KR100416678B1 - 스프링팁을갖는마이크로미케니컬디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링 팁(60)을 갖는 마이크로미케니컬 디바이스(50) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 랜딩 스톱(34a)이 있는 저부(bottom)에서, 적어도 1개의 힌지(24a)에 의해 현수된 편향 가능 소자(36)가 에어 갭 상에 존재하도록 마이크로미케니컬 디바이스(50)가 형성된다. 소자(36)는 상기 힌지 상에서 편향되고, 적어도 1개의 작은 금속 돌출부(60) 또는 스프링 팁을 통하여 랜딩 스톱(34a)에 접촉하게 된다. 스프링 팁은 더 많은 힘의 분포 및 적은 내구력 및 접착력을 허용하며 접촉에 의해 구부려진다. 스프링 팁은 금속층(64)의 패터닝에 부가하여 표준 반도체 처리 단계에서 형성되며, 이 금속층으로 부터, 분리된 금속 소자를 생성하기 위해 힌지가 형성된다. 편향 가능 소자가 형성될 때, 그 소자를 형성하는 금속은 팁에서, 분리된 금속 소자에 고정되어, 스프링 팁을 형성하게 된다.

Description

스프링 팁을 갖는 마이크로미케니컬 디바이스{MICROMECHANICAL DEVICES WITH SPRING TIPS}

본 발명은 공간 광 변조기에 관한 것으로, 특히, 마이크로 공학적인 공간 광변조기(micromechanical spatial light modulator)에 관한 것이다.

몇몇 실시 형태에서 공간 광 변조기는 개별적으로 어드레스된 소자들의 배열로 구성된다. 이들 형태의 변조기의 예들로서는 액정 디바이스(LCD), 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD^TM), 및 가동 미러 디바이스(AMA^TM)를 들 수 있다. DMD 및 AMA는 마이크로미케니컬 디바이스들인데, 이는 소자들이 활성화될 때 움직이는 소형화된 부분들을 갖는 데서 연유된 것이다.

마이크로미케니컬 변조기들은 최대의 반도체 가공 처리 공정과 견줄 수 있는 제조 처리 공정의 산물 이점을 지니고 있다. 이들은 또한, 매우 작은 규모로 제조가능하다는 이점도 갖는다. 이들의 이동부는 매우 단순한 플랩(flap)이며, 이 플랩은 통상, 두 방향 중의 한 방향 또는 일 방향으로 편향된다. 그들은 예를 들면, 정전기적이거나 압전적인 힘에 의해 활성되고, 이에 따라 플랩이 편향되게 된다. 플랩이 편향될 때, 플랩의 표면에 충돌하는 빛의 반사각이 변한다.

이들 변조기는 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 작동 가능하다. 아날로그 방식에서는 보통, 플랩 및 어드레싱 회로 간의 힘에 의존하여 편향각의 범위를얻게 된다. 디지털 방식으로 작동하기 위해서, 변조기들은 통상, 안정된 위치로 편향되지만, 빈번하지는 않지만 소정 형태의 랜딩 스톱(landing stop)에 대향하여 놓이게 된다.

도1은 단일 레벨 캔틸레버 힌지 공간 광 변조 소자(single-level cantilever hinge spatial light modulator element)에 대한 종래의 실시 형태의 측면도.

도2는 단일 레벨 토오션 힌지 디바이스(single-level torsion hinge device)에 대한 종래의 실시 형태의 사시도.

도3a 및 도3b는 이중 레벨 토오션 힌지 디바이스에 대한 종래의 실시 형태에 대한 측면도.

도4는 본 발명의 일 실시 형태에 대한 도면.

도5-도10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제조 공정을 통한 기판의 측면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

12 : 기판

22 : 스페이서

24a, 24b : 힌지

34a, 34b : 랜딩 전극

36 : 편향 가능 소자

38 : 지지목

프린팅 및 디스플레이와 같은 영역에서 디지털 이미지화로의 추이(move)가 있을 때, 디지털 방식으로 동작되는 공간 광 변조기에 대한 요구가 증가된다. 그러나, 아날로그보다 더 안정적인 디지털 동작에서는, 편향된 소자 및 그의 랜딩 스톱 간의 반복된 접촉으로 인해 소자가 랜딩 스톱에 달라 붙게 된다. 일단 이들 소자들이 달라 붙게 되면, 최종 이미지에는 밝거나 어두운 스폿들이 생긴다.

따라서, 이들 소자들이 랜딩 스톱에 달라 붙는 것에 의해 유발되는 문제점들을 방지 또는 완화시키기 위한 해결책이 요구된다.

본 발명의 한 양태에 있어서, 공간 광 변조기는 랜딩 스톱과 접촉하게 되는 편향 가능 소자의 영역에 작은 금속 돌출부를 갖도록 제조된다. 때로는 스프링 팁(spring tip)이라 불리는 작은 돌출부가 랜딩 스톱과 터치 다운되며, 소자가 놓이게 되는 것에 따라 변형된다. 이러한 변형으로 편향된 소자가 단독으로 랜딩 스톱에 접촉할 경우보다 더 많은 표면 영역이 접촉하게 되어서, 접촉이 이루어지는 시간을 늦춘다. 그 결과, 소자가 비편향 상태로 리세트될 때, 소자는 감소된 접착력으로 인해 랜딩 스톱의 리프트 오프(lift off)가 더욱 용이해질 수 있다.

본 발명의 이점은 스트링 팁의 가요성 때문에 리세트 효율이 향상된다는 점에 있다.

본 발명의 이점은 랜딩 스톱의 표면에 더욱 균일하게 랜딩 압력을 제공하는 점에 있다.

본 발명의 이점은 랜딩 쇼크(landing shock)가 발생되는 시간량을 증가시키는 점에 있다.

본 발명의 이점은 마이크로미케니컬 소자의 구조적 문제를 보상하는 점에 있다.

＜실시예＞

도1, 도2, 도3a 및 도3b를 참고로, 마이크로미케니컬 공간 광 변조기 소자에 관한 종래 기술을 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명의 특성은 접촉 소자를 갖는 임의의 마이크로미케니컬 디바이스에 응용 가능하며, 그들의 구조에 있어 내구력 및 점착력을 감소시키는 것이다.

이제, 도1을 참조하면, 단일 레벨 캔틸레버 힌지 공간 광 변조기 소자에 대한 종래의 실시 형태가 도시되어 있다.

단일 레벨 디바이스에서는, 광학적 및 전기적 활성 영역 모두에 편향 가능한 소자가 있다. 편향 가능 소자가 전기적으로 활성되는데, 편향 가능 소자는 정전기력 또는 인력이 소자를 이동시키기 위해 강화될 때, 편향하는 소자이다. 전기적으로 활성인 소자의 상단부는 광학적으로 활성인 소자를 만들면서, 입사광을 반사시킨다. 이 디바이스는 US 특허 제4,596,992호에 더욱 상세히 설명되어 있다.

도1에서, 기판(12)은 층(14) 내의 소정 형태의 전기적 활성 영역으로 형성된다. 층(14)은 보호 및 전기적 분리를 위한 광학적 산화 코팅막(16)을 갖는다. 어드레싱 회로(20)는 전기 접속이 될 수 있도록 절단 가능한 비아(VIA)들을 갖는 층(18)상에 형성되어 있다. 층(18)은 이 어드레싱 회로를 마이크로미케니컬 디바이스의 구조적 소자들과 전기적으로 분리하기 위한 금속 어드레싱 회로 층(20) 하의 산화코팅막이다. 본 실시 형태에서, 층(22)은 반사 소자(26)에 대한 스페이서 및 지지부 둘 다로 동작한다.

스페이서(22)는 피착된 금속막을 지지하도록 이전의 층 상으로 회전된다. 금속막은 힌지(24) 및 소자(26)들을 형성하도록 패터닝 및 에칭된다. 그리고 나서, 스페이서 층은 소자(26) 하부로부터 스페이스를 제거하여 힌지(24) 하에 그대로 두기 위해 시간 제어를 엄격히 하여 스페이스 층을 에칭한다. 다른 실시 형태들에 있어서, 이 디바이스는 스페이서 내에 형성되고, 지지목(support post)을 형성하기 위해 금속으로 충전되는 비아를 갖는다. 이 경우, 스페이서는 더 이상 지지용으로 필요하지 않으며 없어질 때까지 에칭된다.

동작에 있어서, 층(18) 내의 어드레싱 회로가 활성화될 때, 정전기력은 소자(26)를 힌지(24)를 따라 어드레싱 회로를 향하여 소자(26)를 편향시킨다. 전술한 바와 같이, 인력은 자기력과 같이 정전기력 이외의 다른 유형의 힘이 될 수 있다. 몇몇 실시 형태에 있어서, 이 소자는 어드레싱 회로와 접촉하게 되지 않지만, 다른 경우에는 가능할 수 있다. 여기에서 논의된 것은 접촉이 가능하다. 이들 소자들의 반복된 활성화 및 랜딩 스톱 또는 기판과의 접촉은 결국, 소자를 랜딩 스톱에고정시킨다. 이러한 문제는 마이크로미케니컬 디바이스들 사이에서는 공통된 것이다.

이러한 형태의 디바이스들에 대한 제2 종래의 실시 형태가 도2에 도시되어 있다. 본 실시 형태에서, 기판(12)은 그 위에 통상, 금속으로 된 전극층(18)을 갖는다. 소자(28)는 갭(32) 상으로 힌지(24a, 24b)에 의해 지지된다. 힌지(24a, 24b)는 소자(28)보다 얇은 제1 금속층으로 형성된다. 제1 층이 피착된 후, 금속은 힌지를 형성하도록 패터닝 및 에칭된다. 상술한 바와 같이, 이는 또한 지지목이 형성되는 금속층이 될 수 있다. 그 결과, 소자(28)는 실제로 2개의 금속층 즉, 힌지 금속 및 소자 금속층으로 형성되며, 제2금속층 내에 피착된다.

이 디바이스의 동작은 쌍안정적(bistable)이며, 이는 플랫(plat) 상태로부터 두 방향으로 편향 가능함을 의미한다. 근방의 어드레싱 회로가 활성화될 경우, 소자는 페이지(page)에서 나오는 방향으로 뷰어를 향하여 편향될 것이다. 이 디바이스는 미국 특허 제 5,061,049 호에 설명되어 있다.

도1 및 도2의 실시 형태 모두 단일 레벨 디바이스이다. 각각의 소자(26, 28)는 모두 편향 소자이며 반사면이다. 도3a 및 도3b는 편향 가능 소자가 광학적 활성영역이 아닌 이중 레벨 디바이스를 도시하고 있다.

도3a에서, 비어드레스되거나 비편향된 상태에서의 디바이스가 도시되어 있다. 기판(12)은 기판 상에 랜딩 전극(34a, 34b)을 갖는데, 디바이스가 편향될 때 소자를 정지시킨다. 편향 가능 소자(36)는 이들 전극 및 어드레싱 전극 상에서 도시되지는 않는, 페이지로부터의 축을 따라 힌지에 의해 현수(suspend)되어 있다.편향 가능소자(36) 상에는 지지목(38) 및 제2 소자(42)가 있다. 지지목은 통상, 편향 가능 소자(36)의 힌지 축의 중앙에 배치된다.

디바이스의 동작은 도3b에 도시되어 있다. 도면의 우측 상의 어드레스 전극이 활성화될 때, 편향 가능 소자는 그쪽으로 편향되고, 전극(34a) 상에 놓이게 된다. 소자(42)는 지지목(38) 때문에, 소자(36)의 움직임에 따라 이동한다. 영역(44)은 편향 가능 소자가 랜딩 전극과 접촉하고, 내구력 및 접착력의 문제가 발생하는 지점을 나타낸다. 이 디바이스는 미국 특허 출원 제 08/424,021호에 더욱 상세하게 설명되어 있으며 본 발명과 같은 공동 양수인에게 양도된다.

본 발명의 일 실시 형태를 포함하는 그러한 이중 레벨 디바이스의 사시도가 도4에 도시되어 있다. 상단 소자(42) 및 그의 지지목(38)은 요크 또는 편향 가능 소자(36)의 사시도를 도시하기 위해 도면에서 "리프트 오프" 되어 있다. 힌지(24a, 24b)는 지지목(54)으로부터 지지를 받는다. 지지목(56) 및 대향 지지목은 이러한 디바이스들의 배열과 인접한 디바이스들을 위한 것이다.

본 발명의 이러한 실시 형태에서, 부가적인 구조적 요소가 편향 가능 소자(36)에 부가되어 있다.

보통, 금속으로 형성된 작은 돌출부(60)는 소자(36)에 부착되어 있다. 이들 작은 금속 돌출부는 손가락과 같은 구조 또는 캔틸레버식 구조를 가지며, 이하, 스프링 팁이라 하기로 한다.

이들 스프링 팁은 이제 랜딩 전극과 접촉하게 되는 편향 가능 소자의 일부분이 될 것이다. 그들의 얇고 가요성있는 구조 때문에, 그들은 소자(36)가 단독으로접촉할 때 터치하는 것보다 더 큰 표면 영역이 랜딩 전극과 접촉하게 되도록 하여 접촉에 의해 변형된다. 이것은 표면 영역에 대하여 랜딩력이 보다 평평하게 분포하도록 하고, 접착력 및 내구력을 최소화시킨다.

부가적인 구조의 가요성은 또한 접촉 처리에 더 많은 시간을 부가한다. 그들이 랜딩 전극을 터치함에 따라, 소자들은 충분히 구부려질 때까지 계속 편향된다. 이 처리는 편향 가능 소자의 팁 단독으로 터치할 때보다 더 오래 걸린다. 이는 소자 및 전극 간의 랜딩 쇼크를 감소시킨다.

부가되는 이들 구조의 결과로서, 디바이스의 리세트 처리가 더욱 용이해진다. 통상적으로, 이들 소자의 리세트는 소자가 전극을 리프트 오프하도록 전압을 조절함으로써 발생된다. 양호한 실시 형태에 있어서, 어드레싱 회로로 더욱 강하게 유인되도록 하기 위해서 소자 또는 어드레싱 회로에 전압을 인가함으로써 리세트를 행하게 된다. 이는 힌지 내에 복원력을 일으킨다. 전압이 제거될 때,디바이스는 "바운스(bounce)" 오프된다.

스프링 팁의 사용으로, 스프링 팁이 더욱 가요성이 있으므로 에너지 저장을 위해 더 낮은 전압이 필요하다. 전압이 인가될 때, 이들 스프링 팁은 소자 단독의 팁보다 더 빠르고 강한 복원력을 일으킨다. 더 많은 "스프링"을 가짐으로써, 더 큰 복원력을 제공하게 된다.

부가적으로, 위와 같은 디바이스들의 처리는 때때로, 희망되는 구조적 완벽(integrity)을 달성할 수 없다. 이러한 형태의 오류에 대한 두 가지 예를 팁 새그(tip sag) 또는 힌지 새그라 한다. 예를 들면, 종종 힌지들은 평면성을 유지하기에 충분한 내부 인장 강도(internal tensile strength)를 갖지 않아서 새깅한다. 이는 보통, 접촉점에서 증가된 힘을 발생시킨다. 스프링 팁을 가질 때, 이 효과는 완화되고, 힌지 새그 결점을 갖는 디바이스들은 여전히 사용 가능하다. 유사하게, 다른 경우들 중에서도 특히, 편향 가능 소자의 인장 강도가 충분히 높지 않을 경우, 소자 자체가 그의 팁에서 새깅(sag)할 수 있다. 다시, 결과적으로 접착이 이루어지는 힘을 증가시킨다. 스프링 팁의 사용하여 이들 효과를 재차 경감시킨다.

디바이스들의 제조에서 이중 레벨 또는 단일 레벨 중의 하나는 이들 별도의 구조 성분들을 제공하기 위해 약간의 변화만을 필요로 한다. 기판은 여러 처리 단계들의 영향을 받는 것으로, 도5-도10의 측면도에 도시되어 있다. 도5에서, 기판(12)은 어드레싱층(18) 및 절연층(20)을 갖는다. 스페이서(22)는 스핀되어 있고 영역 내 이러한 소자에 대한 비아(62a, 62b)가 형성되어 있다.

도6에서 제1 금속층(64)이 피착되어 있다. 금속층(64)은 비아(62a, 62b)를 채워, 지지목을 형성한다. 그 후, 이 층은 패터닝 및 에칭되어 힌지를 형성하고, 스프링 팁이 될 분리 구조체를 형성한다. 이러한 처리 단계에서, 스프링 팁들은 존재하는 구조적 성분으로부터 분리되는 작은 금속 조각들이다.

편향 가능 소자가 형성될 경우 처리의 다음 단계에 있어서, 도7a 및 도7b에서와 같이, 제2 금속층은 분리된 스프링 팁에 부착된다. 그 후, 이 금속층은 패터닝 및 에칭되어, 편향 가능 소자를 형성한다. 단일 레벨 디바이스에 있어서, 소자는 도시된 바와 같이 유효 반사면이 되기에 충분한 크기로 형성된다. 도7a 및 도7b와 비교할 때, 도7a의 소자(66)의 크기가 도7b의 소자의 크기보다 훨신 더 크다.도 7a에 도시된 구조에 대한 처리에서 남아있는 유일한 단계는 스페이서(22)를 에칭하여, 소자를 자유롭게 이동할 수 있게 하는 것이다.

그러나, 이중-레벨 디바이스에 대하여 도 7b에 도시된 바와 같이 수행되어야 할 단계가 남아있다. 도8에서, 제2 스페이서층(68)은 편향 가능 소자 및 그의 기둥(54) 상에 형성된다. 참조 부호 66은 기둥이 존재하는 편향 가능 소자 상의 스폿을 나타낸다.

도9에서, 제3 금속층이 피착되어 있다. 이러한 제3 금속층은 비아(70)를 채우고, 지지목 및 반사면(72)을 형성한다. 마지막으로, 도10에서, 편향 가능 소자 및 그의 반사 소자가 자유롭게 이동하도록 두 스페이서층이 제거된다.

이들 스프링 팁은 편향 가능 소자의 팁들로부터 확장되며, 도8에서의 금속층(64)의 일부분이 된다. 스프링 팁은 관찰자를 기준으로 할 때, 페이퍼의 외부 방향으로 편향하며, 힌지(24a, 24b)에 의해 한정된 축에 대하여 편향된다. 스프링 팁은 상기 상세하게 설명된 바와 같은 몇몇 문제점들을 억제시킨다. 마이크로미케니컬 공간 광 변조기들에 적용시킬 때의 문제점들의 구체적인 내용에 대해 상기에서 논의된 바, 접촉 소자들이 있는 임의의 마이크로미케니컬 디바이스에 적용 가능하다.

따라서, 스프링 팁을 갖는 마이크로미케니컬 디바이스에 대한 방법 및 구조에 대한 특정 실시 형태에 관하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 단지 예시하는 것에 지나지 않으며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 첨부한 특허 청구의 범위에서 한정된 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변경 및 응용이 가능한 것은 당업자에 의해 명백해질 것이다.

Claims (10)

1. 마이크로미케니컬 디바이스(micromechanical device)에 있어서,

   기판 ;

   상기 마이크로미케니컬 디바이스를 활성화시키도록 동작될 수 있는 상기 기판 위에 형성되는 어드레싱 회로 ;

   적어도 1개의 힌지(hinge)에 의해 상기 어드레싱 회로 상에 현수(suspend)된 편향 가능 소자 ;

   상기 어드레싱 회로에 근접하게 상기 기판 상에 형성되는 적어도 1개의 랜딩 스톱(landing stop) ; 및

   상기 소자가 활성화되어 상기 어드레싱 회로를 향하여 편향될 때 상기 랜딩 스톱과 접촉하도록 상기 편향 가능 소자로부터 연장하는 가요성 팁(flexible tip)

   을 포함하는 마이크로미케니컬 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로미케니컬 디바이스가 디지털 마이크로 미러 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로미케니컬 디바이스가 가동 미러 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로미케니컬 디바이스가 캔틸레버 힌지 공간 광 변조기 소자(cantilever hinge spatial light modulator element)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 디바이스.
5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로미케니컬 디바이스가 토오션(torsion) 힌지 공간 광 변조기 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로미케니컬 디바이스가 이중 레벨 공간 광 변조기 소자의 편향 가능 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미케니컬 디바이스.
7. 스프링 힌지(spring hinge)를 갖는 마이크로미케니컬 디바이스를 제조하는 방법에 있어서,

   어드레싱 회로를 기판 상에 형성하는 단계 ;

   상기 어드레싱 회로에 근접하게 상기 기판 상에 랜딩 스톱을 형성하는 단계;

   상기 랜딩 스톱 및 상기 어드레싱 회로 상에 스페이서 재료를 스핀하는 단계 ;

   상기 스페이서 재료에 비아(via)들을 형성하는 단계 ;

   상기 비아들을 채우도록 제1 금속층을 피착하는 단계 ;

   지지목(support post), 적어도 1개의 힌지, 및 적어도 1개의 분리된 금속 소자들을 형성하도록 상기 제1 금속층을 패터닝하고 에칭하는 단계 ;

   제2 금속층을 피착하는 단계 ;

   상기 제2 금속층을 패터닝하고 에칭하여 편향 가능 소자들을 형성하며, 편향가능 소자가 상기 랜딩 스톱을 접촉하게 되는 지점에서 상기 분리된 금속 소자가 상기 편향 가능 소자에 부착되도록 하는 단계 ; 및

   상기 어드레싱 회로에 의해 활성화된 경우, 상기 편향 가능 소자가 자유롭게 이동할 수 있도록 상기 스페이서 재료를 제거하는 단계

   를 포함하는 스프링 힌지를 갖는 마이크로미케니컬 디바이스의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 금속층을 패터닝하고 에칭하는 단계와 상기 스페이서를 제거하는 단계 사이에 제2스페이서층을 스핀하는 단계 ;

   상기 제2 스페이서층에 비아들을 형성하는 단계 ;

   제3 금속층이 상기 비아들을 충전하도록 제3금속층을 피착하는 단계 ; 및

   상기 제3 금속층을 패터닝하고 에칭하여 반사성 소자를 형성하는 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 힌지를 갖는 마이크로미케니컬 디바이스의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 힌지를 형성하기 위해 상기 제1 금속층을 패터닝하는 단계는 하나의 힌지를 형성하는 마이크로미케니컬 디바이스의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 힌지를 형성하기 위해 상기 제1 금속층을 패터닝하는 단계는 2개의 힌지를 형성하는 마이크로미케니컬 디바이스의 제조방법.