KR100836523B1 - 글래스 빔을 가지는 메소 마이크로 전기 기계 시스템의 제조 방법 - Google Patents
글래스 빔을 가지는 메소 마이크로 전기 기계 시스템의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
Meso 전기 기계 시스템(900, 1100)은 기판(215)과, 상기 기판의 표면에 배치되는 스탠드오프(405, 1160)와, 상기 기판의 표면에 배치되는 제 1 정전기 패턴(205, 1105, 1110, 1115, 1120)과, 글래스 빔(810)을 포함한다. 글래스 빔(810)은 상기 스탠드오프에 부착되는 고정 영역(820)을 가지며, 글래스 빔의 캔틸레버 위치에서 제 2 정전기 패턴(815, 1205, 1210, 1215, 1220)을 가진다. 제 2 정전기 패턴은 실질적으로 제 1 정전기 패턴과 동일 공간에 걸쳐 있고 그것에 평행하다. 제 2 정전기 패턴은 제 1 및 제 2 정전기 패턴들이 비가동 상태에 있는 경우, 제 1 정전기 패턴으로부터 느슨한 간격(925)을 가진다. 임의의 실시예들에서, 미러는 제 2 정전기 패턴을 형성하는 정전기 재료들로 형성된다. 글래스 빔은 샌드블래스팅(140)을 사용하여 패터닝될 수 있다.
정전기 패턴, 정전기 재료, 스탠드오프 영역, 글래스 빔, 고정 영역
Description
광전기기계, 전기광학, 또는 액정 기술들에 기초하는 광 스위치들은 상업적으로 이용 가능하다. 상업적인 광전기기계 스위치들은 통상적으로 실리콘 공정 기술들을 사용하여 실리콘에서 제조되며, 정전기 가동될 수 있는 마이크론 크기의 미러들을 포함한다. 이들은 마이크로 전기기계 시스템(MEMS)으로 분류된다. 비용, 동작 신뢰도 및 전력 유실은 이러한 상업적으로 이용 가능한 광 스위치들의 주요 단점들이다. 신뢰도를 향상시키기 위하여, 정교한 공정들이 MEMS 구조들을 용접 밀봉하는데 사용되며, 이는 또한 비용에 추가된다.
Meso-MEMS 기술로 칭해지는 또 다른 MEMS 기술에서, 저가 스위치들은 적어도 부분적으로 금속, 통상적으로 구리로 만들어지는 기계적인 캔틸레버 부재(cantilever member)로 폴리머 구조에 제조된다. 이는 RF 신호 스위칭과 같은 유용한 전기 스위칭 기능들을 제공하는 것으로 알려졌다.
광 스위칭에 사용될 수 있는 보다 신뢰할 수 있고 보다 저가의 스위치 기술이 요구된다.
본 발명은 일례로서 예시되었으며, 첨부 도면들에 한정되지 않으며, 여기서 동일 참조 번호는 동일 구성 요소들을 나타낸다.
단순하고 명료하게 하기 위하여 도면들에 구성 요소들이 기술되었으나, 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아님을 당업자들은 이해할 것이다. 예를 들면, 도면에서 구성 요소들 중 일부의 크기들은 본 발명의 실시예들의 이해를 높이기 위하여 다른 구성 요소들에 비해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 메소 마이크로 전기 기계 시스템(Meso-MEMS)을 제조하는 방법의 단계들을 도시하는 흐름도.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라, 여러 제조 단계에서의 Meso-MEMS 구조의 투시도를 도시하는 기계적인 도면들.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 향상된 제조 단계에서의 Meso-MEMS 구조의 측면도를 도시하는 기계적인 도면.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따라, Meso-MEMS 구조의 투시도를 도시하는 기계적인 도면들.
도 13은 Meso-MEMS를 포함하는 전기 기기의 개략도.
본 발명에 따른 메소 마이크로 전기 기계 시스템(Meso-MEMS; Meso-microelectromechanical system)을 특히 상세하게 기술하기 전에, 본 발명은 주로 마이크로기계 스위칭에 관련된 방법 단계들 및 장치 구성 요소들의 결합에 관한 것임을 알아야 한다. 따라서, 장치 구성 요소들 및 방법 단계들은 도면들에서 통상 적인 부호들로 적절하게 표시되었으며, 이 도면들은 본 명세서의 기술에서 이익을 얻는 당업자에게는 아주 명백한 상세한 설명을 이해하기 어렵지 않도록 하기 위해 본 발명을 이해하는 것과 관련이 있는 특정 상세들만을 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 Meso-MEMS를 제조하는 방법의 흐름도가 도시된다. 도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 여러 제조 단계에서의 Meso-MEMS의 등측도이다.
단계 105(도 1)에서, 제 1 정전기 패턴(205)(도 2 참조)은 본 발명의 실시예들에 따라, 기판(215)상의 내부 금속 층으로부터 기판(215)의 디바이스 영역(210) 내에 형성된다. 일부 예에서는, 기판(215)은 디바이스(210)보다 클 수 있다. 도 2를 참조하여 기술되는 예에서, 디바이스 영역(210) 및 기판(215)은 동일 크기인 것으로 도시된다. 기판(215)은 일례로서 FR-4인 임의의 유기 인쇄 배선 기판(PWB) 재료로 만들어질 수 있거나, 또는 아주 비싸거나(예를 들면, 테플론(Teflon)) 약간 비싼(예를 들면, 글래스가 충전되지 않은 에폭시) 재료들로 만들어질 수 있다. 기판은 다층 PWB일 수 있다. 금속 층은 두께가 2 내지 70인, 보다 통상적으로는 5마이크론 내지 35마이크론인 구리일 수 있지만, 예를 들면 니켈이나 금과 같은 다른 재료들 또는 다층 금속, 또는 금속 합금일 수 있다. 금속은 정전기 전하를 홀딩하고 해제할 수 있기만 하면 된다. 구리는 비교적 저가이기 때문에 유용하고 통상적으로 사용된다. 제 1 정전기 패턴(205)은 종래의 포토리소그래피 패터닝 및 에칭 기술들을 사용하여, 또는 스크린 인쇄, 패드 인쇄 또는 다른 종래의 두꺼운 막 페이스트 도포 방법으로 전도성 페이스트를 도포하여 제조될 수 있다.
단계 110(도 1)에서, 감광성인 희생 광유전체 층(sacrificial photodielectric layer)(305)(도 3 참조)은 본 발명의 실시예들에 따라, 디바이스 영역(210)(도 2) 위에 배치된다. 희생 광유전체 층(305)은, 50 내지 200마이크론 두께의 롤러 코팅 또는 커튼 코팅을 통해 침착될 수 있는 감광성(포지티브 또는 네거티브) 에폭시 수지인 것이 바람직하다. 희생 광유전체 층(305)에 사용될 수 있는 재료의 일례는 스위스, 바젤의 헌트스먼에 의해 배포되는 프로바이머®(Probimer®) 7081/82 광 폴리머 수지 재료(photo-polymer resin material)이다. 상기 일례에서, 수지 재료는 60-80C의 온도에서 30-60분 동안 에어 어시스트 적외선 수평 건조 오븐(air assist infra-red horizontal drying oven)에서 건조된다. 희생 광유전체 층(305)은 7마이크론 내지 200마이크론, 보다 통상적으로는 50마이크론 내지 125마이크론의 두께를 가질 수 있다.
단계 115에서(도 1), 희생 광유전체 층(305)은 본 발명의 실시예에 따라, 보이지 않는 스탠드오프 영역(latent standoff region)(405)(도 4 참조)을 형성하기 위해 노출된다. 일례로서, 희생 광유전체 층(305)이 건조되면, 아트워크(artwork)(막)는 자외선 방사의 1500-1700밀리줄을 사용하여 광 폴리머상에 패턴을 노출하는데 사용되고, 보이지 않는 스탠드오프 영역(405)을 포함하는 하나 이상의 "보이지 않는" 이미지 영역들을 생성한다. 보이지 않는 스탠드오프 영역(405)은 희생 광유전체 층(305)의 주변 벌크 재료에 비해 상이하게 중합된 상태로 규정된다. 하나 이상의 보이지 않는 이미지 영역들은 그 제조 완료시에 본 발명의 Meso-MEMS에 대하여 앵커 포인트(anchoring point)들로서 역할을 할 것이다. 종래의 PWB 제조 환경하에서, PWB에는 열적 "범프"가 가해지고, 그런 다음 UV 노출 직후 용매 현상된다. 본 발명에서, 이미지 처리되지 않은 영역들은 최후 단계까지 열적으로 범프되지 않거나 현상되지 않는다. 이 시점에서, 디바이스 영역(210)은 여전히 희생 광유전체 층(305)으로 전체 코팅되어, 본질적으로 평평한 표면을 나타낸다.
단계 120(도 1)에서, 글래스 유전체(505)(도 5 참조)의 제 1 측면(상부 측면)은 본 발명의 실시예에 따라, 정전기 재료(510)로 코팅되어, 코팅된 글래스 유전체(500)를 형성한다. 이 단계는 임의의 단계들(105, 110, 115) 전이나 후에 발생할 수 있음을 유념해야 한다. 광 반사 표면(미러)이 요구되고(예를 들면, 광학 광빔 스위칭에 관한 실시예들에 대하여), 반사 표면(미러)이 글래스 유전체(505)의 표면상에 있게 되는(예를 들면, 글래스 유전체(505)의 표면에 약간 비스듬한 반사 표면이 요구되는 실시예와는 대조적인) 실시예들에서, 정전기적이면서 광 반사하는 재료들은 상기 코팅 단계(120)에서 사용된다. 글래스 유전체(505)는 디바이스 영역(210)의 형상으로(또는 소형으로) 형성될 수 있으며, 통상적으로 30 내지 50마이크론의 두께를 가지지만, 10마이크론 정도로 소형일 수 있고 75마이크론 정도로 대형일 수 있다. 글래스 유전체(505)의 상부 측면의 코팅은 25마이크론보다 작은 총 두께를 가지는 하나 이상의 금속 층들을 도포하는 단계를 포함한다. 글래스 유전체(505)의 제 2 측면(하부 측면)은 또한 제 1 측면의 코팅 동안에 정전기 재료(515)로 코팅될 수 있거나, 또는 독립 단계로서 코팅될 수 있거나 또는 전혀 코팅되지 않을 수 있다. 정전기 및 광 반사 코팅의 제 1 일례는 글래스 유전체(505)의 양 측면에 대략 500옹스트롬의 티타늄 텅스텐(Ti/W)을 스퍼터링하고, 그 다음 글래스 유전체(505)의 양 측면에 대략 1000옹스트롬의 구리를 스퍼터링한다. 코팅의 제 2 일례는 글래스 유전체(505)의 양 표면상에 대략 500옹스트롬의 크롬을, 그 다음에는 5000옹스트롬의 구리를 증착시키는 것이다. 이러한 정전기 재료(510, 515)는 매우 양호한 광 반사 특성들을 가지며 종래의 PWB 공정 기술과도 매우 호환 가능하다. 다른 금속 층들, 예를 들면 크롬, 크롬/금, Ti/W, 구리를 가진 Ti/W, 탄탈륨은 정전기 및 광 반사 표면들에 사용될 수 있으며, 광범위한 재료들이 정전기 전용 특성에 사용될 수 있다. 정전기 전용 특성은 전자 스위치들, 예를 들면 무선 주파수(RF) 스위치에 유용하다. 사용될 수 있는 다른 정전기 재료(510)는 예를 들면 순 구리, 니켈, 은, 금과 같은 다른 전도성 금속들이거나 다른 재료들과 결합한 전도성 금속 합금이다. 종래의 PWB 에칭 기술들에 영향받기 쉬운 정전기 재료(510)는 후술되는 부가 제조 단계들과 호환 가능한 경우 훨씬 유용하지만, 종래의 PWB 기술들과 호환 가능하지 않은 경우라도 본 명세서에서 기술되는 고유 장치를 형성하는데 여전히 사용 가능하다.
전술된 바와 같이, 정전기 재료들은 동일 단계 또는 단계들에서 상부 및 하부 표면에 형성될 수 있다. 따라서, 반사되는 표면들은 또한 동일 단계들에서 상부 및 하부 표면들에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 정전기 재료들은 글래스의 상부 표면에 형성되지 않고, 정전기 재료는 하부 표면에 미러 재료로서 형성된다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 미러는 제 1 정전기 패턴(205) 이외의 위치에서 코팅된 글래스 유전체의 상부 표면에 형성될 수 있으며, 이는 후술되는 것과는 다른 형상의 글래스 빔을 필요로 할 수 있음을 이해할 것이다.
단계 125(도 1)에서, 코팅된 글래스 유전체(500)는 본 발명의 실시예에 따라, 희생 광유전체 층(305)(도 6 참조)에 적층되어, 적층 글래스 유전체(600)를 형성한다. 희생 광유전체 층(305)은 특히 열 및 압력 하에서 "점착성(tacky)"이 있어, 금속화된 글래스 유전체에 대하여 "아교"로서 역할을 한다. 희생 절연체 층(305)에 코팅된 글래스 유전체(500)를 적층하는 것은 종래의 PWB 적층기(인디아나, 워버시의 워버시 MPI에 의해 제조된 워버시 적층 프레스(Wabash laminating press))와 종래의 진공 건식막 적층기 양자에서 입증되었다. 적층 온도가, 프로바이머®의 희생 광유전체 층(305)을 사용하는 본 발명의 실시예에서 80℃를 초과하지 않아야 하는 것에 주목하는 것이 중요하다. 프로바이머®의 희생 광유전체 층(305)을 사용하는 실시예에서의 공정은 65-75℃에서 대략 10분 동안 진공 적층기에서 희생 광유전체 층(305)에 코팅된 글래스 유전체(500)를 적층하는 것이다.
단계 130(도 1)에서, 패터닝된 보호 층은 본 발명의 실시예에 따라, 제 1 정전기 패턴(205)과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있는 제 2 정전기 패턴(715)을 포함하는 소망의 구조로 글래스 빔의 보호 패턴(710)(도 7)을 가지는 적층형 글래스 유전체(600)에 형성된다. 상기 패턴은 종래 기술에 의해 형성되는 표준 임시 에칭 레지스트 재료를 포함하며, 그것들에 관한 몇 가지 일례로는 광 이미징 및 현상된 건식막 또는 액체 광 레지스트; 스크린 인쇄; 및 스텐실링이 있다.
단계 135(도 1)에서, 제 2 정전기 패턴(715) 내에 있지 않은, 코팅된 글래스 유전체(500) 상부의 정전기 재료(510)의 일부는 본 발명의 실시예들에 따라 제거된다. 정전기 재료(510)의 일부를 제거하는 단계는 정전기 재료 에칭제를 도포하는 단계를 포함한다. 정전기 재료(510)가 구리의 상부 층을 포함하는 경우에, 종래의 구리 에칭 화학작용(과산화물/황, 구리 염화물, 암모늄 염화물 등)이 사용된다. 이 단계는 정전기 재료(510)가 다층을 포함하는 경우에 부가 용액을 이용하는 에칭을 포함할 수 있다. 구리 아래의 Ti/W 층의 일례에서, 구리 층 바로 아래에 배치되는 소망 패턴 밖의 Ti/W 층은 따뜻한(50℃ 정도) 수소 과산화물 용액으로 통상적으로 에칭될 수 있다. 대안적 실시예에서, 746 W 에칭제로 식별되는, 매사추세츠, 말보로에 소재하는 쉽레이 컴퍼니, L.L.C에 의해 배포되는 상업적으로 입수 가능한 재료는 또한 Ti/W 층을 효과적으로 제거하는 것으로 입증되었다. 크롬이 정전기 재료(510)의 일부로서 사용되는 경우, 크롬은 세릭(cerric) 암모늄 질산염 용액(매사추세츠, 댄버스에 소재하는 트랜센 컴퍼니, 인코포레이티드에 의해 배포되는 종래의 크롬 에칭제 "크롬 에칭제 1020"으로 입수 가능함)으로 에칭될 수 있고, 그 다음 전술된 바와 같이 종래의 구리 에칭이 행해진다.
단계 140(도 1)에서, 글래스 빔의 패턴 내에 있지 않은 글래스는 제거된다. 금속/미러 에칭 단계(135) 동안 보호하도록 도포되는 패터닝된 보호 층(710) 및 남아있는 잔류 패터닝된 정전기 재료(510) 모두는 글래스 제거 공정 동안에 고유 에칭 레지스트들로 작용한다. 일 실시예에서, 대략 25분 동안에 25% 수소 플로라이드(HF) 용액에서 에칭된다. 글래스는 암모늄 바이플로라이드 용액, 완충 산화물 에칭 용액(BOE) 또는 플루오르성 산화 용액에서 택일적으로 에칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 글래스는 기계적인 수단, 즉 샌드블래스팅(sandblasting)에 의해 제거될 수 있다. 예를 들면, 수평 샌드블래스팅은 2"(5.08cm) 기판(215)으로부터 떨어져 있는 직경이 0.035"(0.88mm)인 노즐을 갖는 노즐로부터 분출되는 스퀘어 인치(552킬로파스칼) 당 80파운드의 27마이크론 알루미늄 산화물 입자를 사용하여 그리고 분당 4"(10.16cm)의 컨베이어 속도로 실행될 수 있다. 샌드블래스팅이 사용되는 경우, 패터닝된 보호 층(710)은 예를 들면, 50 내지 100마이크론과 같이 통상적인 것보다 큰 두께로 도포될 수 있다.
단계 145(도 1)에서, 코팅된 글래스 유전체(505)의 하부에 있는 정전기 재료(515)의 일부는 본 발명의 실시예에 따라, 희생 광유전체 층(305)의 표면으로부터 제거된다. 제거되는 글래스의 하부에 있는 정전기 재료(510)(예컨대, Ti/W-구리 또는 크롬/구리)는 희생 광유전체 층(305)의 노출 표면으로부터 제거될 필요가 있다. 정전기 재료(515)(예컨대, Ti/W-구리 또는 크롬/구리)는 따뜻한 과산화물(또는 크롬 에칭) 및 표준 구리 에칭 용액들과 같은 적절한 에칭 용액에 다시 한번 Meso-MEMS 구조(800)를 노출시킴으로서 제거된다. 그것이 글래스 제거 약품으로부터 에폭시 수지를 보호하기 때문에 글래스 제거 동안에, 특히 화학 에칭동안에 Ti/W-구리 또는 크롬-구리의 상기 제 2 층을 가지는 것이 중요할 수 있다. 수지는 HF에 유일하게 견디지만, 장기간 노출은 감광 특성의 재료를 손상시킬 수 있다. 샌드블래스팅이 글래스를 제거하는데 사용되는 경우, 이는 또한 정전기 재료의 에 칭 대신에 정전기 재료(515)의 일부를 제거하는데 사용될 수 있다.
단계 150에서, 코팅된 글래스 유전체(505)의 하부에 있는 정전기 재료(515)의 일부가 제거된 후에, 패터닝된 보호 층(710)의 나머지 부분은 코팅된 글래스의 상부 표면으로부터 제거되고, 글래스 빔의 상부 표면에 정전기 재료(510)를 가지는 글래스 빔이 남겨지고, 제 2 정전기 패턴(815)(도 8)의 반사 표면을 노출시킨다. 이 단계는 단계 155 전이나 후에 실행될 수 있다. Meso-MEMS 구조(800)(도 8)의 다른 부분들을 근본적으로 손상시키지 않고 보호 층(705)을 용해시키는, 수성 용액의 수산화나트륨과 같은 용매가 사용된다.
도 8을 참조하면, 제조 시점에서 Meso-MEMS 구조(800)의 투시도가 본 발명의 실시예에 따라 도시된다. 나머지 코팅된 글래스는 보호 패턴(710)에 의해 결정되는 글래스 빔의 형상을 가지는 패턴이다. Meso-MEMS 구조(800)는, 글래스 빔(810)의 캔틸레버 부분에 있으며 또한, 상기 실시예에서 미러 표면인, 제 1 정전기 패턴(205)과 동일 공간에 걸쳐 있는 제 2 정전기 패턴(815)을 가지는 글래스 빔(810)을 가진다. 정전기 재료가 글래스 재료(505)의 상부 및 하부 양쪽에 형성되는 경우, 정전기 패턴(815)은 글래스 빔(810)의 상부 및 하부 양쪽에 있으며, 정전기 패턴(815)에 사용되는 재료에 따라서 양 측면상에 미러 표면이 있을 수 있다. 한편, 정전기 재료는 글래스 빔(810)의 상부에만 또는 하부에만 형성될 수 있다.
단계 155(도 1)에서, 측면 스탠드오프 영역 이외의 희생 광유전체 층(305)이 제거된다. 제 1 부단계에서, 희생 광유전체 층(305)은, 단계 110, 115에서 제 1의 Meso-MEMS 구조 형성 단계에서 개시되는 광-작용을 완성하기 위해, 배치 에어 대류식 오븐(batch air convection oven) 또는 수평 에어 어시스트 IR 오븐 중 어느 하나에서 섭씨 110-130℃에서 60분 동안 열적으로 범핑된다. 열 범핑 후에, 희생 광유전체 층은 예를 들면, 제 2 부단계에서 초음파 교반(ultrasonic agitation)으로 20분 동안 감마-부티로락톤(gamma-butyrolactone)(GBL)을 사용하여 용매 현상된다. GBL은 글래스 빔(810) 아래를 관통할 것이며, 모든 중합되지 않은 재료를 제거한다. 이미지화된 보이지 않는 재료-보이지 않는 스탠드오프 영역(405)-는 스탠드오프(905)로서 남게 되고, 모든 다른 희생 유전체 재료는 제거된다. 일단 모든 상기 희생 유전체 재료가 제거되면, 글래스 빔(810)은 그 아래에 에어 공간을 가져 정전기 발동 작용에 따라 위치를 자유롭게 변화시킬 수 있게 된다. 일부 실시예들에서 다수의 스탠드오프가 있으며, 글래스 빔은 도 2 내지 도 10에 도시되는 것보다 실질적으로 더 복잡하게 될 수 있음을 알 수 있게 된다. 또한, 하나보다 많은 글래스 빔이 본 명세서에서 기술되는 방법들에 의해 Meso-MEMS 구조로 동시에 제조될 수 있음을 알 수 있게 된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따라 Meso-MEMS 구조(900)의 투시도 및 측면도가 도시된다. Meso-MEMS 구조(900)는 단계들 105-155에 의해 제조되었다. 글래스 빔(810)은 스탠드오프 영역(405)에 부착되는 고정 영역(920)을 가지며, 어떠한 전위도 그들 사이에 존재하지 않는 경우(즉, 그들이 비가동 상태에 있는 경우) 5 내지 200마이크론일 수 있는 제 1 및 제 2 정전기 패턴들(205, 815)간의 느슨한 간격(925)을 가진다. (느슨한 간격은 희생 광유전체 층(305)의 두께에 의해 대부분 결정된다.) 제 2 정전기 패턴(815)은 그들이 비가동 상태에 있는 경우 제 1 정전기 패턴에 본질적으로 평행하다. 전술된 공정의 단계들을 사용하여 제조된 Meso-MEMS 구조의 대략적인 크기는 길이가 3.5mm이며 정전기 패턴 폭은 대략 1.5mm이다. Meso-MEMS(900)와 같은 Meso-MEMS 구조들은 예를 들면, 광학 스위치로서 사용될 수 있으며, 예를 들면 실리콘계 전기 광학 기계 스위치보다 더 경제적으로 제조될 수 있다.
단계 160에서, 전기 접속은 스탠드오프 영역(405)에 적층되는 글래스 빔(810) 일부에서 또는 그 부근에서 제 2 정전기 패턴(815)에 형성된다. 이는 임의의 신뢰성 있는 방법으로, 예를 들면 글래스 빔(810)의 고정 영역(920)의 상부 및/또는 하부 표면(정전기 패턴이 상부 또는 하부에 있느냐에 따름)의 정전기 재료(510)에 와이어를 납땜하거나 또는 와이어 본딩하는 방법으로, 또는 글래스 빔(810)의 고정 영역(920) 부근에서 정전기 재료(510)에 대해 전도성 재료를 프레싱함으로써 행해질 수 있다. 제 1 정전기 패턴(205)에의 전기 접속은, 정전기 패턴(205), 및 전기 접속기용 또는 집적 회로 단자와 같은 전자 구성 요소들에 접속되는 기판(215)의 접속 패드에 접속하는 종래의 인쇄 배선을 패터닝함으로써 편리하게 제공될 수 있다. 글래스 재료(505)의 오직 한 표면에 정전기 재료를 도포하고, 양호한 미러를 형성하는 정전기 재료를 사용함으로써, 그 결과 생성되는 미러는 글래스 빔(810)의 상부 표면에 입사하는 광에 대하여 전방 표면 또는 후방 표면일 수 있으며, 그것은 유익할 수 있는 디자인 선택을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예들에서 정전기력은 글래스 빔(810)의 상부 표면, 하부 표면, 또는 양 표면들에서 정전기 패턴(815)에 인가될 수 있음을 알 수 있게 되며, 이것은 유익할 수 있는 다른 디자인 선택을 제공한다.
도 1 내지 도 10에 관하여 기술되는 일례들은 완화된 위치로부터 본래 한 축에 따른 이동을 허용하는 곧은 유연성 있는 암(straight flexible arm)을 갖는 글래스 빔을 가지며, 그 암의 이동에 의해 이동되는 미러를 가지는 Meso-MEMS 구조에 관련된다. 이 일례에서, 제 2 정전기 패턴(205) 및 미러(반사 표면)는 글래스 빔(810)에서 동일 위치에, 캔틸레버 위치(즉, 글래스 빔(810)의 고정 영역(920)에서부터 가장 먼 글래스 빔(810)의 말단 부근 위치)에 있다. 이것은, 광학 스위칭 또는 변조 기능들을 제공할 수 있는 단순하고 매우 유용한 MEMS이지만, 다른 유용한 기능들을 제공할 수 있는 본 발명의 많은 변경이 있다. 예를 들면, 미러는 부근에 배치되지만, 제 2 정전기 패턴(205)의 캔틸레버 위치에 있지는 않다. 또 다른 일례로서, 대항 쌍의 전기 접촉들이 제조될 수 있으며, 하나는 글래스 빔(810)의 말단(1005)에 있고, 또 다른 하나는 대항 위치(1010)에서 기판(215) 상에 있으며, 어떠한 미러도 없을 수 있다. 전기 스위치 Meso-MEMS의 일례는, 정전기 패턴들(205, 815)을 형성하는 다수 금속을 구비할 필요가 없으며, RF 스위치로서 동작할 수 있다. 이러한 전기 접촉들은 택일적으로 제 2 정전기 패턴(205)인 것보다 스탠드오프 영역(405)에 더 가까이 배치될 수 있다. 또 다른 일례로서, 글래스 빔(810)의 상부 또는 하부 표면의 미러 대신에(또는, 가능하게는 그것에 부가하여) 캔틸레버 위치 부근 또는 그 위치에 글래스 빔(810)에 고정되는 광 방향성 디바이스가 있을 수 있다. 광 방향성 디바이스는 글래스 빔(810)의 상부 표면에 관하여 일부 평면 각도로 장착되는 편평한 미러 또는 셔터(반사되지 않는, 불투명 평면)일 수 있거나, 또는 임의의 다른 형상의 오브젝트, 예를 들면 캔틸레버 위치 부근에서 글래스 빔(810)에 장착되는 2개의 미러 표면에 있어서 단면이 삼각형인 바(bar)일 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 광학 Meso-MEMS 구조(1100)의 또 다른 일례에 관한 투시도이다. Meso-MEMS 구조(1100)는 본래 Meso-MEMS 구조(900)에 대하여 전술되는 동일 단계들을 사용하여 제조된다. 도 12는 단계들 105-155의 완료 후에 Meso-MEMS 구조(1100)를 도시하고, 도 11은 Meso-MEMS 구조(900)의 하부 부분을 노출시킨다(특정 제조 단계에 관련되지 않는다). 도 11 및 도 12에서 알 수 있듯이, 정전기 패턴들(1105, 1205), 정전기 패턴들(1110, 1210), 정전기 패턴들(1115, 1215), 및 정전기 패턴들(1120, 1220)을 포함하는 4쌍의 정전기 패턴들이 있다. 정전기 패턴들(1105, 1110, 1115, 1120)은 기판(1150)에 형성된다. 정전기 패턴(1215, 1220)은 유연성 있는 빔 부분들(1240, 1245)에 대하여 캔틸레버 위치들에 배치되고, 정전기 패턴(1205, 1210)은 유연성 있는 빔 부분들(1250, 1245) 및 정전기 패턴들(1205, 1210, 1215, 1220)을 포함하는 글래스 빔의 유연성 빔 부분들(1250, 1255)에 대하여 캔틸레버 위치들에 배치된다. 각각의 정전기 쌍(1105, 1205), (1110, 1210), (1115, 1215), (1120, 1220)에 대하여, 정전기 패턴은 Meso-MEMS가 비가동되는 경우 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있고 상호 평행하다. 정전기 패턴들(1205, 1210)은 전도성 결합되며, 또한 미러를 겨냥하고 있는 광빔을 이동시키는데 사용되는 미러를 형성하지만, 정전기 패턴(1205, 1210)은 (가상) 라인(1208)으로 분할되는 2개 패턴으로서 정전기 가동용으로 고려될 수 있다. 정전기 패턴들(1205, 1210)은 상호, 그리고, 정전기 패턴들(1215, 1220)에 전도성 결합되지만, 2개 정전기 패턴들로 정전기 가동용으로 고려될 수 있다. 통상적인 전위는 4개 정전기 패턴들(1205, 1210, 1215, 1220)에 인가될 수 있고, 미러의 이동은 정전기 패턴들(1105, 1110, 1115, 1120)에 인가될 수 있는 독립 전위에 의해 본래 결정된다. 2개 쌍의 정전기 패턴들(1105, 1205) 및 (1110, 1210)은 유연성 있는 글래스 빔 암들(1240, 1245)에 의해 제공되는 미러의 이동 자유의 제 1 축을 따라 캔틸레버 위치들에 있으며, 다른 2개 쌍의 정전기 패턴들(1105, 1205), (1110, 1210)은 제 1 축에 수직인 유연성 있는 글래스 빔 암들(1250, 1255)에 의해 제공되는 미러의 이동 자유의 제 2 축을 따라 캔틸레버 위치들에 있다는 것을 알게 된다. 따라서, 전위 차의 적절한 인가로, 미러는 적어도 Meso-MEMS(1100)의 크기만큼 부과되는 각도 변위 제한치 내에서 2개 축으로 이동될 수 있다. Meso-MEMS(1100)와 같은 디바이스는 예를 들면 이미지를 생성하도록 광빔을 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 관련된 실시예에서, 단일 축 Meso-MEMS는 도 12에 도시되는 것과 유사한 실시예에서 도 12의 정전기 패턴(1115, 1215) 및 (1120, 1220)과 같은, 통상 축의 오직 2개 쌍의 정전기 패턴들을 사용하여 구성될 수 있지만, 정전기 패턴(1215, 1220), 빔(1250, 1255), 단일 고체 판인 정전기 패턴들(1210, 1205)을 포함하는 전체 영역으로 구성될 수 있다. 이러한 타입의 디바이스는 예를 들면, 축을 따라 광빔을 변위시키는데 사용될 수 있으며, 그 아래에서 심전도에 관해서 전압을 기록하기 위해 감광 페이퍼가 이동된다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 적어도 하나의 Meso-MEMS 구조를 포함하는 전자 기기의 일례에 관한 개략도 및 블록도가 도시된다. 광학 스위칭 네트워크는 광섬유 스위치들(1305, 1306)의 뱅크를 포함하며, 그 각각은 단일 광섬유 입력(1350) 및 2개 광섬유 출력들(1365, 1367)을 가진다. 단일 광섬유 입력(1350)은 정전기 인터페이스(1310)에 결합되는 제어기(1320)에 의해 결정된 2개의 광섬유 출력(1365,1367) 중 하나로 스위칭될 수 있다. 각각의 스위치(1305)는 본 발명의 글래스 빔 상의 미러 표면(1385)에 광 입력 신호를 전송하는 광섬유 입력(1350)을 위한 가이드(1353)를 포함한다. 제어기(1320)가 광섬유 스위치(1305)의 경우에서처럼, Meso-MEMS 디바이스가 스위칭되지 않았다고 결정하는 경우, 정전기 인터페이스(1310)는 정전기 패턴들(1385, 1383)간의 모든 정전기 전하 차를 제거하고, 글래스 빔은 완화된 위치를 가정한다. 결국, 광학 입력 신호는 제 1 광섬유 출력 가이드 및 증폭기(1359)에 관하여 미러(1385)에서 멀리 반사하고(1357), 스위치(1305)에 결합된 광섬유(1365) 밖으로 가이드되며, 스위치(1305)에 결합되는 광섬유(1367)에는 신호가 없다. 제어기(1320)가 Meso-MEMS 디바이스가 스위칭되었다고 결정한 경우, 광섬유 스위치(1306)의 경우에서처럼, 정전기 인터페이스(1310)는 정전기 패턴(1385, 1383) 상에 정전기 전하 차를 둔다. 따라서, 글래스 빔은 가동, 편향 위치를 가정하고, 광학 입력 신호는 미러(1385)에서 제 2 광섬유 출력 가이드 및 증폭기(1367)로 반사되고, 스위치(1306)에 결합된 광섬유(1367) 밖으로 가이드되고, 스위치(1306)에 결합되는 광섬유(1365)에는 신호가 없다.
본 발명에 따라 형성되는 Meso-MEMS 구조는 PWB 기술을 사용하여 실리콘 디바이스들 및 다른 전자 구성 요소들과 결합될 수 있다. 그에 따라 형성된 광전자 회로(즉, 전자 또는 광자 회로들 중 어느 하나, 또는 양자를 포함하는 것)는, 예를 들면 본질적으로 완전 광학 수신기, 송신기, 또는 트랜시버를 포함하는 복잡한 시스템들일 수 있으며, 광범위하게 다양한 광전자 어셈블리(즉, 전자 또는 광자 회로들 중 하나, 또는 양자를 포함하는 것) 중 임의의 하나에 포함될 수 있고, 투영 디스플레이 및 광 섬유-홈 셋톱 박스들과 같은 수동 광학 네트워크들 및 소비자 제품들을 포함한다.
전술된 명세서에서, 본 발명 및 그 이익들과 이점들은 특정 실시예들에 관하여 기술되고 있다. 그러나, 당업자들은 다양한 수정 및 변경들이 이하 청구범위에서 설명되는 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않도록 행해질 수 있다는 것을 이해하게 된다. 따라서, 상세 및 도면들은 제한적 의미라기보다는 기술적 의미로 간주되어야 하고, 모든 이러한 수정들은 본 발명의 범위 내에서 포함되도록 의도된다. 이익들, 이점들, 문제들에 관한 해결책들, 임의의 이익, 이점 또는 해결책이 보다 더 명백하게 발생하거나 또는 더 명백하게 되게 하는 임의의 소자(들)는 임의의 또는 모든 청구항들의 중요하고, 요구되고 또는 필수 불가결한 특징들 또는 구성 소자들로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 경우, 용어들 "포함하다", "포함하는", 또는 그것의 임의의 다른 변경은, 공정 방법, 제품, 일련의 구성 소자들을 포함하는 장치가 그것의 구성 소자들만을 포함하지 않고, 이러한 공정, 방법, 제품, 또는 장치에 관하여 명백히 기입되지 않았거나 또는 고유하지 않은 다른 구성 소자들을 포함하도록, 비배타적 포함을 커버링하도록 의도된다.
본 명세서에 사용되는 용어 " 또 다른"은 적어도 제 2 이상으로서 정의된다. 해석 "~ 또는 ~ 중 어느 하나"는 불린 배타적 문장(Boolean exclusive or statement)과 동일하다. 본 명세서에 사용되는 용어 "포함하는", 및/또는 "가지는"은 포함하는으로 정의된다. 광전자 기술에 관하여 본 명세서에 사용되는 용어 "결합되는"은 반드시 직접적으로 접속되지 않고, 반드시 기계적으로 접속되지 않아도 접속되는 것으로 정의된다.
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- 메소 전기 기계 시스템(Meso-electromechanical system)을 제조하는 방법에 있어서,기판상의 금속 층으로부터 상기 기판의 디바이스 영역 내에 제 1 정전기 패턴을 형성하는 단계;상기 디바이스 영역 위에 희생 광유전체 층(sacrificial photodielectric layer)을 배치하는 단계;상기 희생 광유전체 층을 노출시켜 적어도 하나의 보이지 않는 스탠드오프(standoff) 영역을 형성하는 단계;정전기 재료로 글래스 유전체의 상부 및 하부 표면들을 코팅하는 단계;상기 희생 광유전체 층에 상기 코팅된 글래스 유전체를 적층하는 단계;상기 제 1 정전기 패턴과 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있는 제 2 정전기 패턴을 포함하는 글래스 빔(glass beam)의 패턴을 갖는 상기 코팅된 글래스 유전체상에 패터닝된 보호층을 형성하는 단계;상기 글래스 빔의 상기 패턴 내에 있지 않는 글래스 및 정전기 재료를 제거하는 단계; 및상기 적어도 하나의 보이지 않는 스탠드오프 영역 이외의 상기 희생 광유전체 층의 부분들을 제거하여, 적어도 하나의 스탠드오프를 형성하는 단계를 포함하는, 메소 전기 기계 시스템 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 패터닝된 보호층을 형성하는 단계는:상기 글래스 유전체의 상기 상부 표면상에 적어도 50마이크론 두께로 감광성 에칭 레지스트를 도포하는 단계; 및패턴을 사용하여 상기 감광성 에칭 레지스트를 노출시키는 단계를 포함하며,상기 글래스 빔의 패턴 내에 있지 않는 상기 글래스 및 정전기 재료를 제거하는 단계는 샌드블래스팅(sandblasting)을 포함하는, 메소 전기 기계 시스템 제조 방법.
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