 1차 메탈라인(212)과 2차 메탈라인(216)은 자심체(214)를 감싼 코일 구조가 되어, 자심체(214) 및 이 자심체(214)를 둘러싸도록 상호 연결된 1차 메탈라인(212)과 2차 메탈라인(216)을 포함하는 인덕터(250)가 기판(100) 뒷면에 매몰된 상태로 완성된다. 도 10b는 이 상태에서 기판(100) 뒷면의 평면도인데, 외부전원과 연결을 위한 전극 패드 라인(217, 218)을 형성하여 인출한 것을 나타낸다.
이상의 과정에 의하여 그 뒷면에 수평으로 매몰된 인덕터(250)가 완성된 기판(100)은 다음의 과정에 따라 그 앞면이 가공되어져 거울 구조물이 제조된다.
도 11a를 참조하면, 기판(100) 뒷면, 즉 실리콘 베이스층(101)에 인덕터(250)가 매몰된 상태에서 기판(100) 윗면, 즉 반도체층(103) 상에 Ni, Fe 등의 자성금속을 증착하여 자성층(320)을 형성한다. 이어서, 자성층(320) 상에 Al, Au, 또는 Ni과 같이 광반사율이 높은 금속을 증착하여 광반사층(310)을 형성한다.도 11b는 이 상태에서 기판(100) 윗면의 평면도이다. 도 11b에서 광반사층(310) 하부에 거울 포켓(200)과 매몰된 인덕터(250)가 투영되는 것으로 도시하였다.
도 12a를 참조하면, 포토리소그라피 공정의 기판 양면 정렬 방법과 금속 식각 과정을 통하여 광반사층(310)과 자성층(320)을 패터닝하여 이들 패턴(310a, 320a)이 거울 포켓(200) 상부에 위치하도록 한다. 도 12b는 이 상태에서 기판(100) 윗면의 평면도로서 반도체층(103) 상에 패터닝된 자성층(320a)과 광반사층(310a)을 나타낸다. 패터닝된 자성층(320a)과 광반사층(310a)은 거울에 포함되는 것이다. 도면에는 이들의 패턴(310a, 320a)이 원형인 것으로 도시하였으나, 이들 패턴(310a, 320a)은 평면적 모양이 원형 또는 다각형의 모양으로 구성될 수 있다. 이들 패턴(310a, 320a)은 거울의 중심 이하 하반부가 매몰된 인덕터에 의한 자기력에 의해 당겨질 경우 거울 포켓(200)에 수직적으로 삽입되도록 정렬되어 있어야 한다.
도 13a 및 도 13b는 최종 완성도로서 토션 바(110)에 연결된 거울(300)이 기판(100) 표면으로부터 플로팅되는 구조를 가지며, 기판(100) 뒷면에서 수직적으로 식각된 거울 포켓(200)은 공간적으로 매몰산화막(102) 식각 후 완전히 개방된 것을 나타낸다. 이를 위해서, 패터닝된 자성층(320a)과 광반사층(310a) 하부에 반도체층 패턴(103a)을 남기며, 이 반도체층 패턴(103a)의 양측으로 연결되는 토션 바(110)가 형성되도록 반도체층(103) 일부는 남기되, 반도체층 패턴(103a)과 토션 바(110)의 외부 영역은 매몰산화막(102)이 개방되도록 반도체층(103)을 포토리소그라피 공정과 실리콘 반응성이온식각 과정을 통하여 개방한다. 다음, 노출된 매몰산화막(102)을 불산(HF)용액을 사용한 습식식각 방법으로 식각함으로써 제거한다. 이에 따라, 토션 바(110)에 연결된 하부층(103a), 자성층(320a) 및 광반사층(310a)을 구비하는 거울(300)이 기판(100) 표면으로부터 플로팅되는 구조를 가지며 기판(100) 뒷면에서 수직적으로 식각된 거울 포켓(200)은 공간적으로 매몰산화막(102) 식각 후 완전히 개방된다.
거울 포켓(200)은 상부에 매달려 있는 거울(300)이 인덕터(250)에 전류 인가시 발생된 자기장에 의하여 기판(100)에 매몰된 인덕터(250) 쪽으로 당겨질 수 있는 공간을 제공한다. 자기장에 의하여 당겨진 거울(300)은 기판(100)에 대해 수직으로 식각된 거울 포켓(200) 내측벽에 의하여 정지됨으로써 기판(100)에 바로 선 거울 구조를 이룬다. 인덕터(250)에 인가된 전류를 단락시키면 토션 바(110)의 탄성에 의하여 거울(300)이 기판(100)에 수평되게 복원된다. 이에 따라, 빛의 차단과 반사기능을 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 거울(300)에 대하여 입사광을 45°투사시킴으로서 45°의 반사광을 얻을 수 있는 광경로의 변경이 가능하다. 본 실시예에 따라 거울(300)은 고반사율과 표면 평탄도를 가지도록 제조할 수 있고, 구조적으로 거울 포켓(200)에 의하여 거울(300)이 기판(100)에 수직으로 안정되게 세울 수 있는 효과를 갖는다.
토션 바(110)는 재료 및 구동의 안정성과 집적회로화에 우수한 실리콘 단결정 또는 다결정 실리콘 중의 어느 하나인 것이 바람직하다. 따라서, 토션 바(110)의 모재인 반도체층(103)으로서 실리콘 에피층 또는 폴리실리콘층을 선택하는 것이 바람직하다. 토션 바(110)의 기계적 탄성 조절을 위하여 토션 바(110)의 형태를 직선구조 또는 맨더구조로 형성할 수 있다.
상기에서 기술한, 기판에 수평적으로 매몰된 인덕터 자기 유도형의 개별 광스위치를 어레이 형태로 배열시 M×N 매트릭스 구조의 광스위치 구현이 가능하다. 이를 위하여, 상기 제작방법에 따라 기판에 다수의 광스위치를 집적한 다음, 이 광스위치가 집적된 동일 기판 상에 마이크로 렌즈 및 광섬유 집적을 위한 부대공정으로서 광스위치 영역 바깥 부분에 홈을 형성시키는 단계를 더 수행할 수 있다. 광섬유의 입력단에는 마이크로 렌즈용 홈을 두어, 평행광화를 위한 입력용 마이크로 렌즈를 장착할 수 있으며, 마찬가지로 광섬유의 출력단에도 마이크로 렌즈용 홈을 두어 집속화를 위한 출력용 마이크로 렌즈를 장착할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 광스위치 제작방법은 SOI 형 기판을 이용하는 것이 유리하나, 반드시 SOI 형 기판을 이용하지 않아도 무방하다. 그리고, 기판에 매몰되는 인덕터를 기판에 대해 직접 제조하는 본 실시예에서와는 달리, 기판의 가공과는 별도로 제작된 마이크로 인덕터를 기판에 마련된 홈에 삽입하여 매몰된 인덕터 구조를 실현할 수도 있다.
본 발명의 광스위치 제작방법은 기판의 양면가공을 이용하는 것이다. 따라서, MEMS 기술을 이용한 웨이퍼 일괄 제작방법에 의하므로 위치정밀도, 전력 소모, 확장성 또는 양산성 등에 있어서 개선된다. MEMS 기술의 장점대로, 기존의 기계적광스위치의 우수한 성능을 유지하면서도 크기를 소형화할 수 있게 된다. 실리콘을 근간으로 하는 반도체 공정을 이용할 수 있기 때문에 구동의 안정성 및 집적회로화에 있어서도 매우 유리하다. 이에 따라, 광스위치의 대량생산이 가능하다.
그리고, 기판 뒷면에 전기적 배선라인을 배치하고 기판의 앞면은 거울, 마이크로 렌즈, 광섬유 등 광학적 요소만 배치함으로써 최종 조립과정을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다. 다수의 기판 및 광부분품을 조립할 필요가 없어 제작방법과 기판의 가공성 및 조립성이 단순해진다.
또한, 특히 고반사율과 표면 평탄도를 가지는 거울 제작이 용이하고 구조적으로 거울 포켓에 의하여 구동 거울이 기판에 수직으로 안정되게 세울 수 있는 효과를 갖는다.
뿐만 아니라, 본 발명에 의한 매몰된 인덕터 구조의 광스위치 제작방법을 이용한 개별적인 광스위치를 어레이 형태로 배열함으로써, M×N 매트릭스 광스위치 등에의 응용이 가능하다.

Claims (18)

  1. 자성을 띤 거울이 인덕터의 자기력에 의하여 상기 거울을 지지하는 기판에 수직으로 정렬됨으로써 광경로를 변경시키는 광스위치의 제작방법으로서,
    기판의 뒷면을 식각함으로써, 상기 기판 내에 거울 포켓(mirror pocket)과 인덕터가 매몰될 홈을 형성하는 단계;
    상기 홈에 상기 기판에 평행되게 코일이 감겨진 인덕터를 매몰하는 단계; 및
    상기 기판의 앞면을 가공하여 상기 거울 포켓에 정렬되는 거울과 상기 거울을 지지하는 토션 바(torsion bar)를 일체로 형성하면서 상기 거울 포켓을 완전히 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈에 인덕터를 매몰하는 단계는 상기 기판의 가공과는 별도로 제작된 마이크로 인덕터를 상기 홈에 삽입하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 홈에 인덕터를 매몰하는 단계는
    상기 홈의 내벽과 바닥에 절연막을 1차 코팅한 다음, 다수의 1차 메탈라인을 상기 홈 내부와 상기 홈 외부 턱에 형성하는 단계;
    상기 1차 메탈라인이 형성된 결과물 상에 절연막을 2차 코팅한 다음, 자성 금속을 증착하여 상기 홈 내부에 매립되는 자심체를 형성하는 단계; 및
    상기 자심체가 형성된 결과물 상에 절연막을 3차 코팅한 다음, 상기 1차 메탈라인과 각각 연결되는 다수의 2차 메탈라인을 형성하여 상기 자심체를 감싸는 코일을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  4. 실리콘 베이스층, 매몰산화막 및 반도체층이 순차 적층된 SOI(Silicon On Insulator)형 기판을 제공하는 단계;
    상기 실리콘 베이스층을 식각함으로써 상기 매몰산화막을 노출시키는 거울포켓과 상기 매몰산화막을 노출시키지 않는 인덕터 매몰용 홈을 형성하는 단계;
    상기 홈의 내벽과 바닥에 절연막을 1차 코팅한 다음, 다수의 1차 메탈라인을 상기 홈 내부와 상기 홈 외부 턱에 형성하는 단계;
    상기 1차 메탈라인이 형성된 결과물 상에 절연막을 2차 코팅한 다음, 자성 금속을 증착하여 상기 홈 내부에 매립되는 자심체를 형성하는 단계;
    상기 자심체가 형성된 결과물 상에 절연막을 3차 코팅한 다음, 상기 자심체를 둘러싸는 코일이 완성되도록 상기 1차 메탈라인과 연결되는 다수의 2차 메탈라인을 형성함으로써, 상기 실리콘 베이스층에 수평적으로 매몰된 인덕터를 제조하는 단계; 및
    상기 인덕터의 자기력에 의하여 구동되는 거울이 형성되도록, 상기 반도체층 상에 자성층 및 광반사층을 증착한 후 상기 거울의 중심 이하 하반부가 상기 자기력에 의해 당겨질 경우 상기 거울 포켓에 수직적으로 삽입되도록 거울 패턴을 평면적으로 정의하는 단계를 포함하여, 상기 거울과 상호 연결된 토션 바가 형성되도록 상기 반도체층을 식각하는 단계; 및
    상기 거울 포켓이 완전히 개방되고 상기 거울이 토션 바에 의하여 상기 기판 표면으로부터 플로팅(floating)된 구조를 갖도록 상기 거울과 토션 바 하부의 상기 매몰산화막을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반도체층은 실리콘 에피층 또는 폴리실리콘층인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 절연막은 산화막인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 거울 포켓과 홈은 트렌치(trench) 식각 방법에 의하여 각각 식각하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 거울 포켓은 수직적 식각 단면구조를 갖도록 형성하고, 상기 홈의 내벽은 경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 거울 포켓은 반응성 이온식각(RIE)방법으로 형성하고, 상기 홈은 습식식각용액을 이용한 등방성 식각방법에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 습식식각용액은 KOH인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  11. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 메탈라인은 Al 또는 Cu인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  12. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 자심체는 Ni, Fe 또는 Cr인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 자성층은 Ni, Fe 또는 Cr인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  14. 제 4 항에 있어서, 상기 광반사층은 Al, Au 또는 Ni인 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  15. 제 4 항에 있어서, 상기 매몰산화막을 식각하는 단계는 불산(HF)용액을 사용한 습식식각 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  16. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 거울의 패턴은 평면적 모양이 원형 또는 다각형의 모양으로 구성되며 상기 거울 포켓의 평면적 모양도 사각형 패턴 외 임의의 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  17. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기의 거울과 연결되는 토션 바의 기계적 탄성 조절을 위하여 상기 토션 바의 형태를 직선구조 또는 맨더(meander)구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
  18. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 기판에 수평적으로 매몰된 인덕터 자기 유도형의 개별 광스위치가 어레이 형태로 배열된 M×N 매트릭스 구조의 광스위치를 제조하기 위하여,
    상기 제작방법에 따라 상기 기판에 다수의 광스위치를 집적하는 단계; 및
    상기 광스위치가 집적된 동일 기판 상에 마이크로 렌즈 및 광섬유 집적을 위한 부대공정으로서 광스위치 영역 바깥 부분에 홈을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제작방법.
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