KR100446731B1

KR100446731B1 - 광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100446731B1
Application number: KR10-2002-0005949A
Authority: KR
Inventors: 남효진
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2004-09-01
Also published as: KR20030065892A

Abstract

본 발명은 광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 압전구동형 미소거울은 구동각도가 작으며, 압전박막과 전극의 잔류응력으로 인하여 초기상태에서 미소거울이 기판과 평행하지 않은 문제점이 있었으며, 일측 방향으로만 회전시킬 수 있는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 미소거울이 중앙부에 실장되는 미소거울 지지부와, 상기 미소거울 지지부의 양끝단 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 전압의 인가에 따라 상기 미소거울 지지부를 제1축을 기준으로 구동하는 복수의 제1캔틸레버와, 상기 복수의 제1캔틸레버를 지지함과 아울러 대응하는 양측면 중앙의 외측으로 돌출부를 가지는 지지부를 구비하는 구동부와; 상기 구동부의 지지부의 돌출부의 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 상기 구동부를 상기 제1축과는 수직으로 교차하는 제2축을 기준으로 구동하는 복수의 제2캔틸레버를 포함하여 구성하여, 미소거울 지지대와 캔틸레버를 폴리이미드를 사용하여 연결함으로써, 시계방향 및 반시계방향, 양 방향으로 미소거울을 구동시킴이 가능함과 아울러 그 미소거울의 구동각도를 증가시키는 효과가 있다.

Description

광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법{PIEZOELECTRIC MICRO MIRROR FOR OPTICAL SWITCH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 그 구조 및 형상을 변경하여 초기 변형이 발생하지 않으며, 구동전압을 낮출 수 있는 광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전기적인 신호에 의해서 구동되는 미소거울은 여러가지 광학적인 응용분야에 널리 이용될 수 있다. 즉, 표시소자, 광스캐너, 광통신을 위한 크로스 커넥트 스위치(cross-connect switch)에도 적용할 수 있으며, 특히 광 크로스 커넥트 스위치는 광통신 분야에서 첨단기술로 부상하고 있는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 기술의 핵심소자로 사용된다. 이러한 광 크로스 커넥트 스위치는 미세가공(micromachining) 기술을 이용하여 소형화 및 집적화가 가능해 졌고, 대량생산이 가능하게 되었다.

상기 광 크로스 커넥트 스위치로 사용하는 미소거울의 조건은 구동변위가 크고, 구동전압이 낮아야 하며, 2축 방향의 자유도(two-degree of freedom)을 가져야 한다.

이와 같은 미소거울을 구동하는 종래 구동력으로는 주로 정전기력(electrostatic force)를 사용하였으며, 이와 같은 정전구동형 미소거울을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 종래 정전구동형 미소거울의 평면도이고, 도2는 상기 도1에 있어서, A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)과, 상기 기판(1) 상에 위치하는 절연막(2)과; 상기 절연막(2)의 상부측에서 소정거리 이격되는 복수의 전극(3)과; 상기 복수의 전극(3)의 측면부로 소정거리 이격되어 위치하는 절연층(4)과; 상기 절연층(4) 상에 위치하는 지지층(5)과; 상기 복수의 전극(3)의 상부측으로 소정거리 이격되며, 그 주변부에 상기 전극(3)이 대향하도록 위치하는 미소거울(6)과; 상기 지지층(5)과 미소거울(6)을 연결하여 미소거울(6)을 고정시킴과 아울러 상기 전극(3)과 미소거울(6)의 전압차에 따라 미소거울(6)이 회전하는 축으로 작용하는 힌지(hinge, 7)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 종래 정전 구동형 미소거울을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 구조에서 지지층(5)과 미소거울(6)은 탄성계수가 낮으며, 그 폭이 좁은 힌지(7)로 연결되어 있으며, 그 힌지(7)를 중심으로 좌우측 대칭구조를 가지는 두 전극(3)이 배치되어 있다.

상기 전극(3) 중 우측의 전극에 전압이 인가되고, 상기 미소거울(6)에 전압이 인가되면 우측 전극(3)과 미소거울(6)의 전압차에 의한 정전기력에 의하여 상기 힌지(7)를 회전축으로 하여 미소거울(6)이 시계방향으로 회전하게 되어, 입사되는 광을 그 미소거울(6)의 거울면에 대하여 입사각과 동일한 반사각으로 광을 반사하게 된다.

이와 반대로 상기 복수의 전극(3) 중 좌측에 위치하는 전극(3)과 미소거울(6) 사이에 정전기력이 발생하게 되면, 그 미소거울(6)은 상기 힌지(7)를회전축으로 하여 반시계방향으로 회전한다.

상기의 동작 후, 전극(3)과 미소거울(6) 사이에 정전기력이 차단되면, 상기 미소거울(6)은 초기상태인 기판(1)과 평행한 위치로 복원된다.

이는 상기 힌지(7)의 뒤틀림과 원래상태의 복원동작에 기인하며, 그 힌지(7)의 뒤틀림을 유발하는 힘으로 정전기력을 사용한다.

이때, 정전기력은 아래의 수학식1로 나타낼 수 있다.

F= εAV²/2d²∝ V²/d²

F는 정전기력이며, ε는 유전율, A는 전극면적, V는 전극과 미소거울의 전압차, d는 전극과 미소거울 사이의 거리이다.

위의 수학식1에서 알수 있듯이 정전기력(F)은 인가되는 전압(V)의 제곱에 비려하며, 전극과 미소거울 간의 거리(d)의 제곱에 반비례하는 관계가 있다.

이와 같은 구조는 Journal of Micromechanical Systems. Vol. 7, 1998년 pp 373에서 제안된 것이다.

상기 구조가 가지는 문제점은 미소거울을 구동하기 위하여 인가되는 전압(V)이 수백 V이상이어야 하며, 특히 전극(3)과 미소거울(6) 사이의 거리가 감소하게 되면 정전기력(F)이 급격하게 증가하여 전극(3)과 미소거울(6)이 합착되는 풀인 페노메논(PULL-IN PHENOMENON)이 발생하게 된다. 이처럼 미소거울(6)과 전극(3)이 합착되면 전극(3)과 미소거울(6) 사이의 전압(V)을 0으로 하여 정전기력(F)를 제거하여도 상기 미소거울(6)은 초기상태로 복원되지 않게 되어, 미소거울을 사용할 수없게 된다.

또한, 상기 구동전압(V)이 수백 V이상이므로 CMOS회로와의 집적이 용이하지 않아 집적도가 저하된다.

그리고, 상기 거리와 전압의 관계 설정에 따라 미소거울(6)의 회전각을 정확하게 제어하기가 용이하지 않은 문제점이 발생하게 된다.

도3은 상기 정전구동형 미소거울의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 종래 압전구동형 미소거울의 평면도이고, 도4는 도3에 있어서, A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(31)과; 상기 기판(31)의 상부 및 하부면에 위치함과 아울러 상기 기판(31)의 상부면에서 외측으로 소정거리 돌출되는 형태의 지지층(32)과; 상기 지지층(32)의 상부일부에 하부전극(33), 압전층(34), 상부전극(35)이 적층된 압전 커패시터와; 상기 압전커패시터가 형성되지 않은 지지층(32) 상에 위치하는 미소거울(36)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 종래 압전구동형 미소거울의 구조 및 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 실리콘 기판 또는 갈륨비소 기판 등 다른 소자와의 집적이 가능한 기판(31)의 상부 및 하부에 저응력 질화막 또는 산화막, 질화막, 산화막의 적층막(ONO)을 형성하여 지지층(32)을 형성하고, 상기 기판(31)의 상부에 형성된 지지층(32)을 패터닝하여 상기 지지층(32)의 중앙부에 사각형의 천공부를 형성함과 아울러 그 사각형 천공부의 일측면의 양쪽 가측으로 부터 긴 형태로 돌출되는 캔틸레버부(C)와, 상기 캔틸레버부(C)의 끝단을 서로 연결하는 연결부(D)와, 상기 연결부(D)의 중앙부에서 미소거울(36)을 지지할 수 있는 미소거울 지지부(E)를 가지는 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 구조의 상부에 금속, 강유전막, 금속을 차례로 증착한 후, 상기 캔틸레버부(C)와, 상기 캔틸레버부(C)가 연결되는 지지층(32) 패턴 상에 위치하는 압전 커패시터를 형성한다.

그 다음, 금속을 증착하고, 패터닝하여 미소거울(36)을 상기 미소거울 지지부(E) 상에 형성한다.

이때 미소거울(36)은 상기 압전 커패시터의 상부전극(35)을 형성하기 위한 금속의 증착과 패터닝공정에서 형성할 수 있으며, 별도의 공정을 통해서 형성할 수도 있다.

이와 같이 구성되는 종래 압전구동형 미소거울은 상기 압전 커패시터의 하부전극(33)과 상부전극(35)에 인가되는 전압차에 의해 상기 지지층(32)의 일부인 캔틸레버부(C)의 상하 휘어짐이 발생한다.

이에 따라 상기 두 캔틸레버부(C)의 끝부분에 연결되어 있는 미소거울(36)은 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 효과를 나타낸다.

이와 같은 압전 커패시터를 이용하는 캔틸레버의 특성은 그 압전 커패시터에 인가되는 전압에 따라 캔틸레버의 변위가 선형적으로 변하기 때문에 정확한 미소거울(36)의 각을 조정할 수 있게 된다.

또한, 그 구동방식이 정전기력을 이용하는 것이 아닌 압전력을 이용하기 때문에 인가하는 전압을 낮출수 있으며, 이에 따라 다른 소자와의 동일 기판상에 집적이 가능해진다.

그러나, 상기 압전구동형 캔틸레버는 캔틸레버의 특성상 윗쪽방향으로는 용이하게 구동되나, 아래쪽 방향으로는 쉽게 구동되지 않아 미소거울을 시계방향 또는 반시계방향으로만 구동시킬 수 있게 된다.

그리고, 압전층(34)과 전극(33, 35) 내에 잔류응력으로 인하여 초기상태에서 미소거울(36)은 기판(31)과 평행하지 않고, 약간의 기울어짐이 발생하게 된다.

상기한 바와 같이 종래 압전 구동형 미소거울은 압전 커패시터를 이용하는 캔틸레버에 미소거울을 부착하고, 그 압전 커패시터에 전압을 인가하여 캔틸레버를 윗쪽 방향으로 구동하여 미소거울을 회전시키는 방식으로, 그 구동각도가 작으며, 압전 커패시터의 잔류응력으로 인하여 초기상태에서 기판과 평행하지 않고 약간의 기울어짐이 발생하는 문제점이 있었으며, 일측 방향으로만 회전시킬 수 있는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 모든 방향으로 미소거울을 구동시킬 수 있으며, 구동각도를 증가시킴과 아울러 미소거울의 초기 기울어짐이 없는 광스위치용 압전구동형 미소거울 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 정전구동형 미소거울의 평면도.

도2는 상기 도1에 있어서, A-A'방향의 단면도.

도3은 종래 압전구동형 미소거울의 평면도.

도4는 도3에 있어서, A-A'방향의 단면도.

도5는 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 평면도.

도6은 도5에 있어서, A-A'방향의 단면도.

도7a 및 도7b는 각각 본 발명 미소거울이 구동되는 형상을 보인 단면도.

도8a 내지 도8f는 상기 도6에 있어서, A-A' 또는 B-B'방향의 단면을 보인 제조공정 수순단면도.

도9a 내지 도9g는 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울 다른 제조공정 수순단면도.

도10은 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 다른 실시예의 평면도.

도11은 도10에 있어서, A-A'방향의 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

101:기판 102:지지층

103:미소거울 지지부 104:미소거울

105, 107:연결부 106:구동부

C1~C4:캔틸레버 H1~H4:힌지(HINGE)

상기와 같은 목적은 미소거울이 중앙부에 실장되는 미소거울 지지부와, 상기 미소거울 지지부의 양끝단 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 전압의 인가에 따라 상기 미소거울 지지부를 제1축을 기준으로 구동하는 복수의제1캔틸레버와, 상기 복수의 제1캔틸레버를 지지함과 아울러 대응하는 양측면 중앙의 외측으로 돌출부를 가지는 지지부를 구비하는 구동부와; 상기 구동부의 지지부의 돌출부의 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 상기 구동부를 상기 제1축과는 수직으로 교차하는 제2축을 기준으로 구동하는 복수의 제2캔틸레버를 포함하여 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도5는 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 평면도이고, 도6은 도5에 있어서, A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 중앙부가 식각되어 사각형의 천공을 가지는 기판(51)과; 상기 기판(51)의 상하부에 위치함과 아울러 상기 기판(51)의 상부측에 위치하는 중앙부에 사각형의 천공을 가지는 패턴의 마주하는 두 변의 양측단에서 돌출된 형상을 타나내며, 상기 사각형의 천공을 가지는 패턴의 4변의 중심을 지나는 두 중심선에 대하여 상호 대칭되는 4개의 캔틸레버(C1~C4)와, 상기 캔틸레버(C1~C4)로 부터 소정거리 이격되며, 그 캔틸레버(C1~C4)와는 연결부(57)에 의해 연결되어 지며, 그 중앙부분에 미소거울을 실장할 수 있는 패턴이 위치하는 미소거울 지지부(D)로 이루어지는 지지층(52)과; 상기 지지층(52)의 일부인 캔틸레버와 두 캔틸레버가 연결되는 지지층(52)의 상부에 위치하는 하부전극(53), 유전막(54), 상부전극(55)이 적층된 압전 커패시터와; 상기 지지층(52)의 일부인 미소거울 지지부(D)의 상부에 위치하는 미소거울(56)로 구성된다.

상기와 같은 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 구조 및 그 특성을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 개괄적인 구성은 미소거울(56)의 양측에 압전 캔틸레버(C1~C4)를 부착하고, 그 압전 캔틸레버(C1~C4)의 선택적인 구동에 따라 미소거울(56)의 회전방향을 결정할 수 있도록 하는 것이다. 이와 같은 구성과 함께 탄성 계수가 낮은 물질을 사용하여 상기 캔틸레버와 미소거울 지지부를 연결시키도록 함으로써 캔틸레버와 미소거울 사이의 기계적인 구속력을 최소화하여 미소거울을 용이하게 움직일 수 있게 된다.

상기의 구성에서 연결부(57)는 탄성계수가 낮은 물질인 폴리이미드(POLYIMIDE)를 사용하며, 그 탄성계수를 더욱 낮추기위해 캔틸레버(C1~C4)의 전면을 통하여 그에 대응하는 미소거울 지지부(D)를 연결하는 것이 아닌, 그 연결부(57)의 형상을 얇은 막대형으로 하여, 그 캔틸레버(C1~C4)의 일부면과 미소거울 지지부(D)가 연결될 수 있도록 하며, 기계적인 강도를 고려하여 그 폴리이미드 막대를 복수로 연결하여 연결부(57)를 구성할 수 있다.

상기 연결부(57)는 인장응력(TENSILE STRESS)를 받게 되며, 캔틸레버의 끝부분에서 전단응력(SHEAR STRESS)를 받게 된다. 상기 연결부(57)로 탄성계수가 낮은 폴리이미드를 사용하는 경우에는 전단응력은 거의 영향을 주지 않으므로, 인장응력을 최소화 하는 방향으로 설계해야 한다. 상기 인장응력이 크면 캔틸레버가 구동하여도 그 연결부(57)가 늘어나 미소거울(56)은 거의 회전하지 않으며, 이와 같이 인장응력을 최소화 하기 위하여 상기 연결부(57)의 탄성계수를 최소화 하는 방향으로 설계한다.

상기와 같은 구조에서 캔틸레버(C1,C2)를 구동시키는 압전 커패시터에 전압이 인가되면 상기 캔틸레버(C1, C2)는 상부측으로 구동되며, 이로 인해 미소거울(56)은 시계방향으로 회전한다.

도7a 및 도7b는 각각 본 발명 미소거울이 구동되는 형상을 보인 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 캔틸레버(C1, C2)의 구동에 따라 미소거울(56)은 시계방향으로 구동되고, 캔틸레버(C3, C4)의 구동에 따라 미소거울(56)은 반시계방향으로 구동된다.

상기 미소거울(56)의 구동각도는 상기 도7a 및 도7b에서 확인 할 수 있듯이 마주하는 두 캔틸레버(C1, C3),(C2, C4)에 의해 결정된다. 즉, 캔틸레버의 구동변위와 함께 마주하는 두 캔틸레버의 이격거리에 따라 그 미소거울의 구동각도가 결정된다. 즉, 이격거리(d)가 더 짧으면 같은 캔틸레버의 구동변위(h)에 의해서도 미소거울(56)의 구동각도는 커지게 된다.

즉, 미소거울(56)의 구동각도는 아래의 수학식 2에 의해 결정된다.

θ= h/d

상기 θ는 미소거울(56)의 구동각도, h, d는 각각 캔틸레버의 구동거리와 마주하는 캔틸레버의 이격거리를 나타낸다.

본 발명의 압전 캔틸레버도 종래의 압전 캔틸레버와 같이 초기 잔류응령에 의하여 휘어질 수 있다. 그러나 상기 연결부(57)를 통하여 4개의 압전캔틸레버가 연결되어 균형을 이루고 있기 때문에 전원공급이 없을때 미소거울은 기판과 평행한 상태를 유지할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.

도8a 내지 도8g는 상기 도6에 있어서, A-A' 또는 B-B'방향의 단면을 보인 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 실리콘 또는 갈륨비소 기판(51)의 상하부에 저응력 질화막 또는 산화막, 질화막, 산화막의 적층구조를 형성하여 지지층(52)을 형성하는 단계(도8a)와; 상기 구조의 상부전면에 금속, 유전막, 금속을 순차적으로 증착하는 단계(도8b)와; 하부전극(53), 압전층(54), 상부전극(55)을 패터닝하여 압전 커패시터를 형성하는 단계(도8c)와; 상기 지지층(52)을 패터닝하여 압전 커패시터 각각에 의해 구동되어지는 캔틸레버(C1~C4) 패턴을 형성함과 아울러 상기 미소거울(56)을 지지하는 미소거울 지지부(D)를 형성하는 단계(도8d)와; 상기 구조의 상부에 저탄성계수 특성을 가지는 폴리이미드를 코팅하고, 패터닝하여 상기 연결부(57)를 형성하는 단계(도8e)와; 리프트 오프(LIFT OFF) 법을 사용하여 상기 두 압전 커패시터가 이루는 영역의 중앙부에 미소거울(56)을 형성하는 단계(도8f)와; 상기 기판(51)의 저면에 위치하는 지지층(52)의 중앙부를 식각하고 기판(51)을 노출시키고, 그 노출된 기판(51)을 식각하여 상기 기판(51)의 상부에 증착된 지지층(52)의 저면을 노출시키는 단계(도8g)로 이루어진다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법을 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 도8a는 도6에 있어서, A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(51)의 상부면과 하부면 각각에 저응력 질화막 또는 산화막, 질화막,산화막(ONO)을 순차적으로 증착하여 지지층(52)을 형성한다.

그 다음, 도8b는 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 기판(51)의 상부에 위치하는 지지층(52)의 상부전면에 금속, 압전막, 금속을 증착한다.

그 다음, 도8c에 도시한 바와 같이 하부전극(53), 압전층(54), 상부전극(55)을 패터닝하여, 상기 도6에서 보여지는 상호 대칭구조를 가지며, 두 구조가 이루는 중앙부가 넓게 되도록 요철구조로 형성되는 압전 커패시터를 형성한다.

이때, 상기 하부전극(53)은 Pt/Ti를 사용하는 스퍼터링법으로 증착하며, Ti는 상기 지지층(52)과 Pt의 접착력을 향상시킬 목적으로 사용한다.

상기와 다른 하부전극(53)의 예는 Pt/Ta 적층구조 또는 RuO₂, IrO₂와 같은 산화물 전극을 사용할 수 있다.

상기 압전층(54)은 하부전극(53) 상에 PZT박막을 졸겔(SOL-GEL)법을 사용하여 형성하며, 그 두께는 1㎛의 두께가 되도록 한다.

그 다음, 상기 상부전극(55)은 RuO₂, Pt, IrO₂를 사용하는 스퍼터링 공정으로 증착하고, 모든 층을 증착한 후, 사진식각공정을 통해 각 층을 패터닝하여 압전 커패시터를 형성한다.

그 다음, 도8d에 도시한 바와 같이 상기 지지층(52)을 패터닝하여 압전 커패시터 각각에 의하여 구동되어지는 캔틸레버(C1~C4) 패턴을 형성한다.

그 다음, 도8e는 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와같이 상기 구조의상부에 저탄성계수 특성을 가지는 폴리이미드를 스핀코팅법으로 코팅하고, 300℃의 온도로 경화한 후, 패터닝하여 상기 연결부(57)를 형성한다.

그 다음, 도8f는 미소거울(56)이 나타나는 도6에 있어서 B-B'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 리프트 오프(LIFT OFF) 법을 사용하여 상기 두 압전 커패시터가 이루는 영역의 중앙부에 미소거울(56)을 형성한다.

이때 미소거울(56)은 거울면의 상태가 양호한 것을 사용해야 하며, 가공 및 공정의 처리가 양호한 Al을 사용한다.

그 다음, 도8g는 다시 A-A'방향의 단면도로서, 상기 기판(51)의 저면에 위치하는 지지층(52)의 중앙부를 식각하여 기판(51)의 저면을 노출시키고, 그 노출되는 기판(51)을 그 저면부로 부터 식각하여 상기 기판(51)의 상부에 증착된 지지층(52)의 중앙부 저면을 노출시킨다.

이때 기판(51)을 식각하는 방법은 이방성 식각용액인 KOH, EDP(ethylene diamine pyrocatechol), TMAH(tetramethyl ammonoium hydroxide)를 사용한다.

상기의 공정을 통해 도6 및 도7에 도시한 구조의 압전구동형 미소거울을 제조할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법의 다른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도9a 내지 도9g는 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 SOI(SILICON ON INSULATOR) 기판(51)의 주변부 상부일부를 식각하여 그 하부의 절연층(58)을 노출시키는 단계(도9a)와; 상기 구조의 상부전면에 절연층(59)을 증착하여, 상기 기판(51)의 식각영역에 절연층(58)을 매립시키는 단계(도9b)와; 상기 절연층(59)을 평탄화하여 상기 기판(51)의 상부면을 노출시키는 단계(도9c)와; 상기 구조의 상부전면에 지지층(52)을 형성하고, 지지층(52)의 상부일부에 하부전극(53), 압전층(54), 상부전극(55)을 순차적으로 형성하고, 패터닝하여 압전 커패시터를 형성하는 단계(도9d)와; 상기 지지층(52)을 패터닝하여 두 압전 커패시터 각각에 의해 구동되어지는 두 캔틸레버(C1~C4) 패턴을 형성함과 아울러 상기 미소거울을 지지하는 미소거울 지지부(D)를 형성하는 단계(도9e)와; 상기 미소거울 지지부(D)의 중앙 상부에 미소거울(도면 미도시)을 형성한 후, 상기 미소거울 지지부(D)와 캔틸레버(C1~C4)를 연결하는 연결부(57)를 형성하는 단계(도9f)와; 상기 절연층(58),(59)에 의해 둘러 쌓인 기판(51) 영역을 선택적으로 식각하는 단계(도9g)로 이루어진다.

이하, 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법의 다른 실시예를 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 도9a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판 내에 절연층(58)이 삽입된 구조의 SOI 기판(51)을 준비한다.

그 다음, 사진식각공정을 통해 상기 절연층(58) 상에 위치하는 기판(51)의 주변부를 홈 구조로 식각한다.

그 다음, 도9b에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 절연층(59)을 증착하여, 상기 기판(51)의 식각영역을 그 절연층(59)으로 메운다.

그 다음, 도9c에 도시한 바와 같이 상기 절연층(59)을 기계적 화학적연마(CMP)를 사용하여 평탄화하여 상기 기판(51)의 상부면을 노출시킨다.

이때, 상기 기판(51)의 주변부측에 형성한 식각영역에는 상기 절연층(59)이 잔존한다.

그 다음, 도9d에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 저응력 질화막 또는 산화막/질화막/산화막 적층구조를 형성하여 지지층(52)을 형성한다.

그 다음, 상기 지지층(52)의 상부에 하부전극(53), 압전층(54), 상부전극(55)을 순차적으로 형성하고, 그 상부전극(55), 압전층(54), 하부전극(53)을 패터닝하여 기판(51)의 중앙부를 가로지르는 가상의 선으로 부터 소정거리 이격됨과 아울러 그 가상의 선을 중심으로 중앙부가 넓은 대칭형 요철구조를 가지는 압전 커패시터를 형성한다.

그 다음, 도9e에 도시한 바와 같이 상기 지지층(52)을 패터닝하여 두 압전 커패시터 각각에 의해 구동되어지는 두 캔틸레버(C1~C4) 패턴을 형성함과 아울러 상기 미소거울을 지지하는 미소거울 지지부(D)를 형성한다.

그 다음, 상기 미소거울 지지부(D)의 중앙 상부에 리프트 오프법을 사용하여 Al 미소거울(도면 미도시)을 형성한다.

그 다음, 도9f에 도시한 바와 같이 상기 미소거울 지지부(D)와 캔틸레버(C1~C4)를 연결하는 연결부(57)를 형성한다. 이때의 연결부는 폴리이미드를 스핀 코팅한 후, 경화하고 패터닝하여 상기 미소거울 지지부(D)와 캔틸레버(C1~C4)를 연결하는 연결부(57)를 형성한다.

그 다음, 상기 절연층(58),(59)에 의해 둘러 쌓인 기판(51) 영역을 XeF₂가스를 사용하여 선택적으로 식각한다.

상기 XeF₂가스를 사용하는 이유는 실리콘의 식각시 식각선택성이 매우 우수하며, 식각속도도 빠르고 플라즈마에 의한 식각손상이 거의 없어 상기 기판(51)의 식각에 적합하다.

그 다음, 도10은 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울의 다른 실시예의 평면도이고, 도11은 도10에 있어서, A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 중앙부가 천공된 기판(101)과; 상기 기판(101)의 상부면과 하부면에 위치하는 지지층(102)과; 상기 기판(101)의 천공부 중앙에 위치하는 미소거울 지지부(103)와; 상기 미소거울 지지부(103)의 중앙상부에 위치하는 미소거울(104)과; 상기 미소거울 지지부(103) 양끝단의 좌우측에 각각 연결부(105)를 통해 연결되어 그 미소거울 지지부(103)를 평면상의 세로축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 4개의 캔틸레버(C1,C1*,C2,C2*)와; 중앙이 사각형의 천공이 형성된 사각형 패턴을 나타내며, 상기 캔틸레버(C1, C2)를 지지함과 아울러 상기 미소거울 지지부(103)의 상하부와는 힌지(H1, H2)를 통해 연결되고, 그 좌우 패턴의 외측으로 돌출부를 가지는 구동부인 짐벌(GIMBAL, 106)과; 상기 기판(101)의 상부측에 위치하는 지지층(102)으로 부터 돌출된 형상을 가지며, 상기 짐벌(106)의 돌출영역 좌우측에 각각 연결부(107)를 통해 연결되어 상기 짐벌(106)을 평면상의 가로축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키는 캔틸레버(C3,C3*,C4,C4*)와; 상기 캔틸레버(C1,C1*,C2,C2*)와 기판(101)의 상부측에 위치하는 지지층(102) 상의 패드(PAD1,PAD2)를 연결하는 힌지(H3, H4)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 다른 실시예를 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 상기 기판(101)은 다른 소자와의 집적을 위해 실리콘 또는 갈륨비소 기판을 사용하며, 상기의 제조공정에서 알 수 있듯이 모든 공정이 완료된 후, 그 기판(101)의 저면으로 부터 식각하여 기판(101)의 주변부만 잔존시키는 패턴을 형성한다.

그리고, 상기 기판(101) 상에 위치하는 지지층(102)은 저응력 질화막 또는 산화막/질화막/산화막의 적층구조이며, 기판(101)의 전면에 증착한 후 패터닝하여 상기 캔틸레버(C1~C4)의 지지층, 짐벌(106), 미소거울 지지부(103)를 형성함과 아울러 상기 기판(101)의 상부측에 잔류하는 지지층(102)을 형성한다.

상기 캔틸레버(C1~C4)는 상기 지지층(102)의 상부측에 금속, 압전층, 금속이 적층된 구조를 가지며, 각각 상기 기판(101) 상에 위치하는 지지층(102)의 상부에 위치하는 패드(PAD1~PAD4)와 연결되어 전압을 인가받게 된다.

이와 같이 캔틸레버(C1~C4,C1*~C4*)는 선택적으로 구동되어지며, 그 캔틸레버(C1~C4)의 구동에 따라 연결부(105),(107)를 통해 연결되어진 미소거울 지지부(103) 또는 짐벌(106)이 구동되어 상기 미소거울(104)을 두 축을 중심으로 하는 4개의 방향으로 회전시키게 된다.

이때 캔틸레버(C1~C4,C1*~C4*)는 선택된 한쌍이 구동할 수도 있고, 미소거울 지지부(103)를 구동하는 캔틸레버(C1,C1*,C2,C2*) 중 선택된 한쌍과, 짐벌(106)을 구동하는 캔틸레버(C3,C3*,C4,C4*) 중 선택된 한쌍이 함께 구동할 수 있다.

이와 같은 선택적 구동에 의해 상기 미소거울(104)은 전 방향에 대한 회전이가능하며, 이에 따라 미소거울(104)의 사용효율을 보다 증가시킬 수 있게 된다.

상기 연결부(105, 107)는 상기 본 발명의 일실시예에서 설명에서와 같이 저탄성계수를 가지는 폴리이미드를 사용하여, 인장응력에 대한 강성을 높이고 미소거울의 복원력을 증가시킨다.

이와 같은 2축 자유도를 가지는 미소거울의 제조방법은 상기 설명한 제1실시예의 제조방법과 동일한 과정을 통해 제조할 수 있으며, 단지 패턴의 수가 늘어난다는 차이가 있을 뿐이다.

상기 2축 자유도를 가지는 본 발명 광스위치용 압전구동형 미소거울은 상기와 같이 미소거울을 X축과 Y축을 중심으로 각각 시계방향과 반시계방향으로 회전이 가능하도록 함으로써, 광스위치에 적용할때 스위칭 선택도를 높이며, 그 사용효율을 증가시키게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 압전구동방식을 사용하여 사용전압을 낮춰 소비전력을 절감함과 아울러 다른 소자와의 집적이 가능하도록 하고, 그 압전구동 캔틸레버를 미소거울의 양측면에 위치시키고, 그 미소거울 지지대와 캔틸레버를 폴리이미드를 사용하여 연결함으로써, 시계방향 및 반시계방향, 양 방향으로 미소거울을 구동시킴이 가능함과 아울러 그 미소거울의 구동각도를 증가시키는 효과가 있으며, 또한, 상기 캔틸레버를 미소거울 지지대를 구동하는 캔틸레버와, 그 캔틸레버를 포함하는 짐벌을 구동시키는 캔틸레버를 포함하여 구성함으로써, 2축 자유도를 가지는 미소거울 구동방식을 실현하여 그 미소거울의 사용효율을 증대시킴과 아울러 미소거울의 응용분야를 보다 확대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
미소거울이 중앙부에 실장되는 미소거울 지지부와, 상기 미소거울 지지부의 양끝단 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 전압의 인가에 따라 상기 미소거울 지지부를 제1축을 기준으로 구동하는 복수의 제1캔틸레버와, 상기 복수의 제1캔틸레버를 지지함과 아울러 대응하는 양측면 중앙의 외측으로 돌출부를 가지는 지지부를 구비하는 구동부인 짐벌(GIMBAL)과; 상기 짐벌의 지지부의 돌출부의 좌우측과는 탄성계수가 낮은 연결부를 통해 연결되며, 상기 짐벌을 상기 제1축과는 수직으로 교차하는 제2축을 기준으로 구동하는 복수의 제2캔틸레버를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울.
제 2항에 있어서, 상기 연결부는 폴리이미드(POLYIMIDE)인 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울.
제2항에 있어서, 상기 미소거울 지지부는 중앙부에 미소거울이 실장되는 크기의 실장 패턴과, 그 실장 패턴의 양측면으로 부터 돌출되어 상기 캔틸레버와 연결되는 연결 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전 구동형 미소거울.
제 2항에 있어서, 상기 캔틸레버는 상기 미소거울 지지부 또는 구동부에 포함된 지지층의 돌출부와 연결되는 지지층과, 그 지지층의 상부일부에 위치하는 하부전극, 압전층, 상부전극의 적층구조로 이루어지는 압전 커패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울.
제 2항에 있어서, 상기 연결부는 그 탄성계수가 더욱 낮아지도록 상기 캔틸레버와 미소거울 지지부 또는 캔틸레버와 지지층의 돌출부의 전면을 연결하지 않고, 일부만을 연결하는 얇은 막대의 형상을 가지며, 그 얇은 막대 형상의 연결부를 복수로 사용하여 구성된 것을 특징으로 하는 광 스위치용 압전구동형 미소거울.
제 2항에 있어서, 상기 제2캔틸레버의 측면에 위치하여 그 제2캔틸레버에 전압을 공급하는 복수의 패드와, 힌지(HINGE)를 통해 상기 구동부 내에 위치하는 제1캔틸레버에 전압을 공급하는 복수의 패드를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울.
기판의 상하부에 지지층을 형성하는 단계; 상기 기판의 상부측에 위치하는 지지층의 상부전면에 금속, 유전막, 금속을 순차적으로 증착하고 패터닝하여 하부전극, 압전층, 상부전극으로 이루어지는 서로 독립적인 복수의 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 지지층을 패터닝하여 두 압전 커패시터 각각에 의해 구동되어지는 복수의 캔틸레버 패턴을 형성함과 아울러 미소거울을 지지하는 미소거울 지지부를 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부에 저탄성계수 특성을 가지는 박막을 코팅하고, 패터닝하여 연결부를 형성하는 단계와; 리프트 오프(LIFT OFF) 법을 사용하여 상기 두 압전 커패시터가 이루는 영역의 중앙부에 상기 미소거울을 형성하는 단계와; 상기 기판의 저면에 위치하는 지지층의 중앙부를 식각하여 기판을 노출시키고, 그 노출되는 기판을 식각하여 상기 기판의 상부에 증착된 지지층의 저면을 노출시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.
절연층 삽입(SILICON ON INSULATOR) 기판의 주변부 상부일부를 식각하여 그 하부의 제1절연층을 노출시키는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 절연막을 증착하여, 상기 기판의 식각영역에 제2절연층을 매립시키는 단계와; 상기 제2절연층을 평탄화하여 상기 기판의 상부면을 노출시키는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 지지층을 형성하고, 그 지지층의 상부일부에 하부전극, 압전층, 상부전극을 순차적으로 형성하고, 패터닝하여 압전 커패시터를 형성하는 단계와; 상기 지지층을 패터닝하여 두 압전 커패시터 각각에 의해 구동되어지는 복수의 캔틸레버 패턴을 형성함과 아울러 미소거울을 지지하는 미소거울 지지부를 형성하는 단계와; 그 구조의 상부전면에 저탄성계수 박막을 코팅한 후 패터닝하여 상기 미소거울 지지부와 캔틸레버를 연결하는 연결부를 형성한 후, 상기 미소거울 지지부의 중앙 상부에 미소거울을 형성하는 단계와; 상기 제1 및 제2절연층과 지지층에 의해 둘러 쌓인 기판 영역을 선택적으로 식각하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.
제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 저탄성계수 박막은 폴리이미드를 스핀코팅법으로 코팅하고, 열처리를 통해 경화하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.
제 8항 또는 제 9항에 있어서, 캔틸레버는 그 하부전극으로 Ti와 Pt의 적층구조 또는, Ta와 Pt의 적층 구조 또는 RuO₂, IrO₂중 선택된 하나를 사용하며, 압전층으로 PZT를 사용하고, 상부전극으로 RuO₂, Pt 또는 IrO₂중 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 기판을 식각하는 방법은 이방성 식각용액인 KOH, EDP(ethylene diamine pyrocatechol) 또는 TMAH(tetramethyl ammonoium hydroxide)중 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 기판을 식각하는 단계는 XeF₂가스를 사용하여 식각하는 것을 특징으로 하는 광스위치용 압전구동형 미소거울 제조방법.