KR100444212B1 - 미세 구동기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

미세 구동기는 십자형으로 배치된 고정부와 이동부로 이루어지며, 고정부와 이동부의 빗 모양의 전극은 전극살이 서로 엇갈리도록 배치되어 있다. 이동부는 굴곡 구조를 가진 탄성 부재를 포함하며 고정부와 이동부에 전압을 인가할 때 발생하는 정전력과 탄성 부재의 복원력을 구동력으로 하여 평면상에서 이동한다. 이러한 구동기를 제조할 때에는 유리 기판과 양극 접합된 실리콘 기판을 사용한다. Lapping 및 CMP 공정을 사용하여 실리콘 기판을 적당한 두께로 갈아낸 다음 한 번의 광마스크를 이용하여 사진 공정을 실시하고 건식 식각으로 구동기를 형성한다. 구동기를 마스크로 하여 하부의 유리 기판을 습식 식각함으로써 필요한 부분을 유리 기판으로부터 띄운다.

Description

미세 구동기 및 그 제조 방법{a microactuator and manufacturing methods of the same}

본 발명은 미세 구동기(microactuator) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세 위치 제어기(micro positioning actuator)를 포함하는 미세 구동기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기록 장치나 광학 시스템의 헤드(head)나 탐침, 렌즈(lens) 등의 위치를 정밀하게 제어할 필요가 있으며 이를 위하여 외부의 서보 시스템(servo system)을 도입하기도 한다. 그러나 외부의 시스템을 도입하는 경우에는 시스템의 부피가 증가할 뿐 아니라 높은 정밀도를 구현하기 위해서는 많은 비용이 요구된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 반도체 마이크로 머시닝(micro machining)을 이용한 미세 구동기에 대한 연구가 진행되고 있다. 마이크로 머시닝을 이용한 미세 정밀 구동기는 구동 방식에 따라 정전력, 전자력, 압전 및 열 구동력 구동 방식으로 나눌 수 있으며 이중에서 정전력을 이용한 구동 방식이 대표적이다.

정전력 구동 방식은 시스템의 축전기(capacitor)에 저장되는 정전 에너지(electrostatic energy)의 변화를 이용한 것으로 그 대표적인 예로는 빗 모양 구동기(comb drive actuator)를 들 수 있다. 빗 모양 구동기에 관한 연구로는 P.-F. Indermuehle, C. Linder, J. Brugger, V.P. Jaecklin and N.F. de Rooij의 논문 "표면 프로파일 스캐닝을 위한 집적 탐침을 가지는 뜬 xy-미세 구동기의 설계및 제조" ("Design and fabrication of an overhanging xy-microactuator with integrated tip for scanning surface profiling",Sensors and ActuatorsA, No. 43, 1994, pp. 346-350)와 P.-F. Indermuehle, and N. F. de Rooij의 논문 "AFM 투영을 위한 XY-미세 스테이지 위에 고 형상비를 가지는 대형 탐침의 집적"("INTEGRATION OF A LARGE TIP WITH HIGH ASPECT RATIO ON AN XY-MICRO STAGE FOR AFM IMAGING",Transducers '95·Eurosensors IX, June 1995, pp. 652-654)을 들 수 있다. 이 구동기는 AFM(atomic force microscopy)에 적용할 목적으로 두 쌍의 빗 모양 구동기를 수직으로 결합시켜 2차원적인 위치 제어를 할 수 있고 구동기 중앙에 원자 간 인력을 검출할 수 있도록 미세한 탐침을 탑재한 것이다. 그러나 이 구동기는 빠른 응답 특성을 가지고 있는 반면 제작 과정이 복잡하며 최대 이동 거리가 짧은 문제가 있다.

최대 이동 거리를 늘이기 위하여 Rob Legtenberg, A W Groeneveld and Elwenspoek는 논문 "대변위용 빗형 구동기" ("Comb-drive actuators for large displacements",J. Micromech. Microeng. 6, 1996, pp. 320-329)에서 접힌 빔 스프링(folded beam spring) 구조를 채용하여 20 V의 전압에서 30 μm의 변위를 가질 수 있는 단방향 빗 모양 구동기를 제안하였다.

그러나 이 방법 역시 제작 과정이 복잡하며 이동 방향이 한정되어 있는 문제점이 있다.

본 발명의 한 과제는 미세 구동기의 제조 공정을 단순하게 하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는 2 개의 자유도를 가지며 이동 범위가 넓은 미세 구동기를 실현하는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 미세 구동기의 개념도이고,

도 2는 도 1에 도시한 미세 구동기에서 위치 제어기를 도시한 사시도이고,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 구동기의 개념도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 제어기 제어를 위한 신호 전압의 인가 방법을 개념적으로 나타낸 도면이고,

도 5a 내지 5d는 본 발명의 한 실시예에 따라 위치 제어기를 제조하는 방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,

도 6a 내지 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 위치 제어기를 제조하는 방법을 공정 순서에 따라 도시한 도면이고,

도 7a 및 7b는 각각 이론적인 미세 프레넬 렌즈(micro Fresnel lens)의 사시도 및 단면도이고,

도 8a 및 8b는 본 발명의 한 실시예에 따른 이진 미세 프레넬 렌즈의 단면도 및 초점 면에서의 세기 분포를 나타낸 그래프이고,

도 9a 및 9b는 본 발명의 한 실시예에 따른 이진 미세 프레넬 렌즈의 제조 방법을 나타낸 단면도이고,

도 10a 내지 10c는 감광막을 이용한 미세 구면 렌즈의 제조 방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,

도 11a 내지 11f는 본 발명의 한 실험예에 따른 미세 구동기의 제조 방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,

도 12는 양극 접합 시의 가열 온도에 따라 기판이 휜 정도를 나타낸 그래프이고,

도 13a 내지 13d는 본 발명의 실험예에 따라 제작한 미세 구동기를 도시한 사진이고,

도 14a 및 14b는 각각 본 발명의 실험예에 따라 제작한 미세 구동기의 일방향 구동 특성을 측정하기 위한 전압 인가 방법과 그에 따른 변위의 변화를 나타낸 도면이고,

도 15a 및 15b는 각각 본 발명의 실험예에 따라 제작한 미세 구동기의 반 위상 소신호 인가에 따른 구동 특성을 측정하기 위한 전압 인가 방법과 그에 따른 변위 변화를 나타낸 도면이고,

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 초소형 구동기의 기계적 간섭량을 나타낸 그래프이고,

도 17은 본 발명의 실험예에 따라 제작한 미세 구동기에 여러 크기의 y 방향 전압을 인가한 상태에서 x 방향 인가 전압에 대한 y 방향 전극살의 변위를 나타낸 그래프이며,

도 18a 내지 18f는 본 발명의 다른 실시예에 따라 미세 구동기를 제조하는방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.

이러한 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 미세 구동기는, 기판 위에 고정되어 있는 고정 전극과 이 고정 전극과의 전기적인 상호 작용을 통하여 기판 위에서 이동할 수 있는 이동 전극을 포함한다. 이동 전극에는 다른 요소가 장착될 수 있는 탑재대가 탄성 부재를 통하여 연결되어 있어, 이동 전극의 이동에 따라 2차원 상에서 이동한다.

여기에서 이동 전극 및 고정 전극은 각각 다수의 전극살을 가지는 제1 및 제2 빗 모양 전극을 포함할 수 있으며 이때 제1 및 제2 빗 모양 전극의 전극살은 서로 엇갈리게 배치되어 있다.

여기에서 각 탄성 부재는 제1 연결 부재, 제1 패드 및 굴곡 부재를 포함할 수 있다. 이때, 제1 연결 부재는 선형이며 양끝이 이동 전극과 탑재대에 연결되어 있고 패드는 기판에 고정되어 있으며 굴곡 부재는 굴곡 구조를 가지면 제1 패드 및 제1 연결 부재와 연결되어 있다. 제1 연결 부재는 십자형으로 배치되어 있는 것이 바람직하며 이때 탑재대는 십자형의 중앙에 위치하는 것이 좋다. 굴곡 부재는 제1 연결 부재 중간에서 뻗어 나온 다수의 제1 부분, 제1 부분과 연결되어 있는 제2 부분, 제2 부분의 양끝으로부터 꺾여 나와 있으며 제1 패드와 연결되어 있는 제3 부분을 포함할 수 있다.

고정 전극은 기판에 고정되어 있는 제2 패드, 제2 빗 모양 전극과 제2 패드를 연결하는 제2 연결 부재를 더 포함할 수 있으며, 이때 제1 및 제2 빗 모양 전극, 제1 및 제2 연결 부재, 굴곡 부재 및 탑재대는 기판과 간격을 두고 있는 것이 좋다. 제1 패드는 상기 제1 및 제2 연결 부재에 인접하며 상기 굴곡 부재는 상기 제1 및 제2 빗 모양 전극을 둘러쌀 수 있다.

기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 이때 고정 전극 및 이동 전극, 탑재대 및 탄성 부재는 금속으로 이루어질 수 있다. 기판이 유리로 이루어진 경우에는 고정 전극 및 이동 전극, 탑재대 및 탄성 부재는 실리콘으로 이루어진 것이 바람직하며, 탑재대 하부에 미세 렌즈가 고정되어 있을 수 있다. 여기에서 미세 렌즈는 기판과 동일한 층으로 이루어지는 이진 프레넬 렌즈일 수도 있고, 기판 하부에 감광막으로 형성되어 있는 구면 렌즈일 수도 있다.

한편, 본 발명의 한 특징에 따른 미세 구동기의 제조 방법에서는 제1 기판과 제2 기판을 접합하고 제1 기판을 패터닝하여 구동기 패턴을 형성한 후 이 구동기 패턴을 마스크로 하여 제2 기판을 등방성 식각한다.

이때 제1 기판을 얇게 하는 단계를 더 포함할 수도 있으며 접합은 양극 접합으로 하는 것이 좋다.

본 발명의 다른 특징에 따른 미세 구동기의 제조 방법에서는 기판 위에 구동기 패턴의 역상으로 도금틀을 형성하고 도금틀을 이용하여 기판 위에 도금층을 형성한 다음, 도금틀을 제거하고 도금층을 마스크로 하여 기판을 등방성 식각한다.

이상에서, 구동기 패턴은 다수의 패드 부분과 패드보다 폭이 좁은 기타 부분을 포함하는 것이 바람직하며, 이렇게 하면 등방성 식각 단계 후에 패드 부분은제2 기판에 고정되어 있고 기타 부분은 제2 기판과 거리를 두게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따른 미세 구동기의 제조 방법에서는 먼저, 제1 기판의 제1면을 패터닝하여 구동기 패턴을 형성하고, 그 위에 제2 기판의 접합면을 양극 접합한다. 그 후, 제2 기판의 접합면이 보일 때까지 제1 기판의 제2면을 연마한 후 제1 및 제2 기판의 노출된 면들 위에 식각 저지층을 형성한다. 마지막으로 식각 저지층을 마스크로 삼아 제2 기판을 식각한다.

여기에서 제1 및 제2 기판은 각각 실리콘 및 유리로 만들어지는 것이 바람직하며, 이때 제2 기판의 노출면을 패터닝하거나 제2 기판 위에 감광막을 패터닝하여 미세 렌즈를 형성할 수도 있다.

그러면, 본 발명의 실시예에 따른 미세 구동기 및 그 제조 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 미세 구동기에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구동기의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 구동기 중 위치 제어기를 상세하게 확대 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 구동기의 사시도이다.

도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 미세 구동기는 지지층(1) 위에 하나의 층으로 평면적으로 형성되어 있는 위치 제어기(2)와 위치 제어기(2)의 중앙에 탑재되어 있는 탑재물(3)을 포함한다. 지지층(1)은 유리 또는실리콘으로 이루어질 수 있으며 위치 제어기(2)는 실리콘 또는 금속으로 만들어질 수 있다. 탑재물(3)로는 고밀도 자기 또는 광자기 기록 장치의 자기 또는 광자기 헤드나 탐침형 기록 장치의 탐침, 미세 프레넬 렌즈(micro Fresnel lens)나 미세 구면 렌즈 따위의 미세 렌즈 등이 가능하며, 지지층(1) 또는 위치 제어기(2)와 동일한 층으로 형성될 수도 있고 다른 층으로 형성될 수도 있다.

도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 위치 제어기(2)는 자유도가 2인 2축 평면 구동기로서, 탑재물(3)을 평면상의 임의의 위치에 정적 또는 동적으로 이동시키며, 2 자유도를 실현하기 위하여 두 개의 선형 빗 모양 구동기가 수직으로 결합한 십(十)자 형태의 구조를 가지고 있다. 빗 모양 구동기는 고정된 빗 모양 고정 전극과 이동할 수 있는 빗 모양 이동 전극이 전극살이 서로 엇갈리게 배치되어 있는 형태이다. 탑재물(3)은 이동 전극과 연결되어 이동 전극의 이동에 따라 움직이고 탑재물(3)의 최종 위치는 두 구동 방향의 벡터 합으로 결정된다.

본 실시예에 따른 위치 제어기 또는 십자형 빗 모양 구동기는 두 부분, 즉 고정부(51, 52, 53)와 이동부(60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 70)로 이루어지며 중앙에 대하여 대칭인 구조를 가진다. 이동부(60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 70)는 십자 형태로 배치되어 있으며 고정부(51, 52, 53)는 이동부(60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 70)의 각 끝 부분에 위치하고 있다.

이동부는 십자의 중앙에 위치한 정사각형의 탑재대(70)를 비롯하여 연결 부재(60), 이동 전극부(61, 62) 및 탄성 부재(63, 64, 65, 66)를 포함한다.

각 연결 부재(60)는 탑재대(70)와 이동 전극부(61, 62)를 기계적으로 연결하는 역할을 하며, 탑재대(70)의 한 변 중심에 한 끝이, 이동 전극부(61, 62)의 중심에 다른 쪽 끝이 연결되어 있고 탑재대(70)의 각 변에 직교하여 전체적으로 십자형을 이룬다.

각 이동 전극부(61, 62)는 연결 부재(62)에 대하여 대칭인 구조를 가지며, 탑재대(70)를 기준으로 바깥쪽으로 뻗은 다수의 전극살로 이루어진 빗 모양 전극(61)을 포함한다. 이동 전극부(61, 62)는 도 2의 경우처럼 하나의 빗 모양 전극(61)만을 포함할 수도 있지만, 도 3의 경우처럼 다단으로 배치된 다수의 빗 모양 전극(611, 612, 613, 614)을 포함할 수도 있다. 이와 같이 빗 모양 전극(611, 612, 613, 614)을 다단으로 배치하는 것은 전극살의 수를 늘여 구동력을 크게 하기 위한 것으로서, 이때 전극(611, 612, 613, 614)들을 직렬로 연결하는 연결 부재(62)를 연결 부재(60)의 연장선상에 둔다.

탄성 부재(63, 64, 65, 66)는 지지층(1)에 고정되어 있으며 각 연결 부재(60, 62) 또는 그 연장선 부근에 위치하며 외부로부터의 전압을 인가 받는 4 개의 패드(63)와 패드(63) 및 연결 부재(60 또는 62)에 연결되어 있는 굴곡 부재(64, 65, 66)를 포함한다. 굴곡 부재(64, 65, 66)는 연결 부재(60 또는 62)로부터 양옆으로 수직으로 뻗어 나와 다시 수직으로 두 번 꺾인 구조를 가지며, 연결 부재(60 또는 62)로부터 양옆으로 수직으로 뻗어 나온 다수의 제1 부분(64), 연결 부재(60, 62)에 대하여 양쪽에 위치한 제1 부분(64)의 끝에 수직으로 각각 결합되어 있는 한 쌍의 제2 부분(65), 그리고 제2 부분(65)의 양끝으로부터 패드(63)를향하여 수직으로 뻗어 나와 패드(63)에 연결되어 있는 제3 부분(66)을 포함한다.

고정부는 이동부의 빗 모양 전극(61) 부근에 각각 배치되어 있는 4 개의 고정 전극부로 이루어지며, 각 고정 전극부는 탑재대(70)에 대하여 안쪽으로 뻗은 다수의 전극살로 이루어진 빗 모양 전극(51), 지지층(1)에 고정되어 있으며 외부로부터 전압을 인가 받는 패드(53), 그리고 연결 부재(60, 62)의 연장선상에 위치하며 빗 모양 전극(51)과 패드(53)를 연결하는 연결 부재(52)로 이루어진다. 빗 모양 전극(51)은 연결 부재(52)에 대하여 대칭인 구조를 가진다.

빗 모양 전극(51)의 전극살은 대응하는 빗 모양 전극(61)의 전극살과 서로 엇갈려 배치되어 있어, 두 전극(51, 52)의 전위차로 인하여 발생하는 정전력이 빗 모양 전극(61)을 이동시킨다. 고정 전극부(51, 52, 53)에 포함된 빗 모양 전극(51)의 개수는 이동 전극부(60, 61)에 포함된 빗 모양 전극(61)의 개수에 대응한다. 즉, 도 2의 경우에는 하나의 빗 모양 전극(51)만이 포함되지만, 도 3의 경우에는 다단으로 배치된 다수의 빗 모양 전극(511, 512, 513, 514)이 포함된다.

한편, 고정부 및 이동부의 빗 모양 전극(51, 61)은 굴곡 부재(64, 65, 66) 및 연결 부재(60, 62)로 둘러싸여 있다. 특히, 도 3에 도시한 다단형 구조의 경우에 탑재대(70)에 가까운 것부터 차례로 제1단, 제2단, 제3단 및 제4단이라고 하면, 고정부의 빗 모양 전극(511, 512, 513, 514) 중에서 고정부 패드(53)에 인접한 제4단의 전극(514)을 제외한 제1단 내지 제3단의 전극(511, 512, 513)은 굴곡 부재(64, 65, 66)에 가로 막혀 패드(53)와 연결될 수 없다. 또한 연결 부재(62)가 중앙을 관통하고 있기 때문에 제1단 내지 제3단의 고정부 전극(511, 512, 513)은연결 부재(62) 양쪽에 위치한 두 부분으로 분리되어 있다. 따라서 제1단 내지 제3단의 고정부 전극(511, 512, 513)의 각 부분들은 고립되어 있으므로, 각 부분들에 전압을 인가하고 지지층(1)에 고정시키기 위한 패드(515, 516)가 굴곡 부재(64, 65, 66) 및 연결 부재(62)로 둘러싸인 각 영역 안에 형성되어 있다. 도 3에서는 굴곡 부재(64, 65, 66)의 제1 부분(64)이 제2단과 제3단의 사이에는 형성되어 있지 않기 때문에 제2단과 제3단의 각 부분에는 패드(516)를 하나씩만 설치하여 두 단이 공유하도록 되어 있다. 그러나 굴곡 부재(64, 65, 66)의 제1 부분(64)은 임의의 곳에 설치할 수도 있다.

이러한 위치 제어기에서 패드(53, 63, 515, 516)에 전압을 인가하면 빗 모양 전극(51, 61) 사이에 발생하는 정전기력에 의하여 이동부의 빗 모양 전극(61)이 이동하며 나아가 탑재대(70)를 포함하는 이동부 전체가 이동하게 된다. 이러한 변위 변화는 탄성 부재(63, 64, 65, 66)의 복원력을 발생시키며 이 복원력과 전극 사이의 정전기력이 평형을 이루는 지점에서 이동부는 이동을 멈추게 된다. 이동부 패드(63)를 접지시켜 전위를 0으로 만들면 탑재대(70)의 변위는 고정부 패드(53)에 인가한 전압으로 제어할 수 있다.

선형 빗 모양 구동기에서 인가 전압V _a 과 탑재대(70) 변위X _d 와의 관계는 다음과 같다.

여기에서g,h,N은 각각 빗 모양 전극(51, 61)의 전극살 사이의 간격, 전극살의 높이 및 개수이며, k는 탄성 부재(63, 64, 65, 66)의 탄성계수(spring stiffness)이다. 이 식에서 알 수 있듯이 탑재대(70)의 변위(X _d )는 인가 전압의 제곱에 비례하며, 인가전압의 제곱은 또한 정전기력에 비례한다.

식 1에 나타난 바와 같이, 탑재대(70)의 최대 변위를 키우기 위해서는 전극살간 간격에 대한 전극살의 높이의 비(h/g)를 크게 하고 전극살의 개수를 늘려야 한다. 전극살간 간격(g)을 줄이는 것이 가장 좋은 방법이긴 하지만 공정 상 한계가 있으므로 전극살의 높이(h)를 높게 하고 전극을 다단으로 배치하여 전극살의 수(N)를 늘이는 것이 바람직하다.

최대 변위를 증가시키기 위해서는 또한 탄성 계수가 작은 탄성 부재 구조 또는 스프링 구조를 선택하여야 하는데, 이러한 스프링 구조로는 제1 부분(64)만을 두고 제1 부분(64) 양끝에 패드(63)를 고정시킨 단순 빔 구조, 제1 및 제2 부분(64, 65)만을 두고 각각의 제2 부분(65) 끝에 패드(63)를 고정시킨 게 다리(crab-leg) 구조, 그리고 본 실시예에서와 같은 접힌 빔(folded-beam) 구조를 예로 들 수 있다. 단순 빔 구조의 경우에는 변위가 커질수록 축 방향의 힘(축력 : 연결 부재(62)의 길이 방향의 힘)이 커져 아주 작은 변위에 대해서만 선형성을 유지할 수 있다. 게 다리 구조의 경우에는 단순 빔 구조에 비하여 탄성 계수가 작지만 연결 부재(62)와 수직하는 방향의 힘에 민감하다. 그러나, 본 실시예에와 같은 접힌 빔 구조의 경우에는 단순 빔 구조와 동일한 값의 탄성계수를 가지지만, 굴곡부재(64, 65, 66)가 축력을 줄여주기 때문에 큰 변위에서도 선형성을 유지할 수 있다. 그뿐 아니라 탄성계수 비(stiffness ratio)가 단순 빔 구조와 동일한 값으로서 매우 크므로 수직 방향의 교란에 대해서도 영향을 크게 받지 않는다.

이와 더불어 수직 방향의 간섭을 줄이기 위해서는 또한 연결 부재(62)의 탄성 계수를 작게 할 필요가 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 본 실시예에 따른 위치 제어기(2)는 개별적으로 제어할 수 있는 독립된 네 방향 전극을 가지고 있으나 전압 제어 신호에 대하여 선형적인 구동 특성을 얻기 위하여 마주보는 한 쌍의 목축 전극에 반 위상(out-of-phase) 전압을 인가하여 제어한다. 도 4는 위치 제어기(2) 제어를 위한 신호 전압의 인가 방법을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이 -x 및 +x 방향의 고정부 전극(531, 532)에는 각각 (V_bias±V_cx)의 전압을 인가하고, -y 및 +y 방향의 고정부 전극(533, 534)에는 각각 (V_bias±V_cy)의 전압을 인가하며 이동부 전극(61)은 접지시킨다. 이때 탑재대(70)가 x 방향으로 받는 힘(F_x)은 다음과 같다.

식 2에서 알 수 있는 바와 같이 탑재대(70)가 받는 힘이 제어 전압 V_cx에 선형적으로 비례하며 결국 V_cx에 대해서 선형적인 변위를 얻을 수 있다. 이는 y 방향에 대해서도 동일하다.

그러면 이러한 초소형 제어기를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

앞서 언급한 바와 같이 지지층(1)은 유리 또는 실리콘으로, 위치제어기(2)는 실리콘 또는 금속으로 제작할 수 있다.

그러면, 먼저 지지층(1)은 유리로 만들고, 위치 제어기(2)는 실리콘으로 만드는 경우의 미세 구동기의 제조 방법에 대하여 도 5a 내지 5d를 참고로 하여 상세히 설명한다.

먼저 도 5a에 도시한 것처럼 실리콘 기판(20) 표면에 지지층(1)의 역할을 하는 유리 기판(30)을 열을 가하면서 양극 접합한다. 양극 접합은 전계 도움 접합(field assisted bonding) 또는 정전 접합(electrostatic bonding)이라고도 하며 열과 강한 전기장이 필요하다. 실리콘 기판(20) 및 유리 기판(30)에 각각 양 및 음의 전압을 인가하고 열을 가하면, 가해진 열은 유리 기판(30) 내의 양(+) 이온의 이동도(mobility)를 증가시키고, 이동도가 증가된 양(+)이온은 유리 기판(30)과 실리콘 기판(20) 사이에 걸리는 강한 전기장에 의하여 유리 기판(30)에 접한 음(-)전극으로 이끌려 환원된다. 이에 따라 실리콘 기판(20)과 유리 기판(30)의 계면 부근에서 양이온의 공핍(depletion) 현상이 일어나고, 결국 인가되는 모든 전압이 기판간 경계면에 걸리게 되므로, 기판(20, 30) 간 경계면에는 매우 강한 전계가 형성된다. 이 강한 전계는 실리콘 기판(20)과 유리 기판(30) 간의 공유결합을가능하게 하고 두 기판(20, 30)은 영구적으로 접합된다.

도 5b에 도시한 것처럼 실리콘 기판(20)의 노출면을 기계화학적인 방법으로 래핑(lapping)하고 연마하여 실리콘 기판(20)을 약 30μm의 두께로 얇게 만든다.

이어, 실리콘 기판(20)의 노출면에 감광막(도시하지 않음)을 도포한 다음, 위치 제어기 패턴이 새겨진 하나의 크롬 마스크(도시하지 않음)를 통하여 자외선 따위의 빛을 감광막에 조사하고 감광막을 현상한다. 그 후, 상온에서 염소를 이용한 깊은 반응성 이온 식각(RIE : reactive ion etching)을 이용하여 실리콘 기판(20)을 식각하여 위치 제어기(100, 200)를 형성한다. 이어 산소(O₂) 플라스마 공정을 실시하여 위치 제어기(100, 200)의 벽면에 형성된 고분자(polymer)와 감광막을 제거함으로써 도 5c에 도시한 바와 같이 위치 제어기(100, 200) 패턴을 완성한다. 산소 플라스마 공정은 후속 공정에서 잔류 고분자에 의한 오염을 방지하는 역할을 한다. 이때 도 5c에서 보면 너비가 큰 부분(200)과 작은 부분(100)이 있는데, 부분(200)은 도 2 및 도 3의 패드(53, 63, ...)에 해당하고 부분(100)은 기타 부분에 해당한다.

마지막으로 도 5d에 나타낸 바와 같이 위치 제어기(100, 200)를 마스크로 삼고 49 wt%의 HF 용액을 이용하여 유리 기판(30)을 습식 식각해냄으로써 본 실시예에 따른 미세 구동기를 완성한다. 이때, 식각 시간을 조절하여 너비가 큰 부분(200)은 유리 기판(30)에 접합된 상태를 유지하고 나머지 부분(100)은 유리 기판(30)으로부터 분리되도록 한다. 이와 같이 하면, 패드(53, 63)는 유리 기판(30)에 고정된 상태가 되고 나머지 부분은 유리 기판(30)으로부터 분리되어 이동 가능한 상태가 된다. 이 과정에서 습식 식각 대신 등방성 건식 식각을 사용할 수도 있다.

다음은 지지층(1)은 유리 또는 실리콘으로, 위치 제어기(2)는 금속으로 이루어진 경우의 미세 구동기의 제조 방법을 도 6a 내지 6d를 참고로 하여 상세히 설명한다. 본 실시예에서는 미세 구동기를 리가(LIGA) 공정으로 제작한다.

먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 유리 또는 실리콘으로 이루어진 기판(30) 위에 위치 제어기 패턴의 역상으로 미세 도금 틀(85)을 제작한다. 이어 도 6b에 도시한 것처럼 전해 또는 무전해 도금을 하여 기판(30) 위에 위치 제어기(100, 200)를 형성한다. 앞의 실시예에서와 마찬가지로 도면 부호 200은 패드(53, 63)를 나타내고 도면 부호 100은 기타 구조물을 가리킨다. 그후 도 6c에 나타낸 것처럼 도금 틀(85)을 제거하고, 제작된 위치 제어기(100, 200)를 마스크로 하여 기판(30)을 식각하여 도 6d에 나타낸 바와 같이 패드(200)를 제외한 나머지 부분을 기판(30)으로부터 떨어지게 한다. 기판(30)이 유리인 경우에는 습식 식각을 이용하고 실리콘인 경우에는 습식 식각이나 등방성 건식 식각을 사용한다.

여기에서 유리 기판(30)의 두께를 수백 μm 정도로 하면 식각 후에 구조물이 바닥으로부터 수 십 μm 이상 뜨도록 공정을 조절할 수 있으므로 구조물이 바닥에 붙어 버리는 문제를 막을 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 미세 구동기는 하나의 마스크만으로 제작할 수 있기 때문에 공정이 간단하다.

한편, 탑재대(70)에 장착되는 탑재물(3)로는 미세 렌즈를 들 수 있으며, 미세 렌즈는 다시 회절 렌즈와 굴절 렌즈로 나눌 수 있는데, 그 중에서도 미세 프레넬(micro Fresnel) 렌즈는 대표적인 회절 렌즈로서 굴절 렌즈에 비하여 매우 작은 부피를 갖는 것이 특징이다.

도 7a 및 도 7b(도 7a에서 Ⅶb-Ⅶb 선을 따라 잘라 도시한 도면)에 도시한 바와 같이 프레넬 렌즈를 위에서 보면 동심원 형태이고 각 동심원의 단면은 칼날 모양인데 이 한 구간을 프레넬 존(Fresnel zone)이라고 한다. 프레넬 존의 단면 형상은 그 존을 통과한 빛이 그 구간 내에서 가장 두꺼운 부분에 대하여 항상 2π의 위상 지연을 겪도록 설계된 것으로, 프레넬 존을 통과한 빛은 보강 간섭을 하게 되고 그 간섭된 빛의 마루가 위치하는 곳이 초점이다. 이러한 관계를 만족시키는 위상 방정식, 즉 렌즈를 지나기 전과 후의 빛의 위상 사이의 관계를 나타내는 식을 풀면 m번째 프레넬 존의 반경(r_m)과 반경에 따른 두께(d_m)는 각각 다음 식으로 주어진다.

여기에서 λ와f는 각각 빛의 파장과 초점거리, 그리고n _FL 과n _i 는 각각 렌즈와 공기의 굴절률이다. 이와 같이 미세 프레넬 렌즈의 모양은 광학적 규격, 초점거리, 파장 및 굴절 상수 등에 의하여 결정된다.

도 7a 및 7b에 도시한 것과 같이 식 3과 식 4에서 얻어진 프레넬 렌즈의 두께 형상은 각 존마다 곡률이 다르고 하나의 존 내에서도 곡률이 반경에 따라 연속적으로 변하므로 기계적인 가공이 쉽지 않다. 따라서 본 실시예에서는 연속적인 곡면을 일정 구간마다 단차를 두어 양자화한 형태의 이진 프레넬 렌즈를 사용한다. 이진 프레넬 렌즈의 회절 효율은 연속적인 곡면을 가지는 프레넬 렌즈에 비하여 회절 효율이 작으며 이는 양자화된 계단의 경계면에서 발생하는 빛의 산란으로 인한 것이다.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 이진 미세 프레넬 렌즈의 단면을 이론적인 연속면 렌즈와 비교하여 도시한 도면으로서 가로축은 렌즈 중심으로부터의 거리를 나타내고 세로축은 두께를 나타낸다. 도 8a에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 미세 프레넬 렌즈는 8단으로 양자화된 이진 광학계이며 각 계단은 동일한 높이를 가지고 있다.

도 8b는 도 8a에 도시한 미세 프레넬 렌즈의 초점 면에서의 이론적인 세기(intensity) 분포를 연속면 렌즈 및 4단으로 양자화된 렌즈와 비교하여 나타낸 시뮬레이션 그래프로서, 가로축은 렌즈 중심으로부터의 거리를 나타내고 세로축은 정규화된(normalized) 세기를 나타낸다. 렌즈의 재질은 굴절률 1.5185의 유리이고, 초점 거리는 3mm이며 파장이 635 nm의 빛을 이용하였다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이 8단 렌즈의 경우에는 연속면 렌즈와 거의 동일한 세기 분포를 나타내는 것을 알 수 있으며, 특히 렌즈의 중심에서 94.97 %의 세기를 나타내었다. 한편 4단 렌즈의 경우 렌즈의 중심에서 81 %의 세기를 나타내어 연속면 렌즈와는 약간 거리가 있는 결과를 보여주었다. 한편, 도면에는 나타내지 않았지만 2단 렌즈의 경우에는 41 %의 효율을 나타내었다.

미세 프레넬 렌즈는 실리콘 또는 유리로 만들어질 수 있는데, 실리콘은 적외선용으로, 유리는 가시광선용으로 사용된다.

그러면, 이러한 4단 양자화된 이진 미세 프레넬 렌즈의 제조 방법에 대하여 도 9a 및 9b를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

4 위상 미세 렌즈는 두 번의 사진 공정과 RIE를 사용하여 만들어지는데, 먼저 도 9a에 도시한 바와 같이 첫 번째 마스크(41)를 써서 RIE 방법으로 유리 기판(30)을 1 단계 패터닝한다. 다음 도 9b에 도시한 것처럼 두 번째 마스크(42)를 이용하여 RIE 방법으로 유리 기판(30)을 2 단계 패터닝을 하면 4 위상 미세 렌즈(3)가 완성된다. 단, 2 단계 패터닝에서의 식각 두께는 1 단계 패터닝에서의 식각 두께의 1/2이 되어야 한다.

8 위상 미세 프레넬 렌즈의 경우라면 앞의 2 단계 패터닝을 마친 후 한 번 더 사진 공정과 RIE 공정을 실시하면 되며, 이 때의 식각 두께의 2 단계 패터닝에서의 식각 두께의 1/2이 되어야 한다.

탑재물(3)로 미세 프레넬 렌즈 대신 미세 구면 렌즈를 둘 수도 있으며 미세 구면 렌즈는 감광막을 이용하여 제조한다. 이를 도 10a 내지 10c를 참고로 하여 설명한다.

먼저 도 10a에 도시한 것처럼 유리 기판(30) 위에 감광막(80)을 도포한다.감광막(80)으로는 양의 감광제, 예를 들면 TOK사의 PMER PLA900F를 사용할 수 있다. 이어 원판 모양의 패턴이 새겨진 크롬 마스크를 통하여 감광막(80)에 자외선을 조사한 후 도 10b에 도시한 바와 같이 현상한다. 마지막으로 열처리 공정으로 감광막(80)을 리플로우(reflow)시키면 도 10c에 도시한 바와 같이 구면 렌즈(32)가 형성되는데, 감광막(80)이 유리 기판(30) 위에 존재하기 때문에 표면 장력이 커서 더욱 둥근 모양이 된다. 이 렌즈(32)의 곡률 반경은 감광막(80)의 도포 두께에 따라 달라진다. 실험 결과 20μm의 두께로 코팅된 구면 렌즈의 초점 거리를 현미경을 사용하여 측정한 결과 약 31μm로 나타났다.

그런데, 일반적인 감광제는 열처리 후에 색깔이 짙은 다갈색으로 변하는 경향이 있으므로 이를 보완하기 위하여 비감광성 수지(resin)를 사용할 수도 있으며 이 경우에는 사진 공정 대신 RIE 등을 사용하여 패터닝할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같은 위치 제어기(2) 및 미세 렌즈(3)를 일련의 공정으로 만들어 보았으며 이에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 11a 내지 11b를 참고로 하여 한 실험예를 설명한다.

먼저, 도 7a에 도시한 것처럼 실리콘 기판(20) 표면에 지지층(1)의 역할을 함과 동시에 미세 프레넬 렌즈(3)의 재료가 되는 유리 기판(30)을 열을 가하면서 양극 접합하였다.

이 단계는 전체 공정에 중요한 역할을 하는데, 특히, 양극 접합 시의 기판(20, 30)에 열을 가하면 두 기판(20, 30)의 열팽창계수가 달라 발생하는 응력(stress)으로 인하여 기판(20, 30)이 휘며, 휨 현상이 클수록 공정 중에 기판자체가 파손되거나 후속 공정에서 만들어지는 미세 구조물이 손상될 가능성이 크다. 그뿐 아니라 실리콘 기판(20)을 연마할 때 동일한 두께로 연마되지 아니할 가능성도 크다. 기판(20, 30)이 휘는 정도는 접합 전후의 곡률의 차이에 비례하는 값을 가지므로 곡률 변화를 측정함으로써 휘는 정도를 알 수 있으며, 도 12에 1,000 V의 전압으로 두 기판(20, 30)을 양극 접합할 때 기판(20, 30)의 가열 온도에 따른 접합 전후의 기판(20, 30)의 곡률 변화(Δ(1/R), R은 곡률반경)를 나타내었다.

도 12로부터 기판(20, 30)의 휨은 기판(20, 30)의 가열 온도에 따라 증가한다는 것을 알 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 가열 온도가 380 ℃보다 작은 경우에는 기판(20, 30)이 휘는 정도는 작지만 접합 상태가 불량하고 접합 시간이 오래 걸리는 것으로 나타났으며, 반대로 500 ℃보다 커지면 기판(20, 30)이 지나치게 휘는 것으로 나타났다. 따라서 양극 접합시의 가열 온도로는 380 ℃ 내지 500 ℃가 적절하며, 특히 400 ℃에서 450 ℃, 나아가 400 ℃ 정도가 가장 좋은 것으로 나타났다. 기판(20, 30)에 인가하는 전압은 700 V 내지 1,200 V 정도가 적당하다.

다음, 도 11b에 나타낸 대로, 실리콘 기판(20)의 노출면을 기계·화학적인 박화(chemical mechanical lapping and polishing) 등의 방법을 사용하여 두께 약 30 μm 정도로 얇게 만들었다.

그런 다음, 도 11c에 나타낸 것처럼 유리 기판(30)의 노출면을 식각하여 8단 미세 프레넬 렌즈(3)를 형성하였다. CHF₃기체와 CF₄기체 및 Ar 기체의 유량을 각각 25 sccm, 5 sccm, 75 sccm의 비율로 하고 130 mTorr의 압력과 600 W의 RF(radio frequency) 전력 및 250 Gauss의 자기장을 건 P-5000 식각기(etcher)(Applied Materials 제품)를 써서 8단 미세 프레넬 렌즈를 제작한 결과, 유리 기판(30)의 식각률은 약 3,600 Å/min이었으며, 식각 후 거칠기는 100 Å 미만인 것으로 나타났다.

이어, 실리콘 기판(20) 위에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 위치 제어기(2) 패턴이 새겨진 크롬 마스크(도시하지 않음)를 탑재대(70)의 중앙이 미세 프레넬 렌즈의 중앙에 오도록 양면 정렬하였다. 마스크를 통하여 감광막에 자외선을 조사한 후 현상한 다음, 노출된 실리콘 기판(20)을 깊은 반응성 이온 식각(RIE : reactive ion etching)을 이용하여 패터닝하여 위치 제어기(100, 200)를 형성하였다. 감광막으로는 고온에서 열처리한 1.2 μm 두께의 AZ1512(Hoechst 제품)를 사용하고 Plasma Therm사의 Deep Etcher를 사용한 보시(Bosch) 공정을 이용하여 실리콘 기판(20)을 식각한 결과, 유리 기판(30)에 대한 식각 선택비는 약 80 : 1로 나타났고 측면 식각 폭은 약 2,000 Å이었으며, 식각 비등방도는 0.98 이상이었다. 3 μm 폭을 가지는 트렌치(trench)는 완전히 개방된 부분을 기준으로 약 70 %의 식각률을 가지는 것으로 측정되었으며 이를 감안하여 충분히 과식각(overetch)을 행하였다. 그 결과 측면의 식각은 더 진행되지 않았으나 유리 기판(30)이 드러난 부분에서는 구조물 하부가 식각되어 유리 기판(30)으로부터 분리되는 현상이 나타났다. 그러나 이 경우에도 구조물을 지지하는 패드(200) 부분은 크게 손상 받지 않으므로 구조물이 파괴되지는 않았다.

이어 산소(O₂) 플라스마 공정을 실시하여 위치 제어기(100, 200)의 벽면에 형성된 고분자(polymer)와 감광막을 제거함으로써 도 11d에 도시한 바와 같이 위치 제어기(100, 200) 패턴을 완성하였다. 산소 플라스마 공정 조건은 산소 유량이 200 sccm, 압력이 200 Pa, 코일 전력이 300 W, 그리고 공정 시간은 20분이었다.

다음, 유리 기판(30)을 HF 용액으로 등방성 식각할 때 다른 부분이 식각되지 않도록 막아주는 식각 저지층(40)을 약 3,300 Å 정도의 두께로 증착한다. 식각 저지층(40)으로는 HF 용액에 잘 식각되지 않는 비정질 실리콘을 사용하고 증착 방법은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)을 사용하였다. 비정질 실리콘은 또한 유리 기판(30)과의 접착력이 우수하며, 성막 시 방향성이 없기 때문에 표면의 요철에 관계없이 고르게 증착된다. 그리고 비정질 실리콘은 증착 온도가 약 550 ℃ 내외로서 약간 높긴 하지만 증착 중 또는 증착 후에 기판(20, 30)을 변형시키지 않기 때문에 식각 저지층(40)으로서 좋은 재료가 된다.

이어 도 11e에 도시한 것처럼, 비정질 실리콘층(40)을 반응성 이온 식각으로 패터닝하여 선택적으로 제거하는데, 이때 위치 제어기(2) 표면과 위치 제어기(2) 쪽에 위치한 유리 기판(30) 표면과 미세 렌즈(3) 표면은 비정질 실리콘층(40)으로 덮여야 한다. 이 과정에서 사용한 기체는 SF₆30 sccm과 O₂5 sccm이고, 압력은 100 mTorr, RF 전력은 200 W이며 식각 시간은 1.5 분이었다.

마지막으로 도 11f에 나타낸 바와 같이 비정질 실리콘층(40)이 형성된 유리 기판(30)을 상온에서 49 wt%의 HF 용액에 담가 유리 기판(30)을 식각하고 비정질실리콘층(40)을 제거함으로써 구동기를 완성하였다. 이때, 유리 기판(30)의 식각률은 7 μm/min이었다.

여기에서 식각 저지막(40)을 형성하는 단계(도 11e)와 이를 제거하는 단계를 생략하면 미세 프레넬 렌즈가 없는 위치 제어기만을 얻을 수 있는데 도 13a 내지 13d는 이렇게 얻어진 구조물의 사진으로서, 도 13a는 전체 구조, 도 13b는 한 쌍의 이동 및 고정 전극부, 도 13c는 탑재대(70)이며, 도 13d는 패드 부분(200)의 단면 사진이다. 여기에서 유리 기판(30)의 식각 깊이는 100 μm이고, 패드 부분(200)의 크기는 300μm×300μm, 다른 부분(100)의 폭은 100 μm 이내이며, 도 13d를 보면 패드 부분(200) 하부의 유리 기판(30)이 아래 및 옆 방향으로 약 100 μm의 두께만큼 식각되었음(X_h, X_v)을 보여주고 있다. 도 13a 및 13b를 보면, 빗 모양 전극(51, 61)이 4단(중앙으로부터 제1단, 제2단, 제3단, 제4단이라고 하자)으로 이루어져 있고 탄성 부재의 제1 부분(64)은 2개로서 각각 제1단과 제2단 사이와 제3단과 제4단 사이를 지나간다. 여기에서 제1단 내지 제3단에는 각각 한 쌍씩의 고정부 빗 모양 전극들이 형성되어 있으며, 제1단의 각 고정부 빗 모양 전극(51)은 제1 내지 제3 부분(64, 65, 66) 및 연결 부재(62)로 둘러 싸여 있고 둘러싸인 영역 안에 형성되어 있는 패드와 연결되어 있다. 제2단 및 제3단의 고정부 전극(51) 중에서 연결 부재(62)에 대하여 같은 쪽에 위치한 전극들은 제1 및 제2 부분(64, 65)과 연결 부재(62)로 둘러싸여 있고 둘러싸인 영역 안에 형성되어 있는 패드와 연결되어 있다. 빗 모양 전극(51, 61)의 전극살 사이의 간격은 3 μm이며, 전극살 쌍의 개수는 330개이다. 또한 제3 부분(66)의 길이는 1,500 μm이고 제1 및 제3 부분의 폭은 5 μm이며, 연결 부재(62)의 폭은 5 μm이고 길이는 1,900 μm이다. 연결 부재(62) 자체의 탄성 계수는 탄성 부재(63, 64, 65, 66)의 약 1/2이고 하나의 구동 방향에 대하여 한 쌍의 접힌 빔 스프링이 병렬로 연결되어 있으므로 결과적으로 1/4이 되는 셈이다.

이와 같이 제작한 구동기의 일방향 구동 특성을 알아보기 위하여 도 14a에 도시한 바와 같이 하나의 이동 전극(61)을 접지시킨 상태에서 대응하는 고정 전극(51)에 인가하는 전압을 변화시켜 가며 탑재대(70)의 변위를 측정하였다(화살표가 이동 방향). 도 14b는 탑재대(70)의 변위를 인가 전압의 제곱에 대한 함수로 나타낸 그래프로서 이론치와 비교한 것이다.

도 14b에서 알 수 있는 바와 같이, 이 위치 제어기(2)의 최대 이동 거리는 23 V의 인가 전압에 대하여 29 μm이며, 0 - 20 V의 구간에서는 이론과 거의 일치한다. 그러나, 인가 전압이 23 V를 넘으면 두 전극(51, 61)이 달라붙게 된다.

한편, 동일한 축(화살표 방향) 상에 있는 두 빗 모양 전극에 바이어스 전압(V_bias)과 함께 반 위상의 소신호(V_cx)를 인가할 때 식 2와 같은 선형성을 얻을 수 있는지를 확인하기 위하여, 도 15a에 도시한 바와 같이, 가로 방향으로 마주 보는 두 고정 전극(51)에 각각 (V_bias+V_cx), (V_bias-V_cx)의 전압을 인가하였다. 몇 개의 바이어스 전압(V_bias)에 대하여 소신호(V_cx)의 크기 변화에 따른 탑재대(70)의 변위를 측정한 결과를 도 15b에 도시하였으며 바이어스 전압이 커질수록 선형성이 줄어들긴 했지만 거의 모든 바이어스 전압에 대하여 선형성을 나타내었다.

다음으로 두 구동 방향간의 기계적 간섭을 측정하였다. 측정 방법은 먼저 x 방향으로 탑재대(70)를 이동시킨 다음 그에 수직인 방향 y 방향으로 다시 탑재대(70)를 이동시킨다. 이때 y 방향의 구동으로 인하여 x 방향 변위가 변한 만큼을 기계적 간섭량으로 정의한다. 도 16은 이와 같이 측정한 구동기의 기계적 간섭량을 나타낸 그래프로서 전 구동 범위에 대하여 기계적 간섭량은 1 μm 이내로 관측되었고, 특히 중심으로부터 반경 24 μm 이내의 범위는 기계적 간섭이 없는 것으로 나타났다.

도 17은 x 방향으로 구동할 때 y 방향 전극(61)의 전극살(또는 빗살)의 수축 동작을 나타낸 그래프로서, 가로축은 x 방향 인가 전압의 제곱을 나타내고 세로축은 y 방향 전극(61)의 빗살의 축소 변위를 나타낸다. 도 17에서 알 수 있듯이 y 방향 전극(61)의 빗살은 탑재대(70)의 x 방향 변위가 증가함에 따라 더욱 축소되며, 이는 탄성 부재(63, 64, 65, 66)의 탄성 계수 증가로 인한 것으로 보인다. 다른 말로 하면, x 방향으로 구동하면 y 방향의 축력이 생성되고 이 축력은 y 방향 전극(61)의 빗살의 변위를 줄인다. 이때 축소량은 축력과 탄성 부재(63, 64, 65, 66)의 복원력 사이의 평형 조건으로 결정된다. 도 17에서 보면 y 방향 전극(61) 빗살의 축소량은 x 방향전극(61)에 인가된 전압이 증가할수록, 그리고 y 방향 전극(61)에 인가한 전압이 클수록 증가한다. 또한 빗살 변위의 축소가 +y 방향과 -y 방향에 대해서 대칭으로 나타나는 것을 알 수 있다. 결국 빗살 변위의 축소는 생성된 축력만을 보상하며 탑재대(70)의 변위에는 영향을 미치지 않는다는 것이며그 이유는 탄성부재(62, 63, 64, 65)가 변형을 통하여 이를 상쇄하기 때문이다.

지금까지 설명한 실험예에서는 양극 접합, 실리콘 기판(20)의 박화(thinning), 미세 프레넬 렌즈(3)의 형성, 위치 제어기(100, 200)의 형성, 비정질 실리콘 패터닝, 유리 기판(30)의 식각의 순서로 미세 구동기를 제작하였으나, 이와는 다른 방법으로 제작할 수도 있다. 이에 대하여 도 18a 내지 18f를 참고로 하여 상세히 설명한다.

먼저 도 18a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(20)의 접합면을 깊은 반응성 이온 식각(RIE : reactive ion etching)을 이용하여 패터닝하여 위치 제어기(2) 패턴을 형성하고, 도 18b에 도시한 것처럼 실리콘 기판(20) 접합면에 유리 기판(30)의 접합면을 양극 접합한다. 그런 다음, 도 18c에 나타낸 것처럼 유리 기판(30)을 식각하여 미세 렌즈(3)를 형성하고, 도 18d에 나타낸 대로, 실리콘 기판(20)을 연마 등의 방법을 사용하여 두께 약 30 μm 정도로 얇게 만들어 본 실시예의 첫 단계에서 식각된 부분을 통하여 유리 기판(30)이 드러나도록 함과 동시에 위치 제어기(2)의 형태를 완성한다. 그 후, 위치 제어기(2) 및 유리 기판(30)의 표면에 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) 공정으로 약 3,300 Å 두께의 비정질 실리콘층(40)을 증착한 후 도 18e에 나타낸 바와 같이 반응성 이온 식각 등의 방법으로 패터닝한다. 이때 위치 제어기(2) 표면과 위치 제어기(2) 쪽에 위치한 유리 기판(30) 표면과 미세 렌즈(3) 표면은 비정질 실리콘층(40)으로 덮여야 한다. 마지막으로 도 18f에 나타낸 바와 같이 비정질 실리콘층(40)을 마스크로 삼고 49 wt%의 HF 용액을 이용하여 유리 기판(30)을 식각해 내고 비정질 실리콘층(40)을 제거함으로써 본 실시예에 따른 구동기를 완성한다.

이와 같이 본 발명에 따른 미세 구동기는 간단한 방법으로 제조될 수 있으며, 2차원적으로 이동하면서도 큰 변위에도 선형성을 유지한다.

Claims (28)

1. (정정) 제1 기판과 제2 기판을 접합하는 단계,

   상기 제1 기판을 패터닝하여 구동기 패턴을 형성하는 단계,

   상기 제2 기판을 등방성 식각하여 상기 구동기 패턴의 일부를 상기 제2 기판으로부터 분리하는 단계

   를 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
2. 제1항에서,

   상기 제1 기판을 얇게 하는 단계를 더 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
3. 제2항에서,

   상기 제1 및 제2 기판은 각각 실리콘 및 유리로 이루어진 미세 구동기의 제조 방법.
4. 제3항에서,

   상기 접합 단계에서의 접합은 양극 접합을 이용하는 미세 구동기의 제조 방법.
5. 제3항에서,

   상기 식각 단계에서의 식각은 상기 구동기 패턴을 식각 마스크로 하여 이루어지는 미세 구동기의 제조 방법.
6. 제3항에서,

   상기 구동기 패턴을 덮는 식각 저지층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 식각 단계에서의 식각은 상기 식각 저지층을 식각 마스크로 하여 이루어지는 미세 구동기의 제조 방법.
7. 제6항에서,

   상기 제2 기판을 패터닝하여 미세 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하며 상기 식각 저지층은 상기 미세 렌즈를 덮는 미세 구동기의 제조 방법.
8. 제3항에서,

   상기 제2 기판 위에 감광막 또는 수지로 미세 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
9. (정정) 기판 위에 구동기 패턴의 역상으로 도금틀을 형성하는 단계,

   상기 도금틀이 형성된 상기 기판 위에 도금층을 형성하는 단계,

   상기 도금틀을 제거하는 단계,

   상기 도금층을 마스크로 하여 상기 기판을 등방성 식각하여 상기 도금층의 일부를 상기 기판으로부터 분리하는 단계

   를 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
10. 제9항에서,

    상기 기판은 실리콘 또는 유리로 이루어진 미세 구동기의 제조 방법.
11. 제10항에서,

    상기 등방성 식각은 습식 또는 건식 식각인 미세 구동기의 제조 방법.
12. (정정) 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에서,

    상기 구동기 패턴은 다수의 패드 부분과 상기 패드보다 폭이 좁은 나머지 부분을 포함하며, 상기 등방성 식각 단계 후에 상기 패드 부분은 상기 기판에 고정되어 있고 상기 나머지 부분은 상기 기판과 거리를 두고 있는 미세 구동기의 제조 방법.
13. (정정) 제12항에서,

    상기 패드 부분은 제1 패드와 제2 패드를 포함하며,

    상기 나머지 부분은,

    상기 제1 패드와 연결되어 있는 다수의 고정 전극,

    상기 제2 패드와 연결되어 있는 다수의 굴곡 부재,

    상기 굴곡 부재에 연결되어 있으며 상기 고정 전극과의 전기적인 작용을 통하여 이동 가능한 다수의 이동 전극,

    상기 굴곡 부재와 연결되어 상기 이동 전극의 이동에 따라 이동하며 다른 요소가 장착될 수 있는 탑재대

    를 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
14. 제1면 및 제2 면을 가지고 있는 제1 기판의 제1면을 패터닝하여 구동기 패턴을 형성하는 단계,

    상기 제1 기판의 제1면 위에 접합면 및 노출면을 가지는 제2 기판의 접합면을 양극 접합하는 단계,

    상기 제2 기판의 접합면이 보일 때까지 상기 제1 기판의 제2면을 연마하는 단계,

    상기 제1 기판의 제2면, 상기 제2 기판의 접합면 및 노출면에 식각 저지층을 형성하는 단계,

    상기 식각 저지층을 마스크로 삼아 상기 제2 기판을 식각하는 단계

    를 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
15. 제14항에서,

    상기 제1 및 제2 기판은 각각 실리콘 및 유리로 이루어진 미세 구동기의 제조 방법.
16. (정정) 제1항 내지 제8항, 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,

    상기 구동기 패턴은 상기 제2 기판에 고정된 다수의 패드 부분과 상기 제2 기판과 거리를 두고 있는 나머지 부분을 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
17. (정정) 제16항에서,

    상기 패드 부분은 제1 패드와 제2 패드를 포함하며,

    상기 나머지 부분은,

    상기 제1 패드와 연결되어 있는 다수의 고정 전극,

    상기 제2 패드와 연결되어 있는 다수의 굴곡 부재,

    상기 굴곡 부재에 연결되어 있으며 상기 고정 전극과의 전기적인 작용을 통하여 이동 가능한 다수의 이동 전극,

    상기 굴곡 부재와 연결되어 상기 이동 전극의 이동에 따라 이동하며 다른 요소가 장착될 수 있는 탑재대

    를 포함하는 미세 구동기의 제조 방법.
18. 기판,

    상기 기판 위에 고정되어 있는 다수의 고정 전극,

    상기 기판 위에 형성되어 있으며 상기 고정 전극과의 전기적인 작용을 통하여 이동하는 다수의 이동 전극,

    상기 이동 전극과 연결되어 상기 이동 전극의 이동에 따라 2차원 상에서 이동하며 다른 요소가 장착될 수 있는 탑재대,

    상기 이동 전극에 연결되어 있는 다수의 탄성 부재

    를 포함하며,

    상기 고정 및 이동 전극, 상기 탑재대 및 상기 탄성 부재 하부의 상기 기판의 일부는 식각되어 있는

    미세 구동기.
19. 제18항에서,

    상기 이동 전극 및 고정 전극은 각각 다수의 전극살을 가지는 제1 및 제2 빗 모양 전극을 포함하며 상기 제1 및 제2 빗 모양 전극의 전극살은 서로 엇갈리게 배치되어 있는 미세 구동기.
20. 제19항에서,

    상기 각 탄성 부재는 상기 기판에 고정되어 있는 제1 패드와 상기 제1 패드 및 상기 이동 전극과 연결되어 있으며 꺾인 구조를 가지는 굴곡 부재를 포함하는 미세 구동기.
21. 제20항에서,

    상기 고정 전극은 상기 기판에 고정되어 있으며 상기 제2 빗 모양 전극에 연결되어 있는 제2 패드를 더 포함하는 미세 구동기.
22. 제21항에서,

    상기 제1 및 제2 빗 모양 전극, 상기 굴곡 부재 및 상기 탑재대는 상기 기판과 간격을 두고 있는 미세 구동기.
23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에서,

    상기 기판은 유리 또는 실리콘으로 이루어진 미세 구동기.
24. 제23항에서,

    상기 고정 전극 및 이동 전극, 상기 탑재대 및 상기 탄성 부재는 금속으로 이루어진 미세 구동기.
25. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에서,

    상기 기판은 유리로 이루어진 미세 구동기.
26. 제25항에서,

    상기 고정 전극 및 이동 전극, 상기 탑재대 및 상기 탄성 부재는 실리콘으로 이루어진 미세 구동기.
27. 제25항에서,

    상기 탑재대 하부에 상기 기판과 동일한 층으로 고정되어 있는 미세 렌즈를더 포함하는 미세 구동기.
28. 제25항에서,

    상기 미세 렌즈는 상기 기판 하부에 감광막 또는 수지로 형성되어 있는 구면 렌즈인 미세 구동기.