KR100697715B1 - 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광의 방향을 변화시키는 광 스케너나 동적 광 이득 보상기용으로 이용되는 동적 거울로 이용하기 위한 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이에 관한 것이다.

횡축으로 넓게 입사되는 분산된 빛을 시소 형태의 단결정 실리콘 면 구조를 이용하여 원하는 방향으로의 반사률을 높일 수 있도록 하였고, 거울간의 간격을 최소화하여 광의 손실을 최소화하였다. 시소 구조에서 거울의 기울어짐을 얻기 위한 구동원 부분 제작을 위하여 MEMS의 표면마이크로가공기술을 이용한 정전 구동형 캔틸레버를 제작하였고 SOI (silicon on insulator) 웨이퍼를 이용하여 물리적 특성이 좋고 조도가 우수한 단결정 실리콘면을 거울로 제작하였다. 특히 시소 구조를 이용함으로써 구동력을 발생시키는 면에서의 물리적 변형이 시소의 회전축을 중심으로 거울면에 영향을 주는 특징을 가지고 있다.

캔틸레버, 미소거울, SOI 웨이퍼, 시소구조거울,

Description

단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이 및 그 제조방법{Single Crystal silicon seesaw motion micro mirror array and mrthod thereof}

도 1은 본 발명에 따른 광 이득 보상용 단결정 실리콘 시소 거울 어레이의 구성도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 요부의 평면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 요부의 단면도이다.

도 3은 도 1의 평면도이다.

도 4는 도 1의 저면도이다.

도 5는 캔틸레버의 정전구동에 의한 실리콘 시소 거울의 동작 구현 모식도이다.

도 6은 캔틸레버의 정전구동에 의한 실리콘 시소 거울의 동작 구현 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 캔틸레버측 받침부(하측 실리콘부)

2 : 전극패드

3 : 실리콘산화막

4 : 다중 캔틸레버

5 : 거울부

6 : 거울부 받침부(하측 실리콘면)

7 : 상측 실리콘면

8 : 금속거울면

9 : 연결부

10 : 가이드부

11 : 회전스프링

본 발명은 광의 방향을 변화시키는 광 스케너나 동적 광 이득 보상기용으로 이용되는 동적 거울로 이용하기 위한 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이에 관한 것이다. 더 상세하게는 횡축으로 넓게 입사되는 분산된 빛을 시소 형태의 단결정 실리콘 면 구조를 이용하여 원하는 방향으로의 반사률을 높일 수 있도록 하고, 거울간의 간격을 최소화하여 광의 손실을 최소화한 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이에 관한 것이다.

MEMS 기술을 이용한 광 부품 중에는 미소 거울구조를 바탕으로 빛을 반사시켜 빛의 경로를 바꾸거나 차단하는 원리로 응용되는 것들이 있다. 동적 광 이득 보상기의 경우 프리즘이나 회절격자를 통해 분산된 횡축으로 넓게 펴져 입사되는 광원을 선택적 파장 영역에서 이득을 보상하기 위해서 입사 방향으로부터 빛을 다른 각도로 벗 어나도록 하거나 광의 간섭현상을 이용하여 일부 파장영역의 광을 감쇠 또는 소멸시킨다. 이 외에도 광 스케너(SCANNER)의 경우 각도를 변화시킬 수 있는 거울에 빛을 입사시켜 거울 각도의 변화에 따라 광의 출력되는 각도를 변화시켜 사용하게 된다.

일반 표면마이크로 가공기술을 이용한 금속이나 다결정실리콘의 경우 거울구조 제작에서 표면의 물리적 스트레스로 인한 구부러짐 현상과 반사되는 빛의 손실과 관련 있는 표면 조도가 단결정실리콘에 비해 나쁜 단점이 있다. 그리고 어레이형 광스위치의 경우 입사되는 모든 광을 이용하기 위해서는 광손실을 최소화하기 위해 거울간의 간격을 최소화하고 원하는 곳으로 광을 전사시키기 위해서 거울의 회전 각도를 크고 정확하게 구현할 수 있어야 하는데 현재 개발된 캔틸레버형과 1/4 파장의 깊이만큼을 변화시켜 광의 산란 현상을 이용하는 다리구조 형태의 거울구조에서는 입사광을 안정적으로 원하는 각도로 전향하기가 힘들다.

그리고 디지털 마이크로 거울 디바이스(DMD) 구조에서와 같이 기존의 표면 MEMS 제작법을 이용하여 제작되는 동적 거울은 동적 거울 표면의 구부러짐 현상 등에 의해 반사된 광 특성의 열화를 가져오게 된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광의 방향을 변화시키는 광 스케너나 동적 광 이득 보상기용으로 이용되는 동적 거울로 이용하기 위한 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적사상으로서, 본발명은 SOI(Silicon-on -insulator) 웨이퍼를 이용하고 MEMS의 표면가공 기술을 접목시켜서 거울 면의 조도(roughness)가 우수한 단결정 실리콘을 거울 구조로 이용하였고, 시소 구조를 통해 거울 구조와 거울을 기울이게 하는 구동원을 회전축을 중심으로 분리시킴으로써 단순 캔틸레버형 거울 구조에서 발생 할 수 있는 거울 면의 물리적 변형(구부러짐) 등이 발생하지 않도록 하고, 구동원이 되는 정전구동방식을 이용한 캔틸레버는 구조가 간단하고, 제조 공정이 단순한 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이와 그 제조방법이 제시된다.

본 발명에 의하면, 구동 특성이 주위 환경변화에 영향을 덜 받고 거울과 구동원들 간의 공간적 간섭과 차지하는 면적이 적고 열적 구동방식에 비해서 에너지 손실이 적다는 장점이 있다.

또한, 어레이 형태로 사용될 때 입사되는 광의 손실을 최소화하기 위해 거울 간의 간격을 최소화 할 수 있으며 횡축으로 넓게 펴져 입사되는 광을 초기 입사 영역에서 벗어나도록 큰 기울임 각도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 반사되는 빛은 거울을 받치고 있는 회전 스프링과 축의 위치와 구동원이 되는 캔틸레버의 정전구동 운동 (상하) 범위에 따라 원하는 거울의 회전 각도가 다양한 거울 어레이를 제작할 수 있다.

이와 같이 단결정 실리콘을 이용한 시소구조 거울 어레이는 광의 반사율이 높고 거울 간의 간격을 좁혀서 사이에서 발생할 수 있는 광 손실을 최소화시키고 구동원과 거울을 시소 형태의 스프링과 축으로 분리시킴으로써 거울 표면의 안정적 기울임과 변형이 없도록 할 수 있기 때문에 광통신용 스위치 구조에도 다양하게 적용될 수 있다.

이하에서는 본발명의 실시예에 대한 구성 및 작용에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서, 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광 이득 보상용 단결정 실리콘 시소 거울 어레이의 구성도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 요부의 평면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 요부의 단면도이다.

도 3은 도 1의 평면도이다.

도 4는 도 1의 저면도이다.

도 5는 캔틸레버의 정전구동에 의한 실리콘 시소 거울의 동작 구현 모식도이다.

도 6은 캔틸레버의 정전구동에 의한 실리콘 시소 거울의 동작 구현 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예로서, 캔틸레버 받침부(1)와, 상기 캔틸레버 받침부(1)의 상면 일측에 가로방향으로 형성된 정전력을 위한 전극 패드(2)와, 상기 전극패드(2)를 제외한 상기 캔틸레버 받침부(1)의 상면에 도포되는 SOI 웨이퍼의 실리콘 산화막(3)과, 상기 실리콘 산화막(3) 면상에 길이 방향으로 다수개가 배설되는 금속 또는 실리콘 다중 캔틸레버(4)와, 상기 캔틸레버 받침부(1)와 소정 거리 이격되어 설치되고 거울부(5)의 하측 실리콘면에 해당하는 거울부 받침부(6)와, 상기 상측 실리콘면(7)상에 상기 받침부(6)의 상측에 상기 캔틸레버(4)와 대응되도록 배설되는 다수개의 금속거울면(8)과, 상기 금속거울면(8)의 저부에 형성되는 상측 실리콘면(7)과, 상기 캔틸레버(4)와 상기 금속 거울면(8)을 잇는 연결부(9)와, 상기 연결부(9)의 양측에 형성되는 가이드부(10)와, 상기 양측 가이드부(10)를 연결하도록 하고 상기 연결부(9)의 저측에 형성되는 회전스프링부(11)로 이루어진다.

도 2a는 상기 도 1에서 A부분, 즉, 상기 캔틸레버(4)와 상기 금속거울면(8)과 양측을 잇는 연결부(9)와 가이드부(10) 및 회전스프링부(11)를 확대한 평면도이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 캔틸레버(4)와 상기 금속 거울면(8)을 연결하는 연결부(9)와, 상기 연결부(9)의 양측에 설치되는 가이드부(10)와, 상기 연결부(9)의 저부를 통해 상기 양측 가이드부(10)를 연결하도록 설치되는 회전스프링부(11)의 구성을 나타내고 있다.

도 2b는 도 1의 A부분의 단면도이다. 거울부의 받침부(6)와, 상기 받침부(6)의 상면에 도포된 실리콘 산화막(3)과, 상측 실리콘면(7)에 설치된 상기 연결부(9), 양측 가이드부(10) 및 회전스프링(11)의 구성을 나타내고 있다.

도 3은 상기 도 1의 본 발명의 실시예의 평면도이다.

도 4는 상기 도 1의 본 발명의 실시예의 저면도이다.

본 발명의 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이의 제작 방법을 설명하기로 한다.

SOI 웨이퍼의 상측 실리콘 부분에서 거울면(8)과 회전스프링(11) 부분을 제외한 나머지 부분을 DRIE 공정을 이용하여 제거하는 단계와,

폴리머 등을 이용하여 캔틸레버(4) 부분 중 실리콘 산화막(3)에서 떨어져 있는 부분 모양처럼 희생층을 만드는 단계와,

금속박막을 만든 후 캔틸레버(4) 부분을 제외한 나머지를 제거하는 단계와,

회전스프링(11)을 적절한 깊이로 파내는 단계와,

거울부(5)의 하측 실리콘면(6)을 파내는 단계와,

상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하 본 발명의 상기 실시예의 제조방법과 작용을 도 5 및 도 6을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 원하는 각도로 변화된 미소거울을 나타내고 있다.

도 6은 도 5의 각도가 변화된 거울의 단면도이다.

상술한 본 발명의 실시예의 동적 거울은 입사되는 빛의 방향을 동적거울의 각도를 조절함으로써 원하는 방향으로 변화시킬 수 있게 한다. 본 발명은 미소거울 구조에서 높은 반사율과 우수한 광특성을 얻기 위해서 SOI 웨이퍼를 이용해 단결정 실리콘을 거울 구조로 구성된다. 실리콘 거울 구조를 구동시키기 위해서 MEMS의 표면마이크로 가공기술을 이용하여 금속막 또는 다결정 실리콘을 이용한 캔틸레버(4) 형태를 시소 모양의 회전 스프링(11)을 중심으로 거울면(8)과 반대쪽에 제작한다.

SOI 웨이퍼는 실리콘 산화막(3)을 사이에 두고 윗면에 얇은 단결정 실리콘 막을 이용할 수 있기 때문에 Deep RIE(deep reactive ion etching) 방법을 통해 쉽게 떠있는 거울 구조를 얻을 수가 있다.

제작 순서는 SOI 웨이퍼의 윗면 실리콘을 먼저 시소형태의 거울면(8) 구조로 패터닝하고 캔틸레버를 제작하기 위해 희생층을 쌓고 그 위에 금속막이나 다결정 실리콘 물질로 캔틸레버(4) 구조를 만든다. 그리고 도 2a, 도 2b에서 스프링 구조의 평면도 및 단면도에서 나타나 있듯이 코팅된 금속막을 마스크로 이용하여 실리콘 스프링의 두께를 조절하면 스프링의 회전력과 거울 구조의 복원력 등이 고려된 이상적인 스프링 두께를 얻어 거울 구조의 동작을 원활하게 할 수가 있다.

제작은 SOI 웨이퍼의 바닥 실리콘을 패터닝하고 거울 구조의 바닥에 남아 있는 실리콘 산화막을 제거하면 도 5 및 도 6의 형태로 회전스프링(11)과 연결된 거울 구조의 실리콘 고정축이 바닥 실리콘과 붙어 있으면서 거울면(8) 구조는 회전스프링(11)과 함께 떠있는 시소 모양을 이루게 된다. 끝으로 캔틸레버 구조에서 남아 있는 희생층을 제거하면 캔틸레버(4)도 완성되어 본 발명의 광 이득 보상용 시소 거울 어레이 제작이 완성된다.

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 시소형태의 회전스프링(11)을 중심으로 정전구동의 캔틸레버(4)와 고정 전극(1)(6) 간의 정전인력 작용이 거울면(8)을 변형 없이 들어 올려줘 원하는 기울임을 얻을 수 있게 한다.

상기 고정전극은 거울부(5)의 하측 실리콘에 해당하는 거울부 받침부(6)와 캔틸레버(4)측의 하측 실리콘면에 해당하는 캔틸레버 받침부(1)에 해당한다. 이 하측 실리콘면(1)(6)은 접지되어 있고 캔틸레버(4) 부분에 전압을 가하면, 양단의 전압차로 인해 캔틸레버(4) 부분이 하측 실리콘면 쪽으로 정전인력에 의해 당겨지면서 움직이게 된다.

본 발명에 의하면, 첫째, 단결정 실리콘을 이용함으로써 물리적 변형이 적고 조도(roughness)가 우수한 거울 표면을 구현할 수가 있다.

둘째, 다중 어레이형 거울 구조에서 거울들 간의 간격을 최소화하여 광 손실을 줄일 수 있다.

셋째, 실리콘 거울 면과 거울의 기울임을 발생시키는 구동원을 분리시킴으로써 거울 구동시에 발생할 수 있는 거울의 변형을 막을 수 있다.

넷째, 어레이형태의 거울구조에서 넓게 입사된 광원을 입사광과 서로 간섭 없이 다른 각도로 벗어나도록 거울 구조를 회전시키기 위해서 시소 구조를 이용하였다.

다섯째, 거울 구조에서 회전축의 위치에 따라 거울의 기울임 각도를 원하는 형태로 제작할 수 있다.

여섯째, 구동원이 되는 캔틸레버의 상하 구동 범위에 따라 거울 구조의 높은 기울임 각을 만들 수 있다.

Claims (8)

1. MEMS 표면마이크로가공기술을 이용하여 금속 및 다결정 실리콘 캔틸레버형 구조로 제조된 적어도 하나의 구동기부와,

   벌크마이크로가공기술을 이용하여 금속거울면으로 제조된 적어도 하나의 거울 구조부와,

   상기 구동기부와 상기 거울 구조부를 잇는 연결부와,

   상기 연결부의 양측에 설치되는 가이드부와,

   상기 양측 가이드부를 연결하도록 하고 상기 연결부의 저측에 형성되는 회전스프링부를 포함하고,

   상기 구동기부와 거울구조부는 분리 제작되어 연결부에 결합되는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동기부는 복수개가 배열된 구조이고, 상기 거울 구조부는 상기 구동기부의 수에 대응되도록 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동기부는 정전력, 자기력 또는 열적변형력에 의한 상하 운동력으로 구동하는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 거울 구조부는 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘을 이용하여 제조된 초 소형인 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동기부와 상기 거울 구조부는 회전스프링부를 중심으로 시소 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
6. 하측 실리콘면에 해당하는 캔틸레버 받침부와,

   상기 캔틸레버 받침부의 상면 일측에 가로방향으로 형성된 정전력을 위한 전극 패드와,

   상기 전극패드를 제외한 상기 캔틸레버 받침부의 상면에 도포되는 SOI 웨이퍼의 실리콘 산화막과,

   상기 실리콘 산화막 면상에 길이 방향으로 다수개가 배설되는 금속 또는 실리콘 다중 캔틸레버와,

   상기 캔틸레버 받침부와 소정 거리 이격되어 설치되고 거울부의 하측 실리콘면에 해당하는 거울부 받침부와,

   상기 거울부 받침부의 상측에 상기 캔틸레버와 대응되도록 배설되는 다수개의 금속거울면과,

   상기 금속거울면의 저부에 형성된 상측 실리콘면과,

   상기 캔틸레버와 상기 금속 거울면을 잇는 연결부와,

   상기 연결부의 양측에 설치되는 가이드부와,

   상기 양측 가이드부를 연결하도록 하고 상기 연결부의 저측에 형성되는 회전스프링부를 포함하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 회전스프링을 중심으로 정전구동의 상기 캔틸레버와 거울부의 하측 실리콘면에 해당하는 거울부 받침부와 캔틸레버측의 하측 실리콘면에 해당하는 캔틸레버 받침부에 해당하는 고정 전극 간의 정전인력 작용이 거울면을 변형 없이 들어 올려줘 원하는 기울임을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이.
8. 캔틸레버와 초소형 금속 거울면이 회전스프링을 축으로 상하 구동하는 거물단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이의 제조방법에 있어서,

   SOI 웨이퍼의 상측 실리콘 부분에서 상기 거울면과 상기 회전스프링 부분을 제외한 나머지 부분을 DRIE 공정을 이용하여 제거하는 단계와,

   폴리머 등을 이용하여 상기 캔틸레버 중 실리콘 산화막에서 떨어져 있는 부분 모양처럼 희생층을 만드는 단계와,

   금속박막을 만든 후 상기 캔틸레버를 제외한 나머지를 제거하는 단계와,

   상기 회전스프링을 적절한 깊이로 파내는 단계와,

   상기 거울면의 하측 실리콘면을 파내는 단계와,

   상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 단결정실리콘 시소동작 미소거울 어레이의 제조방법.

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