KR100888076B1

KR100888076B1 - 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법

Info

Publication number: KR100888076B1
Application number: KR1020080041189A
Authority: KR
Inventors: 박일흥; 박재형; 김용권; 유병욱; 진주영
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-03-11

Abstract

본 발명은 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 제1 웨이퍼에 마이크로미러를 형성하는 마이크로미러 형성 단계; (2) 제2 웨이퍼에 바닥 전극을 형성하는 바닥 전극 형성 단계; (3) 상기 제1 웨이퍼와 상기 제2 웨이퍼를 접합하는 접합 단계; 및 (4) 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각하는 동시 식각 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.

본 발명에서 제안하고 있는 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법에 따르면, 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼에 각각 마이크로미러 및 바닥 전극을 형성하여 이를 접합한 후, 하나의 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각함으로써, 공정 오차에 의한 마이크로미러 특성의 불균일성을 개선할 수 있다.

마이크로미러, 자가 정렬 전극, 바닥 전극, 접합, 동시 식각, 특성의 불균일성

Description

자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING A MICRO-MIRROR USING A SELF-ALIGNED ELECTRODE}

본 발명은 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼에 각각 마이크로미러 및 바닥 전극을 형성하여 이를 접합한 후, 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각함으로써, 공정 오차에 의한 마이크로미러 특성의 불균일성을 개선할 수 있는 마이크로미러 제작 방법에 관한 것이다.

평판 전극을 이용하여 구동하는 마이크로미러의 설계는 전극 간의 정전기적 토크와 미러를 지지하는 스프링의 기계적 토크의 균형으로부터 구동 전압과 구동각을 고려하여 이루어진다. 토션 스프링(torsion spring)을 이용하는 마이크로미러의 경우, 토션 스프링 상수는 다음 수학식 1과 같이 주어지고, 미러가 회전하였을 때 그와 비례한 스프링의 기계적 복원 토크는 다음 수학식 2와 같이 주어진다.

여기서, κ는 스프링 단면의 형태에 의존하는 상수로서 스프링의 폭과 두께에 의존적이며, 두께가 두꺼울수록 1/3에 근사하게 된다. E는 영율(Young's modulus)을, v는 Poisson’s ratio을 각각 나타낸다. θ는 미러의 회전각, α는 정규화된 회전각도(최대 회전할 수 있는 각도 대비 미러의 실제 회전각 비율), Z₀는 미러판과 바닥 전극 사이의 초기 간격을 나타낸다. L은 회전축 중심에서 미러 끝 부분까지의 길이를 의미한다.

도 1은 정전력을 이용한 양방향 구동 마이크로미러의 정전력에 의한 토크를 계산하기 위한 개략도이다. 도 1에서 미러 판의 크기를 a라고 하자. 양 전극 간의 간격을 Z₀, 미러 끝 부분의 변위를 Z_T라고 하면, 정전력에 의한 힘은 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

수학식 3에서 A는 미러의 면적, 유전율 ε₀는 8.85 pF/m, V_a는 인가된 바이어스 전압, Z(x)는 각 x 위치에서의 전극 간 간격을 의미한다. 도 1과 같은 구조의 마이크로미러에 전압이 인가될 경우 정전력에 의한 토크는 α, β, 로 정의된 상수를 이용하여 다음 수학식 4와 같이 정리된다.

여기서, α, β, γ는 각각

,

와 같이 정의된다.

토션 스프링에 의해 주어지는 기계적인 복원 토크는 앞서 설명한 수학식 2와 같다. 스프링에 의한 기계적인 복원력과 수학식 4로 표현되는 정전력에 의한 전기적 토크가 평형상태가 되는 지점에서 미러의 구동각이 결정된다. 따라서 수학식 2와 수학식 4를 양 변에 두고 정리를 하면 구동전압과 구동각에 의한 식으로 나타낼 수 있다. 마이크로미러가 210μm 210μm의 크기를 가지며 스프링이 1.2μm 8μm 42μm의 크기로 마이크로미러의 정 중앙에 축을 이루고 있는 경우, 도 2와 같은 구동전압 대비 구동각의 그래프를 얻을 수 있게 된다. 인가전압이 증가함에 따라 미러의 구동각이 증가하다가 어느 임계전압 이상이 인가되면 미러는 바닥 전극에 갑자기 달라붙게 된다. 이를 풀인 현상이라고 부르며, 풀인 현상이 시작되는 인가전압을 풀인 전압, 풀인 현상이 일어나는 순간의 회전 각도를 풀인 임계각이라고 한다. 도 2a는 인가전압의 증가에 따른 구동각의 증가와 풀인 전압을 보여주고 있다. 풀인 된 미러의 인가전압을 서서히 감소시키면 다시 미러가 원래의 상태로 되돌아가는데 풀인 전압에서 미러가 바닥전극으로부터 떨어지는 것이 아니라 더 낮은 인가전압에서 떨어지게 된다. 도 2b는 풀인 된 미러의 인가전압을 감소시킴에 따른 미러의 상태를 나타낸다. 풀인 전압보다 더 낮은 전압에서 미러가 바닥에서 분리됨을 보여준다.

이와 같은 원리를 이용하여 정전력으로 구동한 마이크로미러의 구동 전압과 회전각도, 풀인 전압, 풀인 임계각 등을 설계할 수 있다. 그러나 실제 제작 공정상에서는 미러 판과 바닥 전극 사이의 정확한 정렬이 쉽지 않다. 기존의 제작 공정의 경우 바닥에 전극을 형성하고 희생 층을 형성한 후 미러를 제작하거나 미러를 추후 제작하여 바닥 전극과 정렬하여 접합하는 방식으로 마이크로미러를 제작한다. 이 경우, 제작 공정 시에 정렬 오차가 발생할 수밖에 없으며 이는 마이크로미러의 구동 특성에 영향을 준다. 도 1에서와 같이 양방향으로 구동하는 마이크로미러의 경우, 양쪽 방향으로의 미러 구동 특성이 동일하지 않은 문제가 발생되며, 특히 마이크로미러가 주로 응용이 되는 어레이 형태의 소자에 있어서 미러 판과 바닥 전극간의 정렬 오차는 미러간의 동작 특성 균일성에 가장 크게 영향을 미치는 요소가 된다. 미러 판과 바닥 전극사이의 정렬 오차가 구동 특성에 미치는 영향을 분석하면 다음과 같다.

도 3은 미러 판과 바닥 전극 사이에 정렬 오차가 발생되는 경우 β와 γ의 변화를 보여주는 개략도이다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 정렬 오차로 인하여 β와 의 변화가 미러의 양쪽에서 발생이 되며 또한 어레이로 미러가 형성되어 있는 경우 각각의 미러 간에 β와 값의 차이가 생기게 된다. 수학식 2와 수학식 4를 정리한 식과 그 식을 미분한 식을 서로 뺀 후에 무한급수를 취한 결과를 보 면 β, γ 값과 풀인 전압의 관계를 알 수 있다.

수학식 5는 β와 γ 값이 풀인 임계각을 결정함을 의미하며, 이는 곧 마이크로미러의 동적 영역의 대소와 관련이 있다. 반면에 풀인 전압은 풀인 임계각과 직접적인 연관성이 없음을 알 수 있다. 과도한 구동전압이 인가될 경우 차징 효과에 의한 신뢰성 있는 구동 상의 문제와 밀접한 관련성이 있으므로, 양 방향으로의 구동전압과 한 어레이 내에서 마이크로미러 간의 구동전압이 균일해야 한다. 그러나 공정상 정렬 오차가 생길 경우에는 하부 바닥전극에 예상했던 β값을 얻을 수 없을 것이다.

도 3을 참조하면, 정렬 오차에 의해 β와 γ가 달라지는데 γ는 β에 비하여 수학식 5에서의 역할이 극히 미미하므로 크게 관계가 없다. 하지만 β는 풀인 임계각뿐만 아니라, 구동전압에도 큰 영향을 미치는데 예를 들면 다음과 같다. 마이크로미러 설계 값을 250× 250μm²로 하고, 스프링은 2× 4× 40μm³로, 미러와 스프링의 두께는 동일하게 4μm로 설계하였을 때를 가정하자(구동각은 7.66°). x방향으로 정렬 오차가 5μm 발생할 경우 풀인 전압은 6.8V가 증가하고, 10μm 발생할 경우 14.3V나 증가하게 된다. 또한 정렬 오차는 풀인 전압과 풀인 임계각의 변화를 만들 뿐만 아니라 인가전압에 대한 구동각 특성의 변화를 야기한다. 도 4는 정렬 오차에 의해 β값이 변하는 경우 미러 구동 특성의 변화를 계산한 그래프를 나 타내는 도면이다. 도 4에서, 인가전압에 따른 미러의 구동각 또한 크게 변함을 확인할 수 있다.

기존의 제작 공정의 경우에, 정렬 접합 공정이나 희생층 위에 미러 판을 형성하는 마지막 사진 공정에서 정렬 오차가 10μm 가까이 발생하는 것이 가능하기 때문에, 동일한 β값을 얻는 것은 마이크로미러 제작의 큰 과제라고 할 수 있다.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼에 각각 마이크로미러 및 바닥 전극을 형성하여 이를 접합한 후, 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각함으로써, 공정 오차에 의한 마이크로미러 특성의 불균일성을 개선할 수 있는 마이크로미러 제작 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법은,

(1) 제1 웨이퍼에 마이크로미러를 형성하는 마이크로미러 형성 단계;

(2) 제2 웨이퍼에 바닥 전극을 형성하는 바닥 전극 형성 단계;

(3) 상기 제1 웨이퍼와 상기 제2 웨이퍼를 접합하는 접합 단계; 및

(4) 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각하는 동시 식각 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 웨이퍼로서 SOI(Silicon On Insulator) 기판을, 상기 제2 웨이퍼로서 유리 기판을 이용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 마이크로미러 형성 단계는, 더미 유리 기판을 양극 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 마이크로미러 형성 단계는, 상기 제1 웨이퍼의 한 면은 화학-기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing; CMP) 공정을 통해 미러 두께만큼 얇게 하며, 상기 제1 웨이퍼의 다른 면은 미러 판과 바닥 전극 사이의 설계 간격에 맞게 가공한 후 이방성 식각 공정을 통해 미러의 구동 공간을 형성한다.

바람직하게는, 상기 접합 단계에서, 양극 접합 방식으로 접합한다.

바람직하게는, 상기 동시 식각 단계에서, 마스크 재료로 알루미늄을 사용한다.

더욱 바람직하게는, 상기 바닥 전극 형성 단계에서, 상기 바닥 전극은 알루미늄을 마스크로 이방성 식각이 가능한 재료를 이용한다.

더더욱 바람직하게는, 상기 바닥 전극으로서, 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 중 하나를 이용한다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법의 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법은, 마이크로미러 형성 단계(S10), 바닥 전극 형성 단계(S20), 접합 단계(S30), 및 동시 식각 단계(S40)를 포함한다.

마이크로미러 형성 단계(S10)는, 제1 웨이퍼에 마이크로미러를 형성하는 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 제1 웨이퍼로서 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용될 수 있다. 마이크로미러를 형성하는 과정에서 지지 구조물도 함께 형성되는데, 이렇게 형성된 지지 구조물은 이후의 접합 단계(S30)에서 제2 웨이퍼와 접합하는 접합부의 역할을 하게 된다. 마이크로미러 형성 단계(S10)는, 더미 유리 기판을 양극 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 더미 유리 기판은 CMP 공정에 의해 얇아진 제1 웨이퍼(SOI 기판)를 핸들링하기 위해 사용된다. 마이크로미러 형성 단계(S10)에서, 제1 웨이퍼의 한 면은 화학-기계적 연마(CMP) 공정을 통해 미러 두께만큼 얇게 하며, 제1 웨이퍼의 다른 면은 미러 판과 바닥 전극 사이의 설계 간격에 맞게 가공한 후 이방성 식각 공정을 통해 미러의 구동 공간을 형성한다. 마이크로미러 형성 단계(S10)에서 SOI 기판이 사용되는 경우, SOI 기판의 산화막도 제거된다.

바닥 전극 형성 단계(S20)는, 제2 웨이퍼에 바닥 전극을 형성하는 역할을 한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 제2 웨이퍼로서 유리 기판이 사용될 수 있다. 이후 단계인 동시 식각 단계(S40)에서 알루미늄이 마스크로 사용될 경우, 바닥 전극 형성 단계(S20)에서 바닥 전극은 알루미늄을 마스크로 이방성 식각이 가능한 재료를 이용하게 된다. 이와 같은 재료로서, 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 등이 이용될 수 있다.

접합 단계(S30)는, 마이크로미러 형성 단계(S10)에 의해 마이크로미러와 지지 구조물이 형성된 제1 웨이퍼와, 바닥 전극 형성 단계(S20)에 의해 바닥 전극이 형성된 제2 웨이퍼를 접합하는 역할을 한다. 접합 단계(S30)에서는, 양극 접합 방식이 사용될 수 있다.

동시 식각 단계(S40)는, 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각하는 역할을 한다. 동시 식각 단계(S40)에서, 마스크 재료로는 알루미늄을 사용할 수 있다. 알루미늄은 미러 판과 바닥 전극의 동시 식각을 위한 마스크로서 사용될 뿐만 아니라, 반사도를 개선하는 역할도 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제조 공정을 나타내는 도면이다. 먼저, 제1 웨이퍼(SOI 기판)의 한쪽 면을 미러 두께만큼 화학-기계적 연마(CMP)를 통해 얇게 한 다음 얇아진 SOI 웨이퍼를 핸들링하기 위해 더미 유리 기판을 양극 접합한다. 이때 제1 웨이퍼(SOI 기판)의 다른 면은 미러판과 바닥 전극 사이의 설계 간격에 맞게 가공한 후 이방성 식각 공정을 통해 미러의 구동 공간을 형성한다. 제1 웨이퍼의 산화막도 이 과정에서 제거한다(도 7a). 그 후, 미리 바닥 전극을 형성해 둔 제2 웨이퍼(유리 기판)와 양극 접합한다. 제2 웨이퍼 상에 형성되는 바닥 전극은 실리콘 전극이 사용되며 알루미늄을 마스크로 이방성 건식 식각이 가능한 전극 재료가 사용이 가능하다(도 7b). 다음으로, 더미 유리 기판을 제거한다(도 7c). 마지막으로, 알루미늄을 증착하고 미러의 모양에 맞게 알루미늄을 패터닝 한다. 패터닝 된 알루미늄을 마스크로 하여 미러 판 및 바닥 전극까지 동시에 식각(etching)한다(자가 정렬)(도 7d).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법을 이용하여 제작된 마이크로미러의 전자현미경 사진을 나타내는 도면이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 바닥 전극에서 동일한 β값을 얻기 위하여 단결정 실리콘 마이크로미러 구조물 위에 증착된 알루미늄을 마스크로 하여 무정질 실리콘의 바닥 전극을 반응성 이온 식각으로 형성하였다. 그 결과, 도 7b에 도시된 바와 같은 마이크로미러의 바닥 전극을 제작할 수 있었다. 도 8은 시뮬레이션 결과와 양 방향으로 구동한 경우의 정특성에 관한 측정 결과를 비교하여 나타내는 도면이다. 실제 공정상의 오차가 3.7μm가 발생했음에도 구동전압 대비 구동각이 양방향 큰 차이가 없는 것으로 확인되어, 자가 정렬 전극의 설계 유효성을 입증하였다. 이때의 풀인 전압은 103.4V이었고, 풀인 임계각은 2.79°이었다. 정렬 오차에도 불구하고 계산 수치와의 풀인 전압 오차는 0.6%정도에 불과하였다. 이 오차는 바닥 전극의 실리콘의 두께가 3μm로 반응성 이온 식각이 마이크로미러의 틈새로 바닥 전극 두께를 정밀하게 식각하기 어려웠고 스프링의 형성 과정에서 사진공정의 현상도가 떨어져 설계 값과 차이가 있었던 것으로 추측된다.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 정전력을 이용한 양방향 구동 마이크로미러의 정전력에 의한 토크를 계산하기 위한 개략도.

도 2는 인가전압에 따른 마이크로미러의 회전각을 나타내는 도면으로서, 도 2a와 도 2b는 각각 풀인 현상 및 해제 현상을 나타내는 도면.

도 3은 미러 판과 바닥 전극 사이에 정렬 오차가 발생되는 경우 β와 γ의 변화를 보여주는 개략도.

도 4는 정렬 오차에 의해 β값이 변하는 경우 미러 구동 특성의 변화를 계산한 그래프를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법의 구성을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제조 공정을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법을 이용하여 제작된 마이크로미러의 전자현미경 사진을 나타내는 도면.

도 8은 시뮬레이션 결과와 양 방향으로 구동한 경우의 정특성에 관한 측정 결과를 비교하여 나타내는 도면.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S10: 마이크로미러 형성 단계

S20: 바닥 전극 형성 단계

S30: 접합 단계

S40: 동시 식각 단계

Claims

자가 정렬 전극을 이용한 마이크로미러 제작 방법에 있어서,

(1) 제1 웨이퍼에 마이크로미러를 형성하는 마이크로미러 형성 단계;

(2) 제2 웨이퍼에 바닥 전극을 형성하는 바닥 전극 형성 단계;

(3) 상기 제1 웨이퍼와 상기 제2 웨이퍼를 접합하는 접합 단계; 및

(4) 단일 마스크로 패터닝 하여 미러 판 및 바닥 전극을 동시에 식각하는 동시 식각 단계를 포함하며,

상기 바닥 전극으로서, 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 중 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 웨이퍼로서 SOI(Silicon On Insulator) 기판을, 상기 제2 웨이퍼로서 유리 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로미러 형성 단계는, 더미 유리 기판을 양극 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 마이크로미러 형성 단계는, 상기 제1 웨이퍼의 한 면은 화학-기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing; CMP) 공정을 통해 미러 두께만큼 얇게 하며, 상기 제1 웨이퍼의 다른 면은 미러 판과 바닥 전극 사이의 설계 간격에 맞게 가공한 후 이방성 식각 공정을 통해 미러의 구동 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 접합 단계에서, 양극 접합(anodic bonding) 방식으로 접합하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제1항에 있어서,

상기 동시 식각 단계에서, 마스크 재료로 알루미늄을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
제6항에 있어서,

상기 바닥 전극 형성 단계에서, 상기 바닥 전극은 알루미늄을 마스크로 이방성 식각이 가능한 재료를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 제작 방법.
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