KR101176698B1 - 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 액추에이터 - Google Patents

양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터에 관한 것으로서, 전류 또는 자기장의 방향을 제어하여 마이크로 거울의 회전방향을 양방향으로 효율적으로 제어할 수 있고, 특히, 간단한 구조를 가지면서도 양방향 효율적인 구동을 수행할 수 있어서 높은 제작 수율과 그에 따른 생산 단가를 현저하게 낮출 수 있을 뿐 아니라, 낮은 작동 전압에서 구동이 가능하여 낮은 작동전압이 요구되는 다양한 응용장치에 적용할 경우 효용성을 높일 수 있는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터에 관한 것이다.
엑츄에이터, 마이크로 거울, 좌굴, 주울열, 로렌츠 힘, 양방향 구동

Description

양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 액추에이터 {BIDIRECTIONAL ELECTROTHERMAL ELECTROMAGNETIC TORSIONAL MICROACTUATORS}
본 발명은 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전류 또는 자기장의 방향제어를 통해 마이크로 거울의 회전방향을 효율적으로 제어할 수 있고, 간단한 구조를 가지면서도 양방향 효율적인 구동이 수행가능할 뿐만 아니라, 낮은 작동 전압에서 구동이 가능하여 다양한 응용장치에 적용할 경우 효용성을 높일 수 있는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로, 회전운동을 발생시키는 마이크로 구동기(micro actuators)는 통신, 의료, 영상주사, 가변 캐패시터 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다.
이러한 마이크로 구동기의 구동방식과 관련된 논문으로서 다음과 같은 몇 가지 소개된 것들이 있다.
(1) A. Jain, H. Qu, S. Todd, and H. Xie, "A thermal bimorph micromirror with large bi-directional and vertical actuation,” Sens . Actuator A- Phys., vol. 122, pp. 9-15, 2005
위의 논문에서는 표면 마이크로머시닝(Surface micromachining)을 통해 제작한 전열 구동방식의 영상 주사장치가 소개되어 있다. 위 논문의 연구에서는 산화 실리콘 층과 금속 층으로 구성된 바이메탈(Bimetal) 층을 이용하여 마이크로 거울을 구동하였다. 그러나 이러한 전열 구동방식은 상대적으로 복잡한 가공공정을 거친다는 단점이 있으며 구동소자가 전체적으로 낮은 기계적 강성을 가지고 있어서 외부로부터의 충격 및 진동에 거울의 위치가 영향을 받을 수 있는 단점이 있었다.
(2) D. Elata and R. Mahameed, "A Temperature-Gradient Driven Micromirror with Large Angles and High Frequencies,” in 19 th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems , 2006. MEMS 2006, Istanbul, January 22-26, 2006, pp. 850-3.
위의 논문에서는 높은 기계적 강성을 가지는 영상 주사장치 구조를 설계하여 거울을 지지하는 실리콘 빔을 국소적으로 가열할 경우 발생하는 온도 구배(Temperature gradient)를 통해서 공진 모드에서 거울을 작동하였다. 이러한 구동방식은 높은 기계적인 강성을 얻을 수 있었지만 공진 모드에서만 작동이 가능하다는 한계가 있었고 정적인 회전구동이 불가능하다는 단점이 있었다.
(3) A. Cao, J. Kim, and L. Lin, "Bi-directional electrothermal electromagnetic actuators,” J. Micromech . Microeng ., vol. 17, pp. 975-82, 2007.
위의 논문에서는 평면 내에서 양방향으로 작동 가능한 전열 전자기 구동기가 소개되어 있으며, 구동 소자는 양단 고정보의 구조를 가지고 외부 자기장과 실리콘 양단 고정보에 흐르는 전류를 통하여 양 방향으로 구동이 가능하도록 되어있다. 그러나 이 논문에서 소개된 구동 소자는 평면 내에서 직선운동만이 가능했었던 한계가 있었다.
이에 따라, 간단한 작동구조를 가지면서도 평면이라는 한정된 작동범위에서 벗어나 양방향 구동이 가능한 마이크로 구동기 개발에 대한 필요성이 있었고, 낮은 작동 전압에서도 효율적으로 구동가능한 광범위한 응용범위를 갖는 마이크로 구동기의 개발작업이 절실하게 요구되는 실정이었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로 엑츄에이터의 반사 거울 양단에 연결된 고정보에 전류를 흘려줄 때 발생하는 열팽창에 의한 고정보의 좌굴(Buckling)을 이용하되, 상기 고정보의 좌굴 방향을 제어하기 위하여 외부에서 전자기장을 가해줌으로써 마이크로 거울의 양방향 구동이 가능하고, 전류 또는 자기장의 방향제어를 통해 마이크로 거울의 회전방향을 효율적으로 제어할 수 있으며, 또한, 간단한 작동 구조에 의해 제작시 제작 수율을 높일 수 있고 생산 단가를 낮출 수 있을 뿐 아니라, 낮은 작동 전압에서 구동이 가능하여 다양한 응용장치에 적용할 경우 효용성을 높일 수 있는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터는, 상부면에 외부에서 입사되는 광이 반사되는 반사면이 형성된 거울과; 상기 거울의 회전 중심축 상에 배치되며 상기 거울의 양측에 연결되는 토션바와; 상기 토션바가 지지되는 토션바 앵커와; 상기 토션바를 사이에 두고서 상기 거울의 양측에 서로 대칭되도록 연결되는 한 쌍의 좌굴빔과; 상기 좌굴빔이 지지되는 좌굴빔 앵커를 포함하여 이루어지며, 자기장이 형성된 상태에서 상기 좌굴빔 앵커를 통해 상기 좌굴빔에 전류를 흘려주어 상기 좌굴빔의 열팽 창에 의해 수직방향으로 좌굴(buckling)이 발생하여 상기 거울이 상기 토션바를 중심으로 양방향으로 회전이 이루어지도록 구성한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 토션바를 중심으로 회전되는 상기 거울의 회전방향은 자기장을 통해 제어되도록 할 수 있다.
또는, 상기 토션바를 중심으로 회전되는 상기 거울의 회전방향은 상기 좌굴빔에 흐르는 전류의 방향제어를 통해 제어되도록 할 수 있다.
한편, 상기 엑츄에이터는 실리콘(silicon)으로 구성되며, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 포함하는 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 이나 표면 마이크로머시닝 (Surface Micromachining) 또는 이들의 조합으로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 좌굴빔의 두께는 상기 거울이나 좌굴빔 앵커의 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터 제조방법은, 핸들 실리콘층, 실리콘 산화막 절연층, 디바이스 실리콘층이 순차적으로 적층된 웨이퍼에 있어서, 상기 디바이스 실리콘층의 상부면과 핸들 실리콘층의 하부면에 각각 일정두께의 실리콘 산화막층을 형성하는 단계와; 상기 디바이스 실리콘층의 상부에 형성된 실리콘 산화막층을 패터닝(patterning)하는 단계와; 상기 핸들 실리콘층의 하부에 형성된 실리콘 산화막층을 패터닝하는 단계와; 상기 디바이스 실리콘층 상부에 패터닝된 실리콘 산화막층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와; 상기 디바이스 실리콘층 상부의 실리콘 산화막층과 포토레지스트를 마스크(mask)로 이용하여 상기 디바이스 실리콘층을 1차 에칭(etching)하는 단계와; 상기 디바이스 실리콘층 상부에 도포된 포토레지스트를 완전히 제거한 후, 상기 디바이스 실리콘층 상부의 실리콘 산화막층을 마스크로 이용하여 디바이스 실리콘층을 2차 에칭(etching)하는 단계와; 상기 핸들 실리콘층 하부의 실리콘 산화막층을 마스크로 이용하여 상기 핸들 실리콘층을 식각하는 단계와; 상기 핸들 실리콘층 및 디바이스 실리콘층 표면에 노출된 실리콘 산화막층을 모두 제거하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 핸들 실리콘층의 하부면에 형성된 실리콘 산화막층은 상기 디바이스 실리콘층의 상부면 형성된 실리콘 산화막층의 두께보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 핸들 실리콘층의 하부면 및 상기 디바이스 실리콘층의 상부면에 형성되는 실리콘 산화막층은 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식을 통해 증착될 수 있다.
그리고, 상기 디바이스 실리콘층 상부에 실리콘 산화막층을 패터닝(patterning)하는 단계는, 디바이스 실리콘층 상부의 실리콘 산화막층에 포토레지스트를 도포한 다음, 상기 포토레지스트를 설계된 패턴으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 이용하여 실리콘 산화막층을 패터닝하는 공정을 통해 이루어진다.
이때, 상기 디바바이스 실리콘층은 단차진 층이 형성되도록 1차 에칭(etching)이 2차 에칭보다 깊은 깊이로 식각된다.
또한, 핸들 실리콘층 및 디바이스 실리콘층 표면에 노출된 실리콘 산화막층을 제거하는 식각 작업은 불산(HF;Hydrofluoric acid)을 이용하여 이루어지되, 액체 상태의 불산과 기체 상태의 불산을 혼용하여 수행할 수 있다.
본 발명은 기존의 마이크로 회전 구동기와 비교하여 간단한 구조를 가지면서 양방향 효율적인 구동을 수행할 수 있도록 되어 있기 때문에 높은 제작 수율을 기대할 수 있고 그에 따른 생산 단가를 현저하게 낮출 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 낮은 작동 전압에서 구동이 가능하기 때문에 낮은 작동전압이 요구되는 각종 휴대용 장치에 적용할 경우 그 효용성이 매우 높으며, 사용상의 응용범위를 넓혀 다양한 응용 장치들의 성능 개선에 기여할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의해 새로운 구동방식의 마이크로 회전 엑츄에이터에 대한 기술을 확보함으로써 동종 엑츄에이터의 개발에 대한 원천 기술을 확보하여 이를 통해 세계수준의 기술 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것이다.
본 발명은 수직형 전열 전자기 엑츄에이터를 기반으로 하는 회전형 마이크로 엑츄에이터의 설계, 제작 및 제어 방법을 최초로 제시한다. 특히, 본 발명은 지금까지 개발되고 소개된 정전용량 구동방식, 전열 구동방식, 전자기 구동방식 등으로 구동되는 기존의 마이크로 엑츄에이터에서 보다 한 단계 진보하여 새로운 방식으로 회전 운동을 발생시키는 양방향 구동이 가능한 전열 전자기 방식의 마이크로 회전 엑츄에이터를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터의 구조를 도시한 사시도이다. 또한, 도 2 및 도 3은 마이크로 엑츄에이터의 좌굴빔에 흐르는 전류의 방향에 따라 마이크로 거울의 회전방향이 변화되는 모습을 보여주는 모식도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터는, 상면부에 외부로부터 입사되는 광(光)을 반사시키기 위한 반사면이 형성된 마이크로 거울(102)과, 상기 거울(102)을 양측에서 지지하는 2개의 토션바(torsion bar)(104a)(104b)와, 상기 토션바(104a)(104b)를 지지하기 위한 토션바 앵커(106a)(106b)와, 상기 토션바(104a)(104b)와 평행을 이루며 상기 거울(102)의 양측에 연결되는 4개의 좌굴빔(105a,105b)(105c,105d)과, 상기 각각의 좌굴빔(105a,105b)(105c,105d)을 지지하기 위한 4개의 좌굴빔 앵커(107a,107b)(107c,107d)를 포함하여 구성된다.
상기 거울(102)은 수 μm 두께를 갖는 얇은 원판 형태로 이루어져 있으며, 그의 양측 중앙부에 연결되는 토션바(104a)(104b)를 중심으로 양 방향 회전작용이 이루어지도록 되어 있다.
상기 토션바(104a)(104b)는 거울(102)의 회전 중심축 연장선상에 배치되며, 상기 거울(102)의 회전 중심축 역할을 하는 동시에 거울(102)을 양측에서 지지해주는 역할을 하고, 또한, 상기 거울(102)의 회전 구동시 비틀림에 의한 스프링과 같은 복원력을 제공하게 된다.
구체적으로, 상기 토션바(104a)(104b)는 일측이 상기 거울(102)의 양측에 중앙에 형성된 연결단(103a)(103b)의 끝단에 연결되고, 타측은 토션바 앵커(106a)(106b)와 연결된 구조를 갖는다. 이때, 상기 토션바(104a)(104b)의 전후방향(도면의 X축 방향) 폭은 상기 연결단(103a)(103b)의 전후방향 폭보다 작게 형성되어, 상기 토션바(104a)(104b)를 중심으로 거울(102)의 양 방향 회전 구동이 용이하게 이루어지도록 되어 있다.
상기 토션바 앵커(anchor)는 수 μm의 두께를 갖는 얇은 삼각형 판 형태로 이루어지고 그의 일측 모서리 부분이 토션바(104a)(104b)의 끝단과 일체로 연결된 구조를 갖는다. 이러한 토션바 앵커(106a)(106b)는 토션바(104a)(104b)를 통해 거울(102)을 좌우 양측방향에서 지지하는 정착부 기능을 수행하게 된다.
상기 좌굴빔(buckling beam)(105a)(105b)(105c)(105d)은 토션바(104a)(104b)를 중심으로 전후방향(도면의 X축 방향) 일정거리 이격된 위치에 평행하게 배치되며, 그의 일측은 거울(102)과 연결되고 타측은 좌굴빔 앵커(107a)(107b)(107c)(107d)와 연결된다. 이와 같은 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)은 토션바(104a)(104b)를 중심으로 전후방향(X축 방향)으로 대칭을 이루는 동시에 거울(102)을 중심으로 좌우방향(Y축 방향)으로 대칭 구 조를 이루게 된다.
상기 좌굴빔 앵커(107a)(107b)(107c)(107d)는 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 끝단에 연결되어 상기 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)이 정착되도록 지지하는 역할을 수행하는 동시에 상기 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)에 전류를 흐르게 할 수 있도록 전류를 인가하기 위한 전극(electrode) 역할을 수행하게 된다.
상기 좌굴빔 앵커(107a)(107b)(107c)(107d)는 토션바 앵커(106a)(106b)와 인접하게 되는 그 일측 단부의 형상이 삼각형 형상의 토션바 앵커(106a)(106b) 양쪽 변에 대응하는 경사진 형태로 형성된다. 이와 같은 좌굴빔 앵커(107a)(107b)(107c)(107d)는 토션바 앵커(106a)(106b)와 합쳐져 전체적으로는 "ㄷ"자 형태를 이루며 상기 거울(102)을 서로 마주보도록 형성된다.
그리고 상기 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 상하방향(Z축 방향) 두께는 거울(102)의 두께보다 얇게 형성되는데, 예컨대, 거울(102)의 두께가 20μm일 경우 상기 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 두께는 10μm 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 이렇게 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 두께를 거울(102)의 두께보다 얇게 형성함으로써, 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)에 전류가 흐르게 될 경우 열팽창에 의해 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 좌굴 (buckling) 현상이 용이하게 이루어지게 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼를 RIE(Reactive Ion Etching), DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 포함하는 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 이나 표면 마이크로머시닝 (Surface Micromachining) 또는 이들을 조합하는 가공방식을 통해 제작된다.
본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 거울(102)의 양측에 위치된 4개의 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)을 이용하여 거울(102)을 양 방향으로 회전시키도록 되어 있는데, 외부에서 자기장이 인가된 상태에서 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)에 전류를 흘려주면 상기 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)이 주울열(Joule heating) 효과에 의해 열 팽창됨과 동시에 자기장 공간을 통과하는 전류에 의한 로렌츠 힘(Lorentz force)이 작용되어 수직방향(Z축 방향)으로 좌굴이 발생하여 거울(102)을 회전축인 토션바(104a)(104b)에 대하여 회전시키게 된다.
이때, 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)의 좌굴 현상은 위 또는 아래의 임의의 방향으로 발생하기 때문에 이를 제어하기 위하여 외부에서 자기장을 가하여 전류의 방향을 조절함으로써 그에 따라 발생하는 로렌츠 힘(Lorentz force)을 제어하여 좌굴이 일어나는 방향을 제어할수 있도록 설계되어 있다. 따라서, 거울(102)의 회전방향을 전류가 흐르는 방향을 제어함으로써 제어하는 것이 가능하게 된다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 마이크로 엑츄에이터에 있어서 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)에 흐르는 전류의 방향에 따라 거울(102)의 회전방향이 변경되는 과정을 도식적으로 보여주고 있다. 즉, 도 2에서 보는 것과 같이, 거울(102)의 좌우 후방측에 위치한 좌굴빔 앵커(107a)(107c)에 각각 (+),(-)의 전극 을 걸어 전류(I1)가 좌굴빔(105a)(105c)을 통해 좌측에서 우측으로 흐르도록 하고, 거울(102)의 좌우 전방측에 위치한 좌굴빔(105b)(105d)에 각각 (-),(+)의 전극을 걸어 전류(I2)가 좌굴빔(105b)(105d)을 통해 우측에서 좌측으로 흐르게 하면, 각각의 좌굴빔(105a,105c)(105b,105d)이 주울열 효과에 의해 열 팽창하게 되고 로렌츠 힘(F1,F2)을 받아 수직방향(Z축 방향)으로 좌굴이 발생하여 거울(102)을 토션바(104a)(104b)에 대하여 시계방향으로 회전시키게 된다. 마찬가지로, 거울(102)을 반시계 방향으로 회전시키고자 할 경우에는 도 3에서 보는 것과 같이 각 좌굴빔(105a,105c)(105b,105d)에 흐르는 전류(I1)(I2)의 반향을 도 2의 전류방향과 반대로 변경함으로써 거울(102)이 반시계 방향으로 회전하게 된다.
이와 같이 마이크로 엑츄에이터의 어느 한쪽 방향으로 자기장(M)이 인가된 상태에서 좌굴빔(105a)(105b)(105c)(105d)에 흐르게 되는 전류방향을 제어함으로써 거울(102)의 양 방향 회전작용이 자유롭게 제어될 수 있다. 마찬가지로, 상기 거울(102)의 회전방향은 마이크로 엑츄에이터에 인가되는 자기장(M)의 방향을 제어함으로써 제어가 가능해진다.
도 4는 본 발명의 마이크로 엑츄에이터의 작동 상태를 백색광 간섭 측정기를 이용하여 측정한 실제 사진으로서, 좌굴빔에 인가되는 전류의 방향에 따라 마이크로 거울(102)이 양 방향으로 회전되는 것을 모습을 보여주고 있다. 여기서, 도 4의 (a)는 전술된 도 2와 같은 방향으로 전류가 인가될 경우의 거울(102)의 회전모습이고, (b)는 도 3과 같이 전류의 방향이 인가될 경우 거울(102)이 위의 (a)와 반대방 향으로 회전되는 모습을 보여준다.
이와 같이, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 전류(I1,I2)의 방향을 제어하여 마이크로 거울(102)의 회전방향을 제어할 수 있도록 되어 있는바, 마이크로 거울(102)의 양 방향 구동을 위해서 전류의 방향을 반대로 흐르도록 제어했을 시 발생하는 로렌츠 힘에 의해 4개의 좌굴빔의 좌굴 방향을 제어하여 거울의 양방향 구동이 가능하도록 하였다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터에 있어서, 좌굴빔 앵커 양단에 인가되는 전압에 따른 마이크로 거울(102)의 정적 회전각 변화를 측정한 그래프이다. 위의 그래프에서 볼 수 있듯이, 마이크로 엑츄에이터의 좌굴빔(105a,105c)(105b,105d)에 7.5 V의 직류 전압이 인가되었을 경우 13.42˚라는 거울(102)의 기계적인 정적 회전각을 얻을 수 있었다.
그리고, 도 6은 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터의 주파수 응답 결과를 보여주는 그래프이다. 위의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 전자기장 하에서 전류의 흐름에 따라 발생하는 로렌츠 힘 또한 소자의 구동력으로 이용하기 때문에 높은 주파수의 공진모드에서 작동하는 것이 가능하였으며 10.94 kHz의 0~4.4 V 싸인 파형(sine wave) 교류전압이 인가되었을 시에 8.46도의 기계적 회전각을 얻을 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 기존의 마이크로 엑츄에이터와 비교하여 간단한 구조를 가지면서 전류 또는 자기장을 제어하여 마이크로 거울(102)을 양 방향으로 효율적으로 회전 구동시킬 수 있는 장점을 갖는다. 이에 따라, 높은 제작 수율을 기대할 수 있고 그에 따른 생산 단가도 현저하게 낮출 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 낮은 작동 전압에서도 구동이 가능하기 때문에, 낮은 작동전압이 요구되는 각종 휴대용 장치에 적용할 경우 그 효용성이 매우 높다.
이하, 상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터의 제조공정을 순차적으로 보여주는 공정도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터 제조방법은, 핸들 실리콘층(200), 실리콘 산화막 절연층(110), 디바이스 실리콘층(100)이 순차적으로 적층된 웨이퍼에 있어서, 상기 디바이스 실리콘층(100)의 상부면과 핸들 실리콘층(200)의 하부면에 각각 일정두께의 실리콘 산화막층(120)(130)을 형성하는 단계와(b), 상기 디바이스 실리콘층(100)의 상부에 형성된 실리콘 산화막층(120)을 패터닝(patterning)하는 단계와(c), 상기 핸들 실리콘층(200)의 하부에 형성된 실리콘 산화막층(130)을 패터닝하는 단계와(d), 상기 디바이스 실리콘층(100) 상부에 패터닝된 실리콘 산화막층(120) 위에 포토레지스트(140)를 도포한 후 패터닝하는 단계와(e), 상기 디바이스 실리콘층(100) 상부의 실리콘 산화막층(120)과 포토레지스트(140)를 마스크(mask)로 이용하여 상기 디바이스 실리콘층(100)을 1차 에 칭(etching)하는 단계와(f), 상기 디바이스 실리콘층(100) 상부에 도포된 포토레지스트(140)를 완전히 제거한 후 상기 디바이스 실리콘층(100) 상부의 실리콘 산화막층(120)을 마스크로 이용하여 디바이스 실리콘층(100)을 2차 에칭(etching)하는 단계와(g), 상기 핸들 실리콘층(200) 하부의 실리콘 산화막층(130)을 마스크로 이용하여 상기 핸들 실리콘층(200)을 식각하는 단계와(h), 마지막으로 상기 핸들 실리콘층(200) 및 디바이스 실리콘층(100) 표면에 노출된 실리콘 산화막층(120)(130)을 모두 제거하여 단계(j)를 포함하여 구성된다.
마이크로 엑츄에이터 제작을 위한 가공공정의 설계
본 발명의 실시 예에서는 20μm 두께의 단일 디바이스 실리콘층(100)을 갖는 SOI 웨이퍼(wafer)를 가공하여 마이크로 엑츄에이터를 제작하는 공정을 예시한다.
1. SOI 웨이퍼 초기의 상태(도 7의 (a))
먼저, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터의 제작을 위해 선택한 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 초기상태는 다음의 <표 1>과 같다. 여기서, SOI 웨이퍼는 4인치(inch)를 사용하였다.

SOI 웨이퍼의 각 층
두께 (μm)

디바이스 실리콘층
20

실리콘 산화막 절연층
1

핸들(handle) 실리콘층
400
<표 1>
도 7의 (a)에서 보는 것과 같이, 20μm의 디바이스 실리콘층(100) 하부에 1μm의 실리콘 산화막 절연층(110)이 위치하고, 상기 실리콘 산화막 절연층(110) 하부에 디바이스 실리콘층(100)에 제작된 소자를 기계적인 충격으로부터 보호하기 위한 400μm의 핸들 실리콘층(handle silicon layer)이 위치하게 된다.
여기서, 상기 1μm의 실리콘 산화막 절연층(110)은 핸들 실리콘층(200)과 디바이스 실리콘층(100) 사이를 절연시켜주는 역할을 한다. 또한, 상기 핸들 실리콘층(200)은 디바이스 실리콘층(100)에 제작된 소자의 기계적인 강성을 보강함과 동시에 마이크로 엑츄에이터 장치의 주요 작동 파트(거울, 좌굴빔 등)가 상하방향(out of plane)으로 움직일 수 있는 공간을 확보해준다.
2. 습식 산화를 통한 실리콘 산화막의 성장(도 7의 (b))
SOI 웨이퍼에 소자를 제작하기 위해서는 심도 반응성 이온 에칭(DRIE;Deep Reactive Ion Etching; 이하 'DRIE'라 함)을 통해서 디바이스 실리콘층(100)의 상부면과 핸들 실리콘층(200)의 하부면을 식각하여야 한다. 이 식각 과정 중 설계된 패턴을 실리콘에 전달하기 위해서는 DRIE시에 실리콘 산화막층(120)(130)의 패턴이 마스크 역할을 하여야 한다.
이를 위해, 상기 디바이스 실리콘층(100)의 상부면과 핸들 실리콘층(200)의 하부면에 각각 일정두께의 실리콘 산화막층(120)(130)을 형성하게 되는데, 이때, 상기 핸들 실리콘층(200)의 하부면에 형성된 실리콘 산화막층(130)은 상기 디바이스 실리콘층(100)의 상부면 형성된 실리콘 산화막층(120)의 두께보다 두껍게 형성 하는 것이 바람직하다.
3. Plasma Enhanced 화학 기상 증착( PECVD ) 방식의 실리콘 산화막 증착
핸들 실리콘층(200)의 하부면에 DRIE 공정 시 마스크(mask)의 역할을 할 실리콘 산화막층(130)을 증착한다. 이때, 상기 실리콘 산화막층(130)은 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식을 통해 증착하게 된다.
여기서, 400μm의 핸들 실리콘층(200)의 식각 시에 마스크로서의 역할을 온전히 하기 위해서는 최소 2μm 이상의 실리콘 산화막층(130)이 필요하다. PECVD 공정 이후 웨이퍼 하부면의 실리콘 산화막층(130)은 총 3μm 이상이 된다. 여기서, 상기 3μm의 실리콘 산화막층(130) 두께는 400μm의 실리콘을 DRIE할 때에 마스크로서의 역할을 하기에 충분한 두께가 된다.
4. SOI 웨이퍼 상부의 산화막 패터닝을 위한 포토레지스트 ( PR ) 코팅
SOI 웨이퍼 상부면의 실리콘 산화막층(120)에 마이크로 소자를 설계한 패턴을 전달하기 위해 포토레지스트(Positive Photoresist)를 도포한다.
5. SOI 웨이퍼 상부의 산화막 패터닝을 위한 포토레지스트 ( PR ) 패터닝
SOI 웨이퍼 상부면의 실리콘 산화막층(120)을 패터닝 하기 위한 RIE(Reactive Ion Etching)공정에 마스크로 사용될 포토레지스트(PR) 마스크를 패터닝 한다.
6. SOI 웨이퍼 상부면에 실리콘 산화막 패터닝 (도 7의 (c))
7. SOI 웨이퍼 하부면에 실리콘 산화막 패터닝 (도 7의 (d))
8. 전 공정에서 패터닝된 실리콘 산화막을 완전히 덮도록 포토레지스트(PR)를 도포
디바이스 실리콘층(100) 상부면에 단차가 있는 층을 만들기 위해서 이전 공정에서 패턴 된 실리콘 산화막층(120)을 완전히 덮도록 포토레지스트(PR)(140)를 도포한다. 상기 디바이스 실리콘층(100)은 총 2단의 높이를 가지도록 형성되는데, 층의 두께가 높은 층(두꺼운 층)은 디바이스 실리콘층(100)의 두께를 모두 사용하여 온전한 20μm의 두께로 형성되고, 낮은 층(얇은 층)은 10μm의 두께가 형성되도록 식각된다.
이때, 상기 디바이스 실리콘층(100)에 10μm의 낮은 층을 형성하기 위해서 추가적인 식각이 필요하며 이 추가적인 식각을 위한 식각 마스크가 필요하다. 이러한 추가 식각용 마스크로 포토레지스트(PR)를 사용하게 되면 포토레지스트 도포작업 및 그 이후의 포토레지스트 제거 작업이 편리하다는 장점이 있다. 특히, 마스크 제거의 측면에서 실리콘 산화막층(120)에 피해를 주지 않으면서 포토레지스트(PR)를 완전히 제거할 수 있기 때문에 두 층 간의 경계 면을 명확하게 형성하는데 있어서 유리하다.
9. 단차를 형성하기 위한 식각과정에 사용될 포토레지스 ( PR ) 마스크의 패터닝 (도 7의 (e))
10. 디바이스 실리콘층의 20μm DRIE ( Deep Reactive Ion Etching ) (도 7의 (f))
디바이스 실리콘층(100)에 DRIE에 의해 20μm 두께의 높은 층을 형성한다. 이러한 1차 에칭(etching)에 의한 식각 공정에 마스크로서의 역할을 하는 것은 디바이스 실리콘층(100) 위에 패터닝 된 실리콘 산화막층(120)과 그 위에 추가적으로 도포하여 패터닝을 한 포토레지스트(PR) 층이다.
11. 포토레지스트 ( PR ) 제거(도 7의 (g))
이전 단계에서 마스크로 사용된 포토레지스트(PR)를 완전히 제거한다.
12. 디바이스 실리콘층의 10μm 식각 (도 7의 (h))
13. SOI 웨이퍼 하부면의 실리콘 산화막층 식각 (도 7의 (i))
SIO 웨이퍼 하부의 핸들 실리콘층(200)의 식각을 위해 이미 DRIE 공정의 완료된 웨이퍼의 상부면을 포토레지스트(PR)가 도포된 더미 웨이퍼에 뒤집어 부착시킨 후에 실리콘 산화막층(130)의 식각공정을 진행한다. 이와 같이 웨이퍼 하부면의 식각이 완료된 후에는 포토레지스트(PR)를 제거하여 더미 웨이퍼를 탈착한다.
14. 실리콘 산화막 절연층의 식각을 통한 디바이스의 릴리즈 (도 7의 (j))
최종적으로, SIO 웨이퍼의 상부, 하부, 중앙부에 형성된 실리콘 산화막층(110)(120)(130)을 모두 식각하여 마이크로 엑츄에이터의 작동부(거울, 좌굴빔)가 움직일 수 있도록 한다. 여기서, 핸들 실리콘층(200) 및 디바이스 실리콘층(100) 표면에 노출된 실리콘 산화막층(120)(130)을 제거하는 식각 작업은 불산(HF;Hydrofluoric acid)을 이용하여 작업이 이루어진다. 이때, 액체 상태의 불산(HF)을 이용하는 방식과 기체 상태의 불산(HF)을 사용하는 방식을 디바이스의 설계에 맞게 혼용하여 공정을 진행한다.
상술한 제조공정을 통해 제작된 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는, 기존의 마이크로 엑츄에이터와 비교하여 간단한 구조를 가지면서 양방향 효율적인 구동을 수행할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 높은 제작 수율을 기대할 수 있고 그에 따른 생산 단가도 현저하게 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 엑츄에이터는 전열 전자기 방식으로 회전 구동되는 것으로서, 낮은 작동 전압에서도 구동이 가능하기 때문에, 특히 낮은 작동전압을 필요로 하는 각종 휴대용 장치에 적용할 경우 그 효용성이 매우 높다. 아울러, 그 사용상의 응용범위를 넓혀 다양한 응용 장치들의 성능 개선에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터의 구조를 도시한 사시도.
도 2 및 도 3은 마이크로 엑츄에이터의 좌굴빔에 흐르는 전류의 방향에 따라 마이크로 거울의 회전방향이 변화되는 모습을 보여주는 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터의 회전 구동 상태를 백색광 간섭 측정기를 이용하여 측정한 사진.
도 5는 본 발명의 마이크로 엑츄에이터에 인가되는 전압에 따른 마이크로 거울의 정적 회전각 변화를 측정한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터의 주파수 응답 결과를 보여주는 그래프.
도 7a 내지 7j는 본 발명에 따른 마이크로 엑츄에이터의 제조공정을 순차적으로 보여주는 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
102 : 거울 103a,103b : 연결단
104a,104b : 토션바 105a,105b,105c,105d : 좌굴빔
106a,106b : 토션바 앵커 107a,107b,107c,107d : 좌굴빔 앵커
100 : 디바이스 실리콘층 110 : 실리콘 산화막 절연층
120,130 : 실리콘 산화막층 200 : 핸들 실리콘층

Claims (11)

  1. 상부면에 외부에서 입사되는 광이 반사되는 반사면이 형성된 거울과;
    상기 거울의 회전 중심축 상에 배치되며 상기 거울의 양측에 연결되는 토션바와;
    상기 토션바가 지지되는 토션바 앵커와;
    상기 토션바를 사이에 두고서 상기 거울의 양측에 서로 대칭되도록 연결되는 한 쌍의 좌굴빔과;
    상기 좌굴빔이 지지되는 좌굴빔 앵커를 포함하여 이루어지며,
    자기장이 형성된 상태에서 상기 좌굴빔 앵커를 통해 상기 좌굴빔에 전류를 흘려주어 상기 좌굴빔의 열팽창에 의해 수직방향으로 좌굴(buckling)이 발생하여 상기 거울이 상기 토션바를 중심으로 양방향으로 회전이 이루어지도록 구성되며,
    상기 좌굴빔의 두께는 상기 거울이나 좌굴빔 앵커의 두께보다 작으며,
    실리콘(silicon)으로 구성되고, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)를 포함하는 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 이나 표면 마이크로머시닝 (Surface Micromachining) 또는 이들의 조합으로 제작되는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 토션바를 중심으로 회전되는 상기 거울의 회전방향은 자기장을 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 토션바를 중심으로 회전되는 상기 거울의 회전방향은 상기 좌굴빔에 흐르는 전류의 방향제어를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 양방향 구동 가능한 전열 전자기 회전형 마이크로 엑츄에이터.
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