KR100596320B1 - Optical switching device using a micro piezoelectric actuator and method for fabricating same - Google Patents
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Abstract
광 스위치 소자는 미러, x축 상에서 미러의 기울임 각도를 조절하는 제 1 및 제 2 액츄에이터, y축 상에서 제 1 및 제 2 액츄에이터의 기울임 각도를 조절하는 제 3 및 제 4 액츄에이터, 제 1 및 제 2 액츄에이터를 지지하는 짐벌, 액츄에이터에 구동 신호를 인가하는 구동 기판을 포함한다. 짐벌은 그 길이 방향으로 적어도 하나의 홈 또는 스텝을 포함하여 압전층이 수축되기나 팽창될 때 짐벌이 휘는 것을 방지한다. 또한, 미러의 하부에는 미러가 액츄에이터에 의해 기울어질 때 미러의 평탄도를 유지하기 위한 적어도 하나의 홈 또는 스텝이 형성되어 있다. 미러의 하부에 홈이 형성되기 때문에, 미러 전체의 표면이 광 신호를 반사하는데 사용될 수 있다.
The optical switch element comprises a mirror, first and second actuators for adjusting the tilt angle of the mirror on the x axis, third and fourth actuators for adjusting the tilt angle of the first and second actuators on the y axis, and the first and second actuators. A gimbal for supporting the actuator, and a driving substrate for applying a drive signal to the actuator. The gimbal includes at least one groove or step in its longitudinal direction to prevent the gimbal from bending when the piezoelectric layer is contracted or expanded. In addition, at least one groove or step is formed in the lower portion of the mirror to maintain the flatness of the mirror when the mirror is inclined by the actuator. Since grooves are formed in the lower part of the mirror, the entire surface of the mirror can be used to reflect the optical signal.
Description
발명의 속하는 기술 분야TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 마이크로 압전 액츄에이터을 이용한 광 스위칭 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 단차 구조의 홈 내에 폴리실리콘을 증착한 후 폴리싱 공정을 수행함으로써 후속 증착 공정 및 식각 공정을 용이하게 수행할 수 있으며, 안정적인 구조를 갖는 광 스위칭 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switching device using a micro piezoelectric actuator and a method of manufacturing the same. In particular, a deposition process is performed after depositing polysilicon in a groove of a stepped structure, thereby easily performing subsequent deposition and etching processes, and A method of manufacturing an optical switching device having a structure.
종래의 기술Conventional technology
광통신 시스템에서 사용되는 스위칭 소자는 통신 시스템의 최대 전송 용량을 결정하는 중요한 요소이다. 최근에는, 광통신 시스템에서 스위칭 소자의 소형화 및 스위칭 용량의 증가를 위해서 광 스위치(optical switch)가 널리 사용되고 있다. 특히, MEMS (micro electro-mechanical system) 기술을 사용하여 제어되는 마이크로 미러(micro mirror)를 이용한 스위칭 기술이 인기를 얻고 있다.Switching elements used in optical communication systems are an important factor in determining the maximum transmission capacity of a communication system. Recently, optical switches have been widely used for miniaturizing switching elements and increasing switching capacities in optical communication systems. In particular, a switching technology using a micro mirror controlled using a micro electro-mechanical system (MEMS) technology is gaining popularity.
MEMS는 반도체 공정 기술로부터 발전된 3-D 마이크로구조(microstructure) 제조 기술을 의미하는 것으로, 특히, 기계적인 구조를 마이크론(micron) 또는 나노(nano) 크기를 갖도록 제조하는데 사용된다. MEMS 기술을 이용하여 제작되는 광 스위치는 광 채널 스위칭 방법에 따라 기술적으로 두 가지 종류로 나누어진다. 즉, 그들 중에 하나는 마이크로 미러(micro mirror)를 이용한 형태이고, 나머지 하나는 서로 다른 굴절률을 갖는 마이크로 유체(micro fluid)를 이용한 형태이다.MEMS stands for 3-D microstructure fabrication technology, developed from semiconductor process technology, and is particularly used to fabricate mechanical structures with micron or nano size. Optical switches manufactured using MEMS technology are technically divided into two types according to the optical channel switching method. That is, one of them is in the form using a micro mirror, and the other is in the form using micro fluid having different refractive indices.
마이크로 미러를 이용한 광 스위치는 다시 2차원적인 어레이를 갖는 2D 평면 스위치(2D planar switch)와 3차원 어레이를 갖는 3D 자유공간 스위치(3D free-spatial switch)로 나뉜다. 2D 평면 스위치는 광섬유를 용이하게 배열할 수 있으며, on-off 동작 형태의 미러를 이용하여 그 구조가 단순하다는 장점 등이 있지만, 스위치 내에 많은 수(예를 들어, 32X32 또는 그 이상)의 포트(port)를 내장하기에 어려움이 있다. 따라서, Tbps 수준의 용량을 요구하는 백본 네트워크(backbone network)에 사용하기에는 더 큰 확장성을 갖는 3D 스위치가 더욱 적절하다.Optical switches using micro mirrors are further divided into 2D planar switches having a two-dimensional array and 3D free-spatial switches having a three-dimensional array. The 2D planar switch can easily arrange the optical fiber and has a simple structure by using an on-off mirror, but a large number of ports (for example, 32 × 32 or more) in the switch ( Difficult to embed port) Thus, 3D switches with greater scalability are more suitable for use in backbone networks that require Tbps level capacity.
일반적으로, 상술한 광 스위치와 같은 마이크로 소자(micro device)에 사용되는 액츄에이터(actuator)는 정전기력(electrostatic force)에 의해 구동된다. 하지만, 정전기력을 이용한 액츄에이터는 구동 전압의 증가를 수반하며 비선형적 특성을 갖는다는 단점이 있다. 또한, 기판에 부착된 마이크로 미러의 풀인 현상(pull-in phenomenon)이 발생되는 문제점이 있으며, 두 개의 구동축, 즉 x축 및 y축에 대하여 마이크로 미러를 회전하여 광 채널을 정밀하게 제어하거나 미러의 위치변화를 크게 하는데 어려움이 있다.In general, actuators used in micro devices, such as the optical switches described above, are driven by electrostatic forces. However, the actuator using the electrostatic force has a disadvantage in that it has an increase in driving voltage and has a nonlinear characteristic. In addition, there is a problem that a pull-in phenomenon of the micromirror attached to the substrate occurs, and the optical mirror is precisely controlled by rotating the micromirror about two driving axes, that is, the x and y axes. Difficult to increase the position change.
따라서, 미러의 위치변화를 크게 하기 위하여 제안된 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위치 소자 및 그 제조 방법이 PCT공개공보 WO03/089957호에 개시되어 있다. 도 1은 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광스위치 소자의 예를 도시한다. Therefore, an optical switch element using a proposed micro piezoelectric actuator and a method for manufacturing the same are disclosed in PCT Publication WO03 / 089957. 1 shows an example of an optical switch element using a micro piezo actuator.
도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 압전층(piezoelectric layer)(65)을 구동하여 x축을 중심으로 마이크로 미러(90)를 회전할 때, 압전층(65)의 수축 또는 확장할 때 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)을 지지하고 있는 짐벌(160)이 함께 휘어질 수 있다. 이 경우에, 짐벌(160)의 형태 변화가 짐벌(160)에 연결된 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)에 전달되어 이것이 결국 미러(90)의 y축 상의 움직임을 유발하게 된다. 따라서, 미러(90)의 x축 및 y축 상에서 각각 독립적인 움직임을 제어하는 것이 어려워지게 된다.As shown in FIG. 1, for example, when driving the
따라서, 이러한 마이크로 미러(90)의 x축 상의 움직임과 y축 상의 움직임 사이의 커플링을 방지하기 위하여, 짐벌(160) 상에 길이 방향의 홈(75)을 형성하거나 짐벌(160)이 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)에 연결된 부분에 다른 홈(70)을 형성하기도 한다. 이렇게 함으로써, 짐벌(160)은 예를 들어 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)의 y축 상의 움직임에 영향을 주지 않고 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 x축 상의 움직임을 미러(90)에 정확히 전달할 수 있게 된다.Therefore, in order to prevent the coupling between the movement on the x-axis and the movement on the y-axis of the
이와 같이, 짐벌(160) 등에 홈 또는 단차를 형성하기 위해서는, 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위치 소자의 제조 공정의 초기에 반도체 기판 위에 형성된 구동 기판 상에 건식 또는 습식 에칭 공정을 이용하여 단차를 형성하고, 단차가 형성된 구동 기판 위에 탄성층(membrane layer), 하부 전극층(bottom electrode layer), 압전 물질층(piezoelectric material layer), 상부 전극층(top electrode layer)을 증착하고 패터닝하여 압전 액츄에이터를 형성하게 된다.As such, in order to form the groove or the step in the
그러나, 단차가 형성된 구동 기판 상에, 예를 들어, SiNx로 구성된 탄성층 및 하부 전극층이 증착되어 단차의 형상이 계속 유지된 상태에서 스핀 방법을 사용하여 압전 물질층을 형성하면, 단차 형상에 의해 압전 물질층이 균일하게 형성되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, SiNx의 경우에 응력이 크고 막의 두께가 비교적 얇으므로 (일반적으로 1 um 이내), 최종 형성되는 액츄에이터의 평탄도를 높이기 위해서는 SiNx의 탄성층과 이후 증착되는 막의 응력들 간의 균형을 맞춰야 하기 때문에, 전체적인 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있다.However, when the piezoelectric material layer is formed using the spin method while the elastic layer and the lower electrode layer made of, for example, SiNx are deposited and the shape of the step is maintained on the drive substrate on which the step is formed, the step shape There may be a problem that the piezoelectric material layer may not be uniformly formed. In addition, in the case of SiNx, since the stress is large and the film thickness is relatively thin (typically within 1 um), in order to increase the flatness of the final actuator, it is necessary to balance the stresses of the elastic layer of SiNx with the film deposited thereafter. However, there is a problem that the overall manufacturing process is complicated.
또한, 광 스위치 소자에 있어서, 액츄에이터에 연결된 미러가 액츄에이터에 의해 움직이는 경우에 미러의 평탄도를 유지하기 위해서 미러의 표면 상에 스텝 또는 홈을 형성하기도 한다. 그러나, 이 경우에는 미러의 표면 상에서 빛이 반사되는 영역을 제한하는 문제점이 발생한다.Further, in the optical switch element, a step or groove may be formed on the surface of the mirror in order to maintain the flatness of the mirror when the mirror connected to the actuator is moved by the actuator. However, in this case, a problem arises that limits the area where light is reflected on the surface of the mirror.
발명의 개요Summary of the Invention
따라서, 본 발명은, 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광 스위치의 제조 공정에 있어서 광 스위치의 구조를 안정적으로 형성하며, 액츄에이터의 2축 움직임의 커플현상을 방지하고 미러의 평탄도를 유지하기 위한 홈 또는 단차 형성 공정 후의 증착 공정을 용이하게 하는 광 스위치 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems of the prior art, to stably form the structure of the optical switch in the manufacturing process of the optical switch, to prevent the couple phenomenon of the biaxial movement of the actuator and to the flatness of the mirror It is an object of the present invention to provide an optical switch and a method of manufacturing the same that facilitate the deposition process after the groove or step forming process for maintaining the pressure.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 제 1, 제 2,제 3 및 제 4 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위칭 소자를 제조하는 방법에 있어서, 구동 신호를 생성하는 구동 회로를 포함하는 구동 기판을 형성하는 단계, 상기 구동 기판 상에 상기 광 스위칭 소자 및 미러의 평탄도를 유지하기 위한 홈을 형성하는 단계, 상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 증착하는 단계, 상기 홈에 의해 상기 보호층 상에 형성된 단차형상이 매립되도록 폴리실리콘층을 증착하는 단계, 상기 증착된 폴리실리콘층의 표면을 평탄화하는 단계, 상기 폴리실리콘층 상에 절연막을 증착하는 단계, 상기 절연막 상에 압전소자층을 형성하는 단계, 상기 압전소자층 및 절연막을 에칭하여 상기 액츄에이터 각각의 압전층을 형성하는 단계, 상기 절연막을 패터닝하여 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터의 사이에 위치한 미러 지지층, 상기 액츄에이터 각각의 멤브레인 및 연결부, 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터를 지지하는 짐벌, 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터를 상기 미러 지지영역에 연결하기 위한 제 1 및 제 2 전송부, 상기 제 3 및 제 4 액츄에이터를 상기 짐벌이 연결하기 위한 제 3 및 제 4 전송부를 형성하는 단계, 상기 미러 지지영역 위에 미러를 증착하는 단계, 상기 광 스위칭 소자 위에 패시베이션층을 형성하는 단계, 상기 미러 및 액츄에이터의 하부면에 대응하는 상기 구동 기판의 일부분을 제거하는 단계, 상기 패시베이션층 및 보호층을 제거하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.According to the present invention for achieving the object of the present invention, a method for manufacturing an optical switching element using the first, second, third and fourth micro piezoelectric actuator, comprising a driving circuit for generating a drive signal Forming a driving substrate, forming a groove on the driving substrate to maintain flatness of the optical switching element and the mirror, depositing a protective layer on an upper surface of the driving substrate, by the groove Depositing a polysilicon layer so as to fill the stepped shape formed on the protective layer, planarizing a surface of the deposited polysilicon layer, depositing an insulating film on the polysilicon layer, a piezoelectric element layer on the insulating film Forming a piezoelectric layer of each of the actuators by etching the piezoelectric element layer and the insulating film, and patterning the insulating film. A mirror support layer positioned between the first and second actuators, a membrane and a connection portion of each of the actuators, a gimbal supporting the first and second actuators, and connecting the first and second actuators to the mirror support region. Forming first and second transmitters for the first and second transmitters, and third and fourth transmitters for the gimbal to connect the third and fourth actuators, depositing a mirror over the mirror support area, on the optical switching element Forming a passivation layer, removing a portion of the drive substrate corresponding to the bottom surface of the mirror and actuator, and removing the passivation layer and the protective layer.
도면에 대한 간단한 설명Brief description of the drawings
전술한 본 발명의 목적과 다른 목적 및 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 기재된 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.The above and other objects and features of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention described with reference to the accompanying drawings.
도 1A는 종래기술에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위칭소자의 사시도이다.1A is a perspective view of an optical switching element using a micro piezoelectric actuator according to the prior art.
도 1B 내지 도 1D는 도 1A에 도시된 마이크로 압전 액츄에이터의 주요부분(210, 220, 230)을 확대한 도면이다.
1B to 1D are enlarged views of
도 2A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위칭 소자의 사시도이다2A is a perspective view of an optical switching element using a micro piezo actuator according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2B 내지 도 2D는 도 2A에 도시된 마이크로 압전 액츄에이터의 주요부분(310, 320, 330)을 확대한 도면이다.2B through 2D are enlarged views of the
도 3A은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광스위칭 소자의 사시도이다.3A is a perspective view of an optical switching element using a micro piezoelectric actuator according to another preferred embodiment of the present invention.
도 3B 내지 도 3D는 도 3A에 도시된 마이크로 압전 액츄에이터의 주요부분(410, 420, 430)을 확대한 도면이다.3B-3D are enlarged views of the
도 4는 도 2A에 도시된 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위칭 소자의 평면도이다.4 is a plan view of an optical switching element using the micro piezoelectric actuator shown in FIG. 2A.
도 5A 내지 도 5K는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광스위칭 소자의 제조 방법의 각 공정을 도시한다.5A to 5K show each process of the method of manufacturing the optical switching element using the micro piezoelectric actuator according to the preferred embodiment of the present invention.
발명의 최선의 실시예Best Mode of Invention
도 2A는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 액츄에이터를 이용한 광 스위치 소자의 사시도를 도시한다. 또한, 도 2B 내지 도 2D는 도 2A에 도시된 마이크로 압전 액츄에이터의 주요부분(310, 320, 330)을 확대한 도면이다.Figure 2A shows a perspective view of an optical switch element using a micro actuator according to a preferred embodiment of the present invention. 2B to 2D are enlarged views of
도 2A를 참조하면, 광 스위치 소자는 미러(90), x축 상에서의 미러(90)의 기울임(tilting) 각도를 조절하는 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61), 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 기울임 각도를 조정함으로써 y축 상에서의 미러(90)의 기울임 각도를 조절하는 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)를 포함한다. 광 스위치 소 자의 액츄에이터(60, 61, 260, 261) 각각은 직선의 형태로 구현되어 있다.2A, the optical switch element includes a
제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61) 각각은 제 1 멤브레인(membrane)(60a), 제 2 멤브레인(60b), 제 1 멤브레인(60a) 및 제 2 멤브레인(60b) 중의 적어도 하나에 형성된 압전층(piezoelectric layer)(65), 제 1 멤브레인(60a) 및 제 2 멤브레인(60b)의 사이에 연결된 연결부(22)를 포함한다. 또한, 연결부(22)는 두 개의 탄성체(22b)와 이들 사이에 연결된 연결부재(22a)를 구비한다. 여기서, 각 탄성체(22b)의 일 단말에는 멤브레인(60a 또는 60b)이 연결되어 있다.Each of the first and
도 2B 및 도 2C에서 각 탄성체(22b)는 지그재그(zigzag) 형태를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 탄성체(22b)의 형태는 다르게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 3B 및 도 3C에 도시된 바와 같이, 연결부(22')의 탄성체(22b')는 수직방향으로 접힌 형태의 스프링을 이용하여 구현할 수도 있다.2B and 2C, each
도 2A에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 각 연결부(22)는 미러(90)를 중심으로 서로 반대방향에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 각 연결부(22)는 전송부(30)를 통하여 미러(90)에 연결되어, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)는 x축 상에서의 미러(90)의 기울임 각도를 조절할 수 있다.As shown in FIG. 2A, the respective connecting
한편, 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261) 각각은 제 3 멤브레인 (260a), 제 4 멤브레인(260b), 제 3 멤브레인(260a) 및 제 4 멤브레인(260b) 중의 적어도 하나에 형성된 압전층(265), 제 3 멤브레인(260a) 및 제 4 멤브레인(260b)의 사이에 연결된 연결부(42)를 포함한다. 또한, 연결부(42)는 두 개의 탄성체(42b)와 이들 사이에 연결된 연결부재(42a)를 구비한다. 여기서, 각 탄성체(42b)의 일 단말에는 멤 브레인(260a 또는 260b)이 연결되어 있다.Each of the third and
도 2B 및 도 2C에서 각 탄성체(42b)는 지그재그 형 태를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 탄성체(42b)의 형태는 다르게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 3B 및 도 3C에 도시된 바와 같이, 연결부(42')의 탄성체(42b')는 수직방향으로 접힌 형태의 스프링을 이용하여 구현할 수도 있다.2B and 2C, each
도 2A에 도시된 바와 같이, 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)의 각 연결부(42)는 미러(90)를 중심으로 서로 반대방향에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 연결부(42)는, 예를 들어 미러(90)를 중심으로 서로 반대 방향에 위치한 연결부들(42)의 사이에 그려진 가상의 직선이, 마찬가지로 미러(90)를 중심으로 서로 반대 방향에 위치한 연결부들(22)의 사이에 그려진 가상선과 직교하도록 위치하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 2A, the connecting
각 연결부(42)는 전송부(52)를 통하여 짐벌(160)에 연결되어, 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)가 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 경사각을 조절할 수 있게 해주며, 이로 인해 미러(90)의 기울어짐의 제어가 가능하게 된다.Each connecting
도 2D에 도시된 바와 같이, 짐벌(160)은 길이 방향으로 홈(groove) 또는 스텝(step)(75)을 갖도록 구성될 수 있다. 홈(75)은 압전층(65)이 구동 신호에 응납하여 수축되거나 팽창할 때 짐벌(160)이 휘어지는 것을 방지하는 역할을 한다. 만약 압전층(65)이 수축하거나 팽창할 때 짐벌(160)이 휘어지면, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 기울어짐이 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)에 전달될 수 있으며, 이로 인해 미러의 x축 상의 움직임을 y축 상의 움짐임과 독립적으로 제어하 는 것이 어려워지게 된다. 마찬가지로, 짐벌(160)에 또 다른 홈(70)을 형성하여 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 x축 상의 움직임에 영향을 주지않고, 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)의 y축 상의 움직임, 즉, 기울어짐을 미러(90)에 정확히 전달할 수 있게 된다.As shown in FIG. 2D,
짐벌(160)에 형성된 홈(70, 75)은 외부에서 보이지 않도록 짐벌(160) 내부에 형성된다. 즉, 짐벌(160)은 여러 개의 층을 증착한 구조를 가지며, 이러한 다층 구조의 짐벌(160)은 다층 구조의 하부의 층에 형성된 홈(70, 75)을 예를 들어 폴리실리콘으로 채운 후에 그 폴리실리콘의 표면을 화학기계적 폴리싱(CMP: chemical mechanical polishsing) 처리하고, 평탄화된 폴리실리콘의 층 위에 적어도 하나 이상의 층을 증착함으로써 형성될 수 있다.The
한편, 각 압전층(65, 265)은 상위 전극(top electrode), 하부 전극(bottom electrode) 및 상위 전극과 하부 전극의 사이에 위치한 압전물질층을 포함한다. 압전물질층은 예를 들어, PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3 또는 LiTaO3을 포함한다. 또한, 상위 및 하부 전극은 도전 물질로 만들어진다. 즉, 상위 전극은 예를 들어 Al, Ru, Au, Ag, or RuO2. PT 등을 포함하며, 하부 전극은 높은 전도성을 갖는 예를 들어 Ru 또는 Ru , PT, Ta 등을 포함한다. 상위 및 하부 전극은 전극 브리지(270, 271)을 통하여 (도시되지 않은) 구동회로에 연결된다.On the other hand, each of the
도 2A에 도시된 바와 같이, 미러(90)는 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 사이에 위치한다. 미러(90)는 바람직하게는 높은 반사특성(reflexibility)을 갖는 금속, 예를 들어, Au 또는 Pt로 형성될 수 있다. 미러(90)의 하부에는 앞서 기술한 절연층 및/또는 압전층을 포함하는 미러 지지층이 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2A, the
도 2A 및 도 3A에 있어서, 미러(90)는 원의 형상을 갖고 있는 것으로 도시되어 있으나, 미러(90)의 형태는 사각 또는 다른 형태의 다각형일 수 있다.2A and 3A, the
한편, 미러(90)가 액츄에이터의 의해 기울어질 때 미러(90) 자체의 평탄도(flatness) 및 반사도(reflexibility)를 유지하기 위한 적어도 하나 이상의 홈 또는 단차(91)를 형성할 수 있다. 이 경우, 미러(90)에 형성된 홈(91)은 외부에서 보이지 않도록 미러(90)의 하부에 형성된다. 즉, 미러(90)는 여러 개의 층을 증착한 구조를 가지며, 이러한 다층 구조의 미러(90)는 다층 구조의 하부의 층에 형성된 홈(91)을 폴리실리콘으로 채운 후에 그 폴리실리콘의 표면을 화학기계적 폴리싱(CMP: chemical mechanical polishsing) 처리하고, 평탄화된 폴리실리콘의 층위에 적어도 하나 이상의 층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 이렇게 함으로써 미러(90)의 평탄도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 미러(90)의 표면 상에 홈을 형성함으로 인해 미러(90)의 반사도 또는 반사영역을 제한하는 문제점을 해결할 수 있다.On the other hand, at least one groove or step 91 may be formed to maintain the flatness and reflexibility of the
이하에서는, 도 2A 내지 도 3D 및 도 3A 내지 도 3D를 참조하여 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 포함하는 광 스위치 소자를 제조하는 방법에 관하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an optical switch device including a micro piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 2A to 3D and 3A to 3D will be described.
도 5A 내지 도 5K는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위치 소자를 제조하는 방법의 각 공정을 순서대로 도시한다. 도 5A 내지 도 5K에 도시된 단면도는 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 스위치 소자의 A-A'선을 따른 단면의 모방을 나타낸 것이다. 설명의 편의를 위해서, 도 5A 내지 도 5K에 있어서는 광 스위치 소자의 일부 구성요소를 축척에 의하지 않고 도시한다.5A to 5K illustrate each step of the method of manufacturing the optical switch element using the micro piezoelectric actuator according to the preferred embodiment of the present invention. 5A to 5K are views of the cross section along the line A-A 'of the optical switch device according to the preferred embodiment of the present invention as shown in FIG. For convenience of explanation, in Figs. 5A to 5K, some components of the optical switch element are shown not to scale.
먼저, 도 5A에 도시된 바와 같이, 구동 신호를 생성하는 구동 회로를 포함하는 구동 기판(2)을 반도체 기판(도시하지 않음) 위에 형성한다. 그리고, 건식 또는 습식 에칭을 통하여 구동 기판(2) 상에 홈을 형성한다. 구동 기판(2)에 형성되는 홈은 최종적으로 형성되는 광 스위치 소자에 있어서 짐벌 및 미러의 하부 또는 내부에 형성되는 홈 또는 스텝이 된다. 구동 기판(2) 상에 형성되는 홈에 의해서 본 발명의 광스위치 소자는 액츄에이터의 수축 및 팽창에 영향을 받지 않고 평탄도를 유지할 수 있다.First, as shown in FIG. 5A, a driving
도 5B에 도시된 바와 같이, 구동 기판(2) 상에 보호층(protection layer)(4)을 증착한다. 보호층(4)은 구동 기판(2)이 후속 공정에서 손상되는 것을 막고, 구동기판(2)이 에칭될 때 보호층(4) 위에 증착된 층이 함께 에칭되는 것을 방지하는 기능을 한다. 보호층(4)은 예를 들어, SiO2 또는 SiNx을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 5B, a
다음으로, 도 5C에 도시된 바와 같이, 보호층(4) 위에 폴리실리콘층(199)을 형성한다. 이때 폴리실리콘층(199)은 다음과 같은 공정에 의해서 형성된다. 즉, 먼저, 폴리실리콘을 보호층(4) 위에 증착하고, 약 1000 도 이상에서 약 2 내지 3시간 정도 열처리를 하여 잔류응력을 제거한다. 이렇게 처리된 폴리실리콘에는 잔류응력 이 없기 때문에, 그 위에 후속 증착되는 다른 층 또는 막의 영향을 적게 받는다. 열처리된 폴리실리콘층(199)은 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 그 표면이 평탄화된다. 이러한 폴리실리콘층(199)의 표면의 평탄화에 의해서 후속 공정에서 증착되는 압전층 및 미러의 평탄도를 유지할 수 있다.Next, as shown in FIG. 5C, a
그리고, 폴리실리콘층(199) 위에, 절연층(200)(예를 들면, SiO2 또는 SiNx), 하부 전극층(202)(예를 들면, 백금층), 압전물질층(204)가 순서대로 증착된다. 여기서, 압전물질층(204)은 예를들어, PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO
3 또는 LiTaO3를 포함한다. 그리고, 압전물질층(204) 위에 상부 전극층(2(16)(예를 들어, 백금층)이 증착된다.상부 및 하부 전극층(206, 202) 그리고 압전물질층(204)은 압전소자층(piezoelectric device layer)을 구성한다.The insulating layer 200 (eg, SiO 2 or SiNx), the lower electrode layer 202 (eg, platinum layer), and the
다음으로, 도 5E 내지 도 5G에 도시된 바와 같이, 압전소자층을 에칭하여 압전소자층 중에서 요구되는 부분(압전 액츄에이터, 짐벌, 미러 등에 해당되는 부분)을 형성한다. 즉, 도 5G에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 압전층(65)이 절연층(200) 위에 형성된다. 또한, 미러의 주위를 둘러싸는 링패턴(92)를 절연층(200) 위에 형성한다. 도 5G에는 도시되지 않았으나, 제 3 및 제 4 액츄에이터의 압전층(265)이 절연층(200) 상에 형성된다.Next, as shown in Figs. 5E to 5G, the piezoelectric element layer is etched to form a required portion of the piezoelectric element layer (parts corresponding to piezoelectric actuators, gimbals, mirrors, and the like). That is, as shown in FIG. 5G,
도 5E 내지 도 5G에서 상부 전극층(206), 압전물질층(204) 및 하부 전극층(202)은 순차적으로 에칭되어 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 상부 전극층과 압전소자층은 마스크를 이용하여 1회의 공정으로 형성될 수도 있다.
5E to 5G, the
다음으로, 도 5H에 도시된 바와 같이, 절연층(200)이 에칭되어, 그 일부분이 제거된다. 즉, 절연층(200)이 패터닝되어 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)의 멤브레인(60a, 60b)이 형성된다. 또한, 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)의 멤브레인(260a, 260b)이 형성된다. 이 때, 멤브레인(60a, 60b) 및 연결부(22a)의 사이에 연결된 탄성체(22b)(도시되지 않음)가 또한 형성된다. 또한, 멤브레인(260a, 260b) 및 연결부(42a)의 사이에 연결된 탄성체(42b)(도시되지 않음)가 또한 형성된다.Next, as shown in FIG. 5H, the insulating
또한, 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)를 지지하는 짐벌(160)이 형성되어 전송부를 통하여 제 3 및 제 4 액츄에이터(260, 261)에 연결된다. 또한, 또 다른 전송부가 형성되어 제 1 및 제 2 액츄에이터(60, 61)를 미러에 연결한다. 도 5H에 도시된 바와 같이, 미러 지지영역(200a)은 절연층(200)이 에칭될 때 형성된다. 다음으로, 미러(90)가 미러 지지영역(200a) 위에 형성된다.In addition, a
도 5A를 참조하여 설명한 바와 같이, 미러 지지영역(200a)의 아래 부분, 즉, 구동 기판(2)에는 미러의 평탄도를 유지하기 위한 스텝이 이미 형성되어 있기 때문에, 광 스위치 소자에 있어서 미러의 기울어짐의 동작이 있는 경우에도 미러 자체의 평탄도를 유지할 수 있게 된다. 또한, 미러 자체가 아닌 그 하부에 스텝이 형성되어 있기 때문에, 미러 전체 표면을 반사영역으로 사용할 수 있는 장점이 있다.As described with reference to Fig. 5A, since the steps for maintaining the flatness of the mirror are already formed in the lower portion of the
도 5H에서, 미러 지지영역(200a)은 하나의 층, 즉, 절연층(200)의 일부분으로 이루어져 있지만, 도 5A 내지 도 5C에 도시된 에칭 공정에서, 미러가 증착될 부분을 에칭하지 않고, 미러 지지영역(200a)이 다층(200, 202, 204, 206)을 포함하도 록 구성할 수도 있다. 이 경우에, 미러(90)는 도 5H를 참조하여 설명한 것과 다른 방식을 이용하여 형성할 수도 있다. 즉, 미러(90)는 미러 지지영역(200a)의 전체 표면에 증착된 미러층을 패터닝하여 형성되거나, 미러 지지영역(200a) 상에서 미러(90)가 형성되는 부분을 제외한 부분에 마스크를 형성한 후에 미러(90)를 증착함으로써 형성될 수도 있다.In FIG. 5H, the
다음으로, 도 5H에 도시된 구조 위에 PR(Photo resist)층(도시되지 않음)이 형성된다. 그리고, 액츄에이터를 구동 회로의 패드에 연결하기 위한 전극 브리지(electrode bridge)를 형성하기 위한 현상 및, 금속 증착 공정을 수행한다.Next, a PR (photo resist) layer (not shown) is formed over the structure shown in FIG. 5H. In addition, development and metal deposition processes for forming an electrode bridge for connecting the actuator to the pad of the driving circuit are performed.
이어서, 도 5I에 도시된 바와 같이, 패시베이션층(passivation layer)(6)이 도 5H에 도시된 구조 위에 증착된다. 그리고 구동 기판(2)의 일부분이 선택적으로 제거되어 보호층(4)의 하부가 구개부(8)를 통하여 노출되도록 한다(도 5J 참조). 마지막으로, 도 5K에 도시된 바와 같이, 패시베이션층(6) 및 보호층(4)이 에칭된다. 이렇게 형성된 광 스위치 소자는 미러 및 액츄에이터의 하부가 노출되어 있기 때문에 미러 및 액츄에이터의 동작이 제한되지 않는 장점이 있다.Then, as shown in FIG. 5I, a
본 실시예에서, 압전 액츄에이터를 이용한 광 스위칭 소자에 관하여 설명하였지만, 본 실시예에 적용된 기술은 광 스캐너, 광 감쇄기, 광 어레이, 광 모터 등의 MEMS 소자에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광 스위칭 소자는 M x N 어레이의 광 스위칭 소자의 하나의 구성요소로도 사용될 수 있다.In the present embodiment, the optical switching element using the piezoelectric actuator has been described, but the technique applied to the present embodiment can also be applied to MEMS elements such as an optical scanner, an optical attenuator, an optical array, an optical motor, and the like. In addition, the optical switching element according to the present invention can also be used as one component of the optical switching element of the M x N array.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술하였지만, 이하 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 변형이 가능하다.Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, various modifications are possible without departing from the scope of the invention as set forth in the claims below.
Claims (8)
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