KR100790862B1 - 멤스 구조물의 토션스프링 - Google Patents

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Abstract

멤스 구조물의 토션스프링에 관하여 개시한다. 개시된 멤스 구조물의 토션스프링은 회동부재와 고정부재 사이에 연결되어서 상기 회동부재의 지지축으로 작용한다. 상기 토션스프링은: 하나의 수평빔: 상기 수평빔 상에 형성된 적어도 하나의 수직빔; 및 상기 수평빔 상에서 상기 수직빔과 나란하게 형성된 복수의 보조빔;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

멤스 구조물의 토션스프링{Torsion spring of MEMS structure}
도 1은 종래의 멤스 구조물의 토션스프링의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 종래의 멤스 구조물의 토션스프링의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 구조물의 토션스프링의 사시도이다.
도 4는 도 3의 변형예를 도시한 도면이
도 5a 내지 도 5d는 도 3의 변형예들을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 토션스프링이 적용가능한 광스캐너의 사시도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 3의 토션스프링을 제조하는 과정을 간략하게 설명하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 토션 스프링을 도시한 사시도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8의 토션스프링(100)을 제조하는 방법을 설명하는 단계별 사시도이다.
도 10a 내지 도 10d는 도 8의 변형예들을 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30: 토션스프링 31: 수평빔
33: 수직빔 35: 보조빔
G1,G2,G3: 간격(갭)
국내공개특허공보 10-2003-0067173호
본 발명은 멤스 구조물의 토션스프링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 토션 강성에 대한 굽힘 강성의 비가 큰 토션스프링에 관한 것이다.
MEMS(Micro electro mechanical systems) 구조물은 반도체 공정을 이용하여 구현한 마이크로 구조물로서, 통상적으로 기판 상에서 부상된 스테이지와 상기 스테이지의 양측을 지지하며 상기 스테이지의 회동운동의 축으로 작용하는 토션스프링을 구비한다. 예컨데, 멤스 자이로스코프, 평판 디스플레이 장치의 광스캐너에 적용된다.
토션스프링은 스테이지 또는 구동 프레임이 특정한 방향으로만 회동되게 하여야 한다. 이와 같은 토션스프링의 기능이 효과적으로 발휘되기 위해서, 토션스프링은 회전축에 수직인 방향의 변형에 대한 강성인 굽힘 강성(bending stiffness)은 커야 하고, 토션 축을 중심으로 한 토션 방향에 대한 강성인 토션 강성(torsion stiffness)은 상대적으로 작아야 한다.
거시적 구조물에 사용되는 토션스프링은 원형의 단면을 갖거나 십자형상의 단면을 갖도록 제작함으로써 토션 강성에 대한 굽힘 강성의 비율을 크게 할 수 있 다. 그러나, 멤스 구조물에서는 이러한 형상의 단면을 갖도록 토션스프링을 제작하는 것이 매우 어렵거나 많은 추가적 공정을 수반하게 된다.
종래에 일반적으로 제작되는 멤스 구조물의 토션스프링은 도 1에 도시된 바와 같이 사각형의 단면을 가지는 빔의 형상으로 제조된다. 이러한 토션스프링(10)에서는, 굽힘 강성과 토션 강성은 빔의 폭(b0)과 빔의 길이(L0) 및 빔의 높이(h0)의 비율에 의해 결정된다. 예컨데, 빔의 길이(L0)의 비율이 커지는 경우에는 굽힘 강성과 토션 강성이 모두 작아지게 된다. 따라서, 도 1과 같은 구조의 토션스프링(10)은 토션 강성에 대한 굽힘 강성의 비율을 크게 하기 어렵다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 Lilac Muller는 도 2에 도시된 바와 같은 토션스프링(20)을 제안하였다(Lilac Muller, Albert P. Pisano, and Roger T Howe, 'Microgimbal Torsional Beam Design Using Open, Thin-Walled Cross Section,' Journal of MEMS, vol. 10, NO. 4, Dec. 2001). 제안된 토션스프링(20)은, 상호 평행한 한 쌍의 수직빔(21)의 상부를 연결하는 수평빔(23)을 추가공정으로 형성한다. 이러한 구조에 의해 토션 강성의 큰 증가 없이 굽힘 강성을 크게 증가시킬 수 있게 된다. 그러나, 도 2와 같은 형상을 갖는 토션스프링(20)은 식각과정에서의 식각지연(etch lag)에 의해서 일정한 크기의 폭과 깊이를 갖는 트렌치를 형성하기가 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 토션 강성에 대한 굽힘 강성의 비율이 크며, 그 제작 공정이 간단한 멤스 구조물의 토션스프링을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 구조물의 토션스프링은:
회동부재와 고정부재 사이에 연결되어서 상기 회동부재의 지지축으로 작용하며, 상기 토션스프링은:
하나의 수평빔:
상기 수평빔 상에 형성된 적어도 하나의 수직빔; 및
상기 수평빔 상에서 상기 수직빔과 나란하게 형성된 복수의 보조빔;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 길게 형성된 플레이트 형상이다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 형성된 복수개의 바 형상이다.
본 발명에 따르면, 상기 수직빔은 상기 수평빔의 중앙부분에 형성된 하나의 수직빔이며, 상기 보조빔은 상기 수직빔의 양측에 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수직빔은 상기 수평빔의 에지에 형성된 한쌍의 수직빔이며, 상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수직빔은 상기 수평빔의 에지로부터 이격되게 형성된 한쌍의 수직빔이며, 상기 보조빔은 상기 수직빔들의 양측에 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수직빔은 상기 수평빔에 등간격으로 형성된 3개의 수직빔이며, 상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 구조물의 토션스프링은: 하나의 수평빔:
상기 수평빔의 상부 및 하부에 각각 대응되게 형성된 적어도 하나의 수직빔; 및
상기 수평빔 상에서 상기 수직빔과 나란하게 형성된 복수의 보조빔;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 수평빔은 제1도전층, 절연층, 제2도전층이 적층되어 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 멤스 구조물의 토션 스프링을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 구조물의 토션스프링의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 토션스프링(30)은 한 쌍의 수직빔(33)과, 상기 수직빔(33)의 하부를 연결하는 수평빔(31)과, 상기 수평빔(31) 상에 수직으로 형성된 다수의 보조빔들(35)로 구성되어 있다. 상기 빔들(31,33,35)은 하나의 몸체로 형성되었지만, 편의를 위해서 수직부분, 수평부분 및 작은 수직부분들을 빔으로 명명하였다.
빔들(31,33)은 토션 스프링(30)의 길이방향으로 길게 형성된다. 수직빔(33) 및 수평빔(31)은 사각형의 단면을 가지는 플레이트 형상을 가진다. 보조빔(35)은 사각형의 바(bar) 형상일 수 있다. 수직빔(33) 및 수평빔(31)은 상호 수직을 이루며, 축방향에 평행하게 배치된다. 각 빔(31,33)의 양 단부는 각각 기판(도시되지 않음)상의 필요로 하는 부위, 예컨데, 앵커와 같은 고정부재와 스테이지와 같은 회전부재 사이에 연결된다.
상기 보조빔(35)들 사이의 간격(G2)과 보조빔(35) 및 수직빔(33) 사이의 간격(G1, G3)은 수 마이크로미터로 형성될 수 있으며, 식각과정에서 식각지연(etch lag)을 일으키며, 따라서 이러한 식각지연은 수평빔(31)을 형성하게 된다.
도 4는 도 3의 변형예를 도시한 도면이며, 도 3과 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 수직빔들(31) 사이에 형성된 보조빔(36)이 플레이트 형상으로 형성되어 있다. 보조빔(36)은 수직빔(33) 및 수평빔(31)과 같이 토션스프링(30')의 길이방향을 따라 길게 형성된 플레이트 형상이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 3의 변형예들을 도시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 토션스프링(40)은 수평빔(41)과 수평빔(41) 상에 수직으로 등간격으로 형성된 3개의 수직빔(43)과, 상기 수평빔(41) 상에서 상기 수평빔 사이에 형성된 보조빔(45)을 구비한다. 상기 보조빔(45)은 상기 수직빔(43)과 나란한 플레이트 형상 또는 상기 수직빔(43)과 나란하게 형성된 복수의 바(bar) 형상일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 토션스프링(50)은 수평빔(51)과 수평빔(51) 상에 수직으 로 형성된 하나의 수직빔(53)과 상기 수직빔(53)의 양측에 형성된 보조빔(55)를 구비한다.
도 5c를 참조하면, 토션스프링(60)은 수평빔(61)과 수평빔(61)상에 수평빔(61)의 에지로부터 이격되게 형성된 두 개의 수직빔(63)과, 상기 수평빔(61) 상에 형성된 보조빔(65)를 구비한다.
도 5d를 참조하면, 토션스프링(70)은 수평빔(71)과 수평빔(71)의 양측에 수직으로 형성된 두 개의 제1수직빔(73)과, 상기 제1수직빔들(73) 사이에 형성된 3개의 제2수직빔(74)과, 제1 및 제2수직빔(73, 74) 사이에 형성된 보조빔(75)을 구비한다. 수직빔(74, 75) 및 보조빔(75) 사이의 간격(G1) 보다 제2수직빔들(74) 사이의 갭(G2)가 더 좁게 형성되며, 따라서 갭영역(G2)에 의해 형성된 트렌치의 깊이가 갭영역(G1)에 의해 형성된 트렌치의 깊이 보다 얕게 형성된다. 이러한 깊이는 갭영역의 폭을 조절함으로써 조절될 수 있다.
도 6은 본 발명의 토션스프링이 적용가능한 광스캐너를 보여주는 도면으로서, 한국출원번호 제2004-83537호에 개시된 도면이다.
도 6을 참조하면, 광스캐너는 스테이지(80) 및 구동프레임(81) 사이를 연결하는 제1토션스프링(82)과, 구동프레임(81) 및 고정프레임(83) 사이를 연결하는 제2토션스프링(84)를 구비한다. 제1 및 제2토션스프링(82,84)은 각각 도 1의 토션스프링(10)과 유사한 구조로서 형성할 수 있다. 굽힘강도가 우수한 본 발명의 토션스프링(30)을 도 6의 광스캐너에 적용하는 경우, 토션스프링(30)의 주위의 부재들(80,81,83)과 본 발명의 토션스프링(30)의 수직빔(33)을 형성하는 동안, 보조빔들 (35)의 식각지연을 이용하여 수평빔(31)을 용이하게 형상할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 3의 토션스프링을 제조하는 과정을 간략하게 설명하는 도면이다.
도 7a를 참조하면, 실리콘 기판(90) 위에 절연층으로 마스크(91)를 형성한다. 이때, 수직빔 형성부분과 프레임 형성부분 사이의 갭(G1)이 수직빔 형성부분 및 보조빔 형성부분 사이의 갭(G2)와 보조빔들 사이의 갭(G3) 보다 넓게 형성한다.
도 7b를 참조하면, 마스크(91)에 노출된 영역을 RIE 방법으로 식각하면, 폭이 넓은 갭(G1) 영역에서의 식각 속도가 다른 갭(G2,G3) 영역에서의 식각 속도 보다 빠르다.
도 7c를 참조하면, 식각을 소정 시간 더 진행하면, 갭(G1) 영역이 관통되어서, 프레임(92)과 토션스프링(30)이 형성된다. 토션스프링(30)은 수평빔(31) 상에 형성된 수직빔(33) 및 보조빔들(35)을 구비한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 토션 스프링(100)을 도시한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 토션스프링(100)은 수평빔(101)과 수평빔(101)의 상부 및 하부의 중앙부분에서 각각 수직으로 대응되게 형성된 수직빔(111,112)와, 상기 수직빔(111,112)의 측면에서 수직으로 형성된 보조빔들(115,116)를 구비한다.
상기 수평빔(101)은 제1도전층(102), 절연층(103), 제2도전층(104)이 적층되어 형성될 수 있다. 이러한 수평빔(101)의 구조는 SOI 기판을 식각하여 제조할 수 있다. 이러한 다층의 실리콘 기판으로 토션스프링(100)을 제조하는 것은 도 4에서 처럼, 상부의 콤전극과 하부의 콤전극에 구별되게 전압을 인가하기 위한 통로를 제공하기 위한 것이다.
상기 보조빔(115)들을 형성하는 것은 상술한 바와 같이 다른 구조물을 형성시 수평빔(101)의 도전층(102,104)가 형성되게 식각을 지연시키기 위한 것이다.
이러한 토션스프링(100)은 리브 구조로 형성되어 있어서 굽힘 강성이 증가된다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8의 토션스프링(100)을 제조하는 방법을 설명하는 단계별 사시도이며, 도 8과 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9a을 참조하면, 먼저 SOI 기판(120)을 준비한다. 설명을 위해서 토션스프링(100)이 연결되는 프레임의 일부를 함께 도시하였다. 기판(120)은 실리콘층인 제1도전층(122), 절연층(123)인 실리콘 옥사이드층, 실리콘층인 제2도전층(124)으로 적층되어 있다. 이어서 제1도전층(122) 상에 마스크(126)를 형성한다. 이때, 보조빔 형성부분과 프레임 형성부분 사이의 갭(G1)이 수직빔 형성부분 및 보조빔 형성부분 사이의 갭(G2)과 보조빔들 사이의 갭(G3) 보다 넓게 형성한다.
도 9b를 참조하면, 마스크(91)에 노출된 영역을 RIE 방법으로 식각하면, 폭이 넓은 갭(G1) 영역에서의 식각 속도가 다른 갭(G2,G3) 영역에서의 식각 속도 보다 빠르다. 따라서 식각 저지층(etch stop layer)인 절연층(123) 까지 갭(G1) 영역에서 식각되는 동안, 갭(G2,G3) 영역에서는 식각이 지연되어서 수평빔(101)의 제1도전층(102)과, 제1도전층(102) 상의 수직빔(111) 및 보조빔들(115)이 형성된다.
도 9c를 참조하면, 기판(120)의 제2도전층(124)을 식각하여 기판(120)의 제1도전층(122)에 형성된 수직빔(111) 및 보조빔들(115)에 대응하는 수직빔(112) 및 보조빔들(116)을 형성한다.
도 9d를 참조하면, 노출된 절연층(123)을 식각하여 토션스프링(100) 및 프레임(126)을 형성한다.
상기 실시예에서는 보조빔(115,116)이 바 형상이지만, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 수직빔(111,112)와 같이 플레이트 형상으로 형성될 수도 있다.
도 10a 내지 도 10d는 도 8의 변형예들을 도시한 단면도이다.
도 10a를 참조하면, 토션스프링(130)은 수평빔(131)과 수평빔(131)의 상부 및 하부의 중앙부분에 각각 수직으로 서로 대응되게 형성된 수직빔들(135,136)과, 상기 수직빔들(135,136)의 사이에서 수직으로 형성된 보조빔들(137,138)을 구비한다. 토션스프링(130)의 구조는 "H" 형상으로서 수평빔(131)이 토션스프링(130)의 굽힘강도를 향상시킨다.
상기 수평빔(131)은 제1도전층(132), 절연층(133), 제2도전층(134)이 적층되어 형성될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 토션스프링(140)은 수평빔(141)과 수평빔(141)의 상부 및 하부에 각각 수직으로 서로 대응되게 형성된 수직빔들(145,146)과, 상기 수직빔들(145,146)의 사이에서 수직으로 형성된 보조빔들(147,148)을 구비한다. 상기 수평빔(141)은 제1도전층(142), 절연층(143), 제2도전층(144)이 적층되어 형성될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 토션스프링(150)은 수평빔(151)과 수평빔(151)의 상부 및 하부 상에 각각 수평빔(151)의 에지로부터 이격되게 형성된 두 개의 수직빔(155,156)과, 상기 수평빔(151) 상에 형성된 보조빔(157,158)을 구비한다. 상기 수평빔(151)은 제1도전층(152), 절연층(153), 제2도전층(154)이 적층되어 형성될 수 있다.
도 10d를 참조하면, 토션스프링(160)은 수평빔(161)과 수평빔(161)의 상부 및 하부의 양측에 각각 수직으로 형성된 두 개의 제1수직빔(165,166)과, 상기 제1수직빔들(165,166) 사이에 형성된 3개의 제2수직빔(167,168)과, 제1 및 제2수직빔 사이에 형성된 보조빔들(170)을 구비한다. 수직빔(165,166,167,168) 및 보조빔(169,170) 사이의 간격(G1) 보다 제2수직빔들(167,168) 사이의 갭(G2)이 더 좁게 형성되며, 따라서 갭영역(G2)에 의해 형성된 트렌치의 깊이가 갭영역(G1)에 의해 형성된 트렌치의 깊이 보다 얕게 형성된다. 상기 수평빔(151)은 제1도전층(152), 절연층(153), 제2도전층(154)이 적층되어 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 멤스 구조물의 토션스프링은 수평빔의 존재로 굽힘강성이 증가된다. 또한, 본 발명에 따른 토션스프링은 트렌치의 폭이 좁은 영역에서의 식각지연으로 상기 수평빔을 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기 술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 회동부재와 고정부재 사이에 연결되어서 상기 회동부재의 지지축으로 작용하는 멤스 구조물의 토션스프링에 있어서,
    상기 토션스프링은:
    하나의 수평빔:
    상기 수평빔 상에 형성된 적어도 하나의 수직빔; 및
    상기 수평빔 상에서 상기 수직빔과 나란하게 형성된 복수의 보조빔;을 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 길게 형성된 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 형성된 복수개의 바 형상인 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직빔은 상기 수평빔의 중앙부분에 형성된 하나의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔의 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직빔은 상기 수평빔의 에지에 형성된 한쌍의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직빔은 상기 수평빔의 에지로부터 이격되게 형성된 한쌍의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들의 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직빔은 상기 수평빔에 등간격으로 형성된 3개의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  8. 회동부재와 고정부재 사이에 연결되어서 상기 회동부재의 지지축으로 작용하 는 멤스 구조물의 토션스프링에 있어서,
    상기 토션스프링은:
    하나의 수평빔:
    상기 수평빔의 상부 및 하부에 각각 대응되게 형성된 적어도 하나의 수직빔; 및
    상기 수평빔 상에서 상기 수직빔과 나란하게 형성된 복수의 보조빔;을 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수평빔은 제1도전층, 절연층, 제2도전층이 적층된 것인 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 길게 형성된 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 보조빔은 상기 수평빔의 길이방향으로 형성된 복수개의 바 형상인 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 수직빔은 상기 제1도전층 및 제2도전층의 중앙부분 상에 각각 형성된 하나의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔의 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 수직빔은 각각 상기 제1도전층 및 제2도전층의 에지에 형성된 한쌍의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 수직빔은 각각 상기 제1도전층 및 제2도전층의 에지로부터 이격되게 형성된 한쌍의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들의 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 수직빔은 각각 상기 제1도전층 및 제2도전층에 등간격으로 형성된 3개 의 수직빔이며,
    상기 보조빔은 상기 수직빔들 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 구조물의 토션스프링.
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