KR20010026738A - 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 디스크 드라이브의 보조 구동기로서 사용되는 미소 거울 구동용 액츄에이터나 하드 디스크 드라이브용 마이크로액츄에이터 등의 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 전해도금을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제작 방법은, 기판에 하부 빗살 구조물을 형성하는 공정과 상부 빗살 구조물이 상부 구조물에 형성되는 공정이 별도로 이루어져 상부 구조물과 하부 구조물이 본딩되는 것이 아니라, 3단계 정도의 전해 도금 공정을 이용한 수직 구조물 형성 공정과 하부 빗살 구조물이 고정되는 기판 및 상부 빗살 구조물이 고정되는 상부 구조물 형성 공정이 일괄 공정으로 이루어진다.

Description

수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법{Method for fabricating a micro-actuator having a vertical comb structures}

본 발명은 광 디스크 드라이브의 보조 구동기로서 사용되는 미소 거울 구동용 액츄에이터나 하드 디스크 드라이브용 마이크로액츄에이터 등의 정전기력(electrostatic force)을 이용한 수직 빗살 구조물(vertical comb structure)을 갖는 마이크로액츄에이터(microactuator)의 제조 방법에 관한 것이다.

정전력을 이용한 삼차원 빗살 구조물은 평판면에 대하여 수직으로 돌출되고 서로 끼워진 구조로 된 한 쌍의 빗살(Comb)에 전압을 가하여 두 빗살 사이에 발생하는 전기력(Electrostatic Force)이 빗살 사이의 상대적인 움직임에 대하여 일정하게 힘을 낼 수 있도록 한 것이다.

마이크로 구조물을 움직이기 위해선 정전기력 액츄에이터(Electrostatic Actuator)를 이용하는 경우가 많다. 정전기력을 이용한 액츄에이터로서는 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)(US 5,025,346)가 널리 알려져 있다. 이 정전기력 빗살 구동기 (Electrostatic Comb Drive)는 이동 도체판 및 고정 도체판이 각각 반복 구조로 연결된 빗살 구조를 지니며 이 구조를 이용하여 현수 구조물을 수평공진주파수로 가진시키는 마이크로 자이로스코프 구조물로 응용되는 것으로, 그 기본 원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

한 쌍의 빗살(1,2)이 간극 s를 두고 서로 맞물려 있고, 각 빗살(1,2)에 전원(3)이 도선(4,5)을 이용하여 연결되어 있을 때 한쪽의 빗살(2)의 한 핑거(finger)에 작용하는 수평방향의 정전기력(6, Electrostatic Force)은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.

여기서 ε₀,t,s,V 는 각각 진공의 유전율, 지면에 수직인 방향으로 빗살의 두께, 빗살의 사이의 간격, 빗살 사이에 인가되는 전압이다. 이와 같은 정전기력 빗살 구동기(Electrostatic Comb Drive)는 반도체 램을 만드는 공정과 같은 CMOS 공정으로 만들 수 있는 장점이 있고, 수학식 1에서 보는 바와 같이 한쪽 빗살의 움직임에 대하여 일정한 힘을 가진다는 장점이 있다.

기존 정전기력 빗살 구동기의 원리인 도 1의 원리를 이용한 액츄에이터의 한 예로서 같은 특허에 기재된 도 2를 들 수 있다.

이러한 정전기력 액츄에이터(20)는 다수의 이동빗살(27, movable comb)를 가지는 질량체(22)와 질량체(22)에 접속이 된 하나 이상의 탄성부재(23)와 지지부(24)를 통하여 기판(21)에 지지되어 있으며, 전술한 이동빗살(27)과 마주보는 위치에 위치하며 전술한 이동빗살(27)과 교대로 삽입되는 다수의 고정빗살(25, fixed comb)을 가지고 있으며, 고정빗살(25)은 고정빗살 지지부(26)을 통하여 기판(21)에 지지되어 있다. 전술한 고정빗살(25)과 전술한 이동빗살(27)에 적절한 전원공급수단(도시하지 않음)을 통하여 전압을 인가하면 수학식 1에 의하여 발생하는 정전력에 의하여 질량체(22)는 기판(21)에 대하여 수평한 방향으로 직선운동을 한다. 이러한 구조에 의한 정전력은 수학식 1에 나타난 바와 같이 움직이는 거리에 대하여 힘이 일정하다는 장점이 있다. 그러나 이러한 구조에 의하면 이동빗살(27), 고정빗살(25)가 기판(21)과 평행한 평면상에 배치되며, 또한 기판(21)과 평행한 질량체 평면의 양측면에 배치되므로서 빗살의 갯수의 한계로 인해 정전력이 작으며, 또한 가속도 센서나 자이로 센서 등에 이용하기 위해서는 질량체를 크게 움직이는 것이 필요한데, 이러한 종래의 빗살 구동기에서는 작은 정전력으로 인해 질량체를 직접 구동하기가 어려워서 공진점에서만 구동할 수 밖에 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 고정 빗살 및 이동 빗살의 구조물을 수직으로 하여 각각 기판 및 이동판 전면에 걸쳐 제작함으로써 빗살의 갯수 한계를 극복하고, 수직 빗살 구조물의 상단부와 하단부를 동시에 제작할 수 있는 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터(microactuator)의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 정전기력을 이용한 빗살 가진 구조물의 개략적 구성을 설명하기 위한 사시도,

도 2는 도 1의 빗살 가진 구조물을 채용한 관성 감지 센서 실시예의 사시도,

도 3a는 본 발명에 따른 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법이 적용되는 정전기력을 이용한 미소 거울 구동기의 부분 절개 사시도이고,

도 3b는 도 3a의 A-A' 라인을 따라 절개한 단면을 보여주는 수직 단면도,

도 3c는 도 3a의 보조 거울 구동기의 분해 사시도이고,

도 4a 내지 도 4j, 도 5a 내지 도 5f, 도 6a 내지 도 6f 및 도 7a 내지 도 7e는 각각 본 발명에 따른 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법을 공정 단계별로 설명하기 위한 수직 단면도들이며,

그리고 도 8은 본 발명에 따른 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법이 적용되는 정전기력을 이용한 수직 빗살 가진 구조물을 갖는 직진 구동형 마이크로액츄에이터의 개략적 사시도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1, 2. 한 쌍의 빗살 3. 전원

4, 5. 도선

6. 수평방향의 정전기력(Electrostatic Force)

21. 기판

22. 질량체 23. 탄성부재

24. 지지부 25. 고정빗살

26. 고정빗살 지지부 27. 이동빗살

31. 기판 32. 고정전극

33. 감지전극 34. 공통전극

35. 거울몸체 36. 거울

37. 탄성부재 38. 프레임

100. 실리콘(Si) 웨이퍼 101. 실리콘 산화막(SiO₂)

200. 금속막 200'. 금속 패턴

300. 감광제 300'. 감광제 마스크

200. 기반층 300. 감광제

102. 실리콘 산화막 102. 실리콘 산화막

103. 실리콘 산화막 104. 실리콘 산화물

110. 실리콘 111. 실리콘 산화막

200. 제1기반층 금속막 200'. 금속 기반층

201. 제2기반층 금속막 202. 금속 기반층

203. 금속막 301. 감광제(후막 감광제 SU8)

301'. 감광제 패턴(도금틀) 302. 감광제

302'. 감광제 패턴 303. 감광제

303'. 제3도금틀 304. 감광막

304'. 감광막 패턴

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터(microactuator)의 제조 방법은, (가) 기판 상에 하부 빗살 구조물 중에서 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 부분만 전해도금법으로 제작하는 단계; (나) 상부 빗살 구조물과 하부 빗살 구조물 중 서로 겹치는 부분의 상부 빗살과 하부 빗살을 동시에 전해도금법으로 제작하는 단계; (다) 상부 빗살 구조물 중에서 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 부분을 전해도금법으로 제작하는 단계; 및 (라) 상기 상부 빗살 구조물을 고정하는 상부 이동판을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계는, (가-1) Si 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 실리콘 산화막을 형성하는 서브 단계; (가-2) 상기 실리콘 산화막 상에 전해도금을 하기 위한 제1기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계; (가-3) 상기 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 하부 빗살 구조가 형성될 영역을 패턴한 후 현상하여 감광제 마스크를 만들고, 이를 이용하여 금속막을 식각하여 금속 패턴을 형성하는 서브 단계; (가-4) 상기 감광제 마스크가 제거된 상태에서 상기 금속 패턴 상에 감광제를 도포하고 이를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제1도금틀을 형성하는 서브단계; 및 (가-5) 상기 제1도금틀을 이용하여 상기 노출된 금속막 상에 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 하부 빗살 구조 부분만을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계는, (나-1) 상기 상부 빗살 구조물과 겹치지 않는 하부 빗살 구조물과 상기 제1도금틀 상에 전해도금을 하기 위한 제2기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계; (나-2) 상기 제2기반층 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상부 빗살 구조 및 하부 빗살 구조가 겹치는 두 빗살 구조가 형성될 영역을 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제2도금틀을 형성하는 서브단계; 및 (나-3) 상기 제2도금틀을 이용하여 상기 노출된 제2기반층 금속막 상에 상기 상부 빗살 구조 및 하부 빗살 구조가 겹치는 두 빗살 구조 부분을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (다) 단계는, (다-1) 서로 겹치는 상기 하부 빗살 구조물과 상부 빗살 구조물 및 상기 제2도금틀 상에 전해도금을 하기 위한 제3기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계; (다-2) 상기 제3기반층 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상기 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 상부 빗살 구조가 형성될 영역을 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제3도금틀을 형성하는 서브단계; 및 (다-3) 상기 제3도금틀을 이용하여 상기 노출된 제3기반층 금속막 상에 상기 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 상부 빗살 구조 부분을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (가-2) 단계에서 상기 기반층용 금속막을 패터닝하여 하부 구조물의 금속 배선으로 사용하고, 상기 (가-4) 서브 단계는, 상기 금속 패턴 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계; 상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계; 상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제1도금틀을 형성하는 단계; 및 상기 제1금속 도금틀을 이용하여 산소 리액티브 이온 에칭법으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 금속 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계;를 포함하며, 상기 (가-4) 서브 단계는, 상기 금속 패턴 상에 상기 하부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제1도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계; 상기 제1도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제1도금틀을 형성하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 (나-1) 서브 단계에서, 상기 제2기반층 금속막을 증착하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 단계;를 더 포함하며, 상기 (나-2) 서브 단계는, 상기 제2기반층 금속막 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계; 상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계; 상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제2도금틀을 형성하는 단계; 및 상기 제2금속 도금틀을 이용하여 산소 리액티브 에칭법으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제2기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계;를 포함하거나, 혹은 상기 (나-2) 서브 단계는, 상기 제2기반층 금속막 상에 상기 하부 빗살 구조물 및 상부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제2도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계; 상기 제2도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제2도금틀을 형성하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 (나-1) 단계에서, 상기 제2기반층 금속막은 상기 제1기반층 금속막과 화학반응성이 다른 금속으로 형성되며, 상기 (다-1) 서브 단계에서, 상기 제3기반층 금속막을 증착하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 단계;를 더 포함하고, 상기 (나-2) 서브 단계는, 상기 제3기반층 금속막 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계; 상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계; 상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제3도금틀을 형성하는 단계; 및 상기 제3금속 도금틀을 이용하여 산소 리액티브 이온 에칭법으로 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제3기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계;를 포함하며, 상기 (다-2) 서브 단계는, 상기 제3기반층 금속막 상에 상기 상부 빗살 구조물과 겹치지 않는 상부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제3도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계; 상기 제3도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제3도금틀을 형성하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 (다-1) 단계에서, 상기 제3기반층 금속막은 상기 제1 및 제2기반층 금속막과 화학반응성이 다른 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 (라) 단계는, (라-1) 상기 상부 이동판 제작을 위한 제4기반층으로 금속막을 증착하기는 서브 단계; (라-2) 상기 제4기반층 금속막 상에 감광제를 도포하는 서브 단계; (라-3) 상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 상기 이동판 형성을 위한 감광제 패턴을 형성하는 단계; (라-4) 상기 감광제 패턴과 제4기반층 금속막 상에 실리콘 및 실리콘 산화막을 순차로 증착하여 상기 이동판을 형성하는 서브 단계; 및 (라-5) 상기 (가) 단계와 (나) 단계에 의해 잔류하는 모든 감광제 및 상기 (라-3) 서브 단계에서 형성된 감광제 패턴을 스트리핑하여 제거하고, 불필요하게 남아있는 상기 제1,2,3,4기반층의 금속막을 제거하며, 불필요하게 남아있는 상기 실리콘 산화막을 제거하는 서브 단계;를 포함하며, 상기 (라-1) 서브 단계를 수행하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 서브 단계;를 더 포함하며, 상기 (라-5) 서브 단계에서, 상기 상부 빗살 구조물 및 하부 빗살 구조물 사이의 감광제는 화학액이나 산소 플라즈마를 이용하여 제거하는 것이 바람직하다..

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법을 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 정전기력을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 일례로서, 미소 거울 구동기의 개략적 구조를 보여준다. 도 3a의 미소 거울 구동기를 A-A'라인을 따라 절개하여 보면 도 3b에 도시된 바와 같은 단면도가 되고, 분해하여 나열하면 도 3c에 도시된 바와 같다. 이 미소 거울 구동기는 두 도체 사이의 간격과 변위 구간의 크기에 무관하게 힘을 발생시켜야 하며, 거울 크기가 커질 수록 힘이 더 증가하게 되는 구조를 갖도록 설계되어야 하는 조건을 만족하도록 발명자가 창안한 것이다. 이를 위하여 이 정전기력을 이용한 광디스크 드라이브의 미소 거울 구동기는 도 3C에 도시된 바와 같이 크게 상부 구조와 하부 구조로 나뉜다. 하부 구조에는 기판(31)과 이에 부착된 고정전극(32)과 감지전극(33)이 구비된다. 상부 구조에는 고정전극(32) 및 감지전극(33)에 상응하는 공통전극(34), 거울몸체(35), 거울(36), 및 이들을 지지하고 구동축이되는 탄성부재(37), 하부 구조와 연결되는 프레임(38)이 구비된다.

상부 구조물에서 상기 거울몸체(35)는 직육면체의 모양으로 양측면의 중앙에 회전 스프링 역할을 하는 탄성부재(37)로 연결되고, 이는 프레임(38)에 연결된다. 거울몸체(35) 윗면에는 거울(36)이 막 형태로 씌워져있다. 거울몸체(35)의 아랫 부분은 일정 두께와 폭 및 길이를 갖는 하나 이상의 판들이 일정한 간격으로 떨어져서 거울 아랫 면에 수직으로 배열된 형태를 지니게 된다. 즉, 거울몸체(35)의 앞면에서 바라볼 때 빗살 모양구조를 이루도록 판이 두 개 이상으로 연속적으로 배열된 형태이며 이 판들의 면은 또한 거울의 구동 회전축(거울몸체 양축에 연결된 탄성부재를 연결한 축; 탄성부재축)과 수직을 이룬다. 이러한 빗살 구조물(comb structure)의 빗살 판의 수직방향 길이는 거울 길이와 같고 질량 감소를 위해 도 3b에 도시된 바와 같이 정전기력에 의한 모멘트가 작은 부분인 회전축으로부터 일정 거리 까지는 빗살 판의 폭을, 정전기력에 의해 상기 거울몸체(35)의 굽힘 변형이 일정 제한 조건 내에 존재하여 거울의 편평도를 충분히 유지 할 수 있는 정도 까지 감소시킨다. 그리고 빗살판의 폭에서 감소된 부분은 하부 구조물의 고정전극(32) 및 감지전극(33)과는 맞물리지 않는 부분이 된다. 거울몸체(35)를 포함해서 빗살 구조물은 도체이므로 이 모두를 공통전극(34)으로 구성한다.

하부 구조물에서 축의 역할을 하는 탄성부재(37)를 기준으로 양옆에 구동을 위한 고정전극(32)과 위치 제어를 위한 감지전극(33)이 기판(31)위에 구성된다. 이 전극들이 형성되는 구조물은 거울몸체(35)에 달려있는 공통전극(34)의 구조물과 같다. 우선, 탄성부재(37)를 기준으로 하여 한 쪽편에 빗살구조를 이루는 판이 고정전극(32)과 감지전극(33)을 위해 각각 두 개 이상 사용되며, 이 구조물의 표면 위에 고정전극(32)과 감지전극(33)을 서로 절연시켜 각각 형성한다. 마찬가지로, 탄성부재(37)의 다른 편에도 고정전극(32)과 감지전극(33)을 각각 형성한다. 즉, 탄성부재(37)에 대해 좌우의 고정전극(32) 및 감지전극(33)들은 서로 대각선으로 배열되거나 혹은 탄성부재(37)에 대칭으로 배열된다. 이 하부 구조물의 전극 구조물은 상부 구조물의 공통전극(34)과 서로 접촉하지 않은 상태로, 똑같은 간격을 서로 유지하면서 맞물려있는 상태로 배열이 된다.

이와 같은 구성의 정전기력을 이용한 광디스크 드라이브 미소 거울 구동기의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저, 상부 구조물은 벌크(bulk) 실리콘을 사용하여 제작한다. 미소 거울(36)은 벌크 실리콘(bulk silicon)의 윗면에 증착되고 거울몸체(35), 빗살구조인 공통전극(34), 탄성부재(37) 및 프레임(38)은 마이크로 머신 공정인 RIE(Reactive Ion Etching)(특히 ICPRIE)를 포함하는 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining)을 이용하여 벌크 실리콘 재료로서 일체 구조로 제작한다. 하부 구조는 파이렉스 글래스(Pyrex glass)를 기판으로 하고 벌크 실리콘 혹은 레지스트(resist)를 이용하여 빗살 구조물을 형성하고 고정전극(32)과 감지전극(33)을 만든다. 이 때, 고정전극(32)과 감지전극(33)은 서로 절연되도록 실리콘으로 형성하거나 혹은 레지스트 빗살구조물 위에 도체막을 입히여 형성한다. 완성된 상부 구조물과 하부 구조물은 상부 구조물에서의 프레임(38)과 하부 구조물의 기판(31)의 접촉면에서 아노딕본딩(anodic bonding)에 의해 결합된다. 이와 같이, 수직 빗살 구조물의 상단부와 하단부를 별도의 식각 공정으로 제작하여 접합하는 방법은 접합시 매우 미세한 정도의 정렬(alignment)이 필요하며, 이 때문에 조립성이 떨어져서 원하는 소자를 손쉽게 얻기 곤란한 수도 있다.

이를 해결하기 위하여 수직 빗살 구조물의 상단부와 하단부를 다단계의 전해 도금 공정을 통하여 일괄 공정으로 제작하는 방법을 제안한다. 이 방법을 도면을 참조하면서 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제작 공정은, 크게, 도 4a 내지 도 4j에 도시된 바와 같이 하단부 빗살 구조를 형성하는 단계, 도 5a 내지 도 5f에 도시된 바와 같이 상단부의 빗살 구조와 하단부의 빗살 구조가 서로 겹치는 부분을 형성하는 단계 및 도 6a 내지 도 6f에 도시된 바와 같이 상단부 빗살 구조를 형성하는 단계를 포함하는 3단계 전해 도금 공정들과, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 바와 같이 거울 몸체를 포함하는 상부 구조물을 형성하고 불필요한 부분을 제거하는 공정들로 이루어진다.

첫번째 전해 도금 공정을 이용한 하단부 빗살 구조는 다음과 같이 제작된다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 실리콘(Si) 웨이퍼(100)의 표면을 산화시켜서 실리콘 산화막(101)을 형성함으로써 전기적으로 절연시킨다. 다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막(SiO₂)(101) 상에 전해도금을 하기 위한 기반층(seed layer)으로 금속막(200)을 증착한다. 이 금속막(200)은, 도 4c 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 패터닝(patterning)되어 향후 하단부 구조물의 배선으로서의 역할을 수행하게 된다. 즉, 도 4c에 도시된 바와 같이, 금속막(200) 상에 감광제(300)를 도포하고, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상단부 빗살 구조와 하단부 빗살 구조가 겹쳐지지 않는 부분(즉, 하단부 빗살만 존재하는 부분)의 빗살 형성 영역을 패턴한 후 현상(developing)하여 감광제 마스크(300')을 만들고, 이를 이용하여 금속막(200)을 식각하여, 도 4e에 도시된 바와 같이, 금속 패턴(200')을 형성한다. 금속 패턴(200')이 형성된 후에는 다음 공정을 위하여 감광제 마스크(300')가 제거된다.

다음에, 감광제 마스크(300')가 제거된 상태에서 금속 패턴(200') 상에, 도 4f 내지 도 4i에 도시된 바와 같이, 감광제를 이용하여 금속 도금을 위한 도금틀(mold)을 형성한다. 이와 같은 도금틀은 감광제를 이용하여 제작할 수도 있고, 도금하고자 하는 금속과 화학반응에 의한 식각 정도가 다른 금속을 증착하고 건식식각하여 제작할 수도 있다. 수직 빗살 구조물의 높이가 매우 높을 경우에는 후막용 감광제(thick photo resist)(예를 들면, SU-8)를 사용하여야 하는데 이 경우에는 기반층(200)과 감광제(300)의 접착력(adhesion)이 나쁜 경우가 종종 발생한다. 이 때에는 감광제를 도포하기 전에, 도 4f에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막(102)을 먼저 얇게 증착하고, 도 4g에 도시된 바와 같이, 그 상부에 감광제(후막 감광제 SU8)(301)를 도포하여 접착력을 좋게 한다. 다음에, 도 4h에 도시된 바와 같이, 감광제(301)를 패터닝하고 현상하여 감광제 패턴(301')로 이루어지는 제1도금틀이 형성되면, 도 4i에 도시된 바와 같이, 산소 반응성 이온 식각(reactive ion etching)으로 도금틀(301') 사이의 실리콘 산화막(102)을 제거하여 금속 기반층(200')이 드러나도록 한다. 다음에, 도 4j에 도시된 바와 같이, 하단부 빗살 구조만 존재하는 부분까지를 Ni 전해도금공정을 이용하여 형성한다.

다음은, 두 번째 전해 도금 공정으로 상단부의 빗살 구조와 하단부의 빗살 구조가 서로 겹치는 부분을 제작하게 된다.

먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 다시 전해도금을 위한 기반층으로 금속막(201)을 증착한다. 이 두번째 기반층으로서의 금속막(201)은 처음에 기판 상에 형성시킨 금속막(200)과 화학반응성이 다른 물질을 사용하는 것이 유리하다. 왜냐하면, 두번째로 증착되는 기반층(201)은 금속 전해도금 후에는 제거하여야 하나, 초기의 기반층(200)은 전기 배선으로 사용되어 제거하지 않기 때문이다. 예를 들어, 초기의 기반층(200)으로 Cr과 Au를 사용한다면, 두번째 기반층(201) 혹은 그 다음 공정에 사용되는 기반층(202)은 습식제거가 용이한 Cu를 사용하는 것이다. 또한, 전해도금에 의해 형성된 금속 구조물의 상부 표면이 매끄럽지 못할 경우에는 CMP(chemical-mechanical polishing)를 수행하여 표면을 매끄럽게 만들어준 후에 두번째 기반층(201)을 형성하는 것이 유리하다. 이와 같은 두 번째 기반층(201)을 바탕으로 상단부의 빗살 구조와 하단부의 빗살 구조가 서로 겹치는 부분을 제작한다. 즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 이 기반층(201) 상에 역시 첫 번째 전해도금을 할 때와 동일한 방법으로 실리콘 산화막(103)을 도포하고, 그 위에 도 5c에 도시된 바와 같이 감광제(302)를 도포하여 감광제의 밀착도를 높인다. 다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 감광제(302)를 패턴한 후 현상하여 감광제 패턴(302')로 이루어지는 제2도금틀을 형성한다. 도금틀이 완성된 후에는, 도 5e에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막(103)을 패터닝하여 두 번째 기반층인 금속막(201)을 노출시킨 다음 전해도금 공정을 실시하여 도 5f에 도시된 바와 같이 상단부의 빗살 구조와 하단부의 빗살 구조가 서로 겹치는 부분을 형성한다.

다시 동일 공정을 반복하여, 세 번째 전해 도금 공정으로 상단부의 빗살 구조 부분을 제작하게 된다.

도 6a에 도시된 바와 같이 금속 기반층(202)을 증착하고, 그 위에 도 6b에 도시된 바와 같이 실리콘 산화물(104)을 증착하고, 도 6c에 도시된 바와 같이 감광제(303)를 도포한 다음, 도 6d에 도시된 바와 같이 상단부 빗살 구조만 형성될 영역에만 패턴하고 현상하여 제3도금틀(303')을 형성한다. 다음에, 도금을 수행하기 전에 도 6e에 도시된 바와 같이 실리콘 산화막(104)를 패터닝하여 도금용 금속막(202)을 노출시킨 다음, 도 6f에 도시된 바와 같이, 전해도금을 수행하여 상단부 빗살들이 서로 연결되도록 한다. 이상과 같은 공정을 통하여 상단부 빗살과 하단부 빗살이 서로 맞물려 있는 수직 빗살 구조물을 형성할 수 있다.

다음은, 마지막 마무리 공정으로 상단부의 빗살 구조가 고정되는 미소거울 몸체와 지지 스프링 및 스프링 지지체를 완성하는 동시에 불필요하게 잔류하는 부분을 식각하여 제거함으로써 소자를 완성하는 공정을 수행한다.

먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상부 구조물(미소거울 몸체)의 전기 배선으로 사용될 수 있는 금속막(203)을 증착한 다음, 그 위에 도 7b에 도시된 바와 같이 감광막(304)을 도포한다.

다음에, 감광막(304)을 패터닝하여, 도 7c에 도시된 바와 같이, 감광막 패턴(304')을 형성하고, 도 7d에 도시된 바와 같이, 상부 구조물(미소거울 몸체)를 이루는 실리콘(110)을 증착하고 그 위에 식각 방지막으로 실리콘 산화막(111)을 형성한다.

다음에. 도 7e에 도시된 바와 같이, 모든 잔류 감광막들을 스트리핑하여 제거한 다음 노출된 기반층으로서의 금속막을 제거하며, 불필요한 잔류 실리콘 산화막을 제거함으로써 소자를 완성한다.

이와 같이, 빗살 구조물이 완성되면 그 상부 구조물로서 적절한 구조물을 형성하여 다양한 형태의 구동기(actuator)를 만들 수 있다. 여기서는, 예로서 미소 거울 구동기를 제작하는 방법에 대하여 추가로 기술하고자 한다.

앞서 설명한 바와 같이 제작된 수직 빗살 구조를 이용한 미소 거울 구동기는 하단부 빗살 구조가 고정전극으로 사용되고 상단부 빗살 구조가 이동전극으로 사용되며, 정전기력은 두 도체 사이의 거리에는 무관하고 단지 전압의 제곱에만 비례하게 된다. 따라서 선형적인 동작 특성을 얻기가 용이하여 여러 가지 광스캐너에 다양하게 사용될 수 있다. 이와 같은 미소 거울 구동기는 지금까지의 전해도금을 이용한 제작공정을 통한 도 7d에 도시된 바와 같은 상부 구조물 제작 공정에서 수직 빗살 구조물 상단에 미러면과 미러를 지지하면서 회전을 도와줄 수 있는 토션바(torsion bar)를 추가로 만들어 주면 된다.

먼저, 감광제를 미러 두께 만큼 도포하고 이를 미러 몸체와 토션바(torsion bar) 형태로 패턴한 후 현상하고, 앞 공정과 동일한 전해도금을 이용하거나, 스퍼터링(sputtering)이나 CVD(chemical vapor deposion)와 같은 일반적인 증착방법으로 미러 몸체와 토션바(torsion bar)를 제조한다. 이후 구조물 내부의 감광제를 화학액이나 산소 플라즈마로 제거하면, 수직 빗살 구조의 구동기가 제작된다.

한편, 상기와 같은 다단계의 전해 도금 공정을 이용한 수직 빗살 구조를 갖는 액츄에이터로서 도 8에 도시된 바와 같은 수직 빗살 가진 구조물을 이용한 직진 구동형 액츄에이터가 있다. 도시된 바와 같이, 이 액츄에이터에서 현수구조물(42)은 현수구조물에 수직으로 돌출되어 있는 다수의 이동빗살(43)을 가지고 다수의 지지스프링(44)과 다수의 지지체(45)에 의하여 기판에 지지되어 있다. 상기 이동빗살(43)과 마주보는 위치에서 서로 끼워지는 형태로 배치된 다수의 고정빗살(46)은 기판(41)에 지지되어 있다. 이러한 삼차원 빗살 가진 구조물은 도 3에서 설명한 바와 같이 정전기력에 의하여 구동된다. 여기서,지지 스프링(44)은 기판에 대한 수평폭 보다 수직폭이 크도록 제작한다. 이는 지지 스프링(44)이 수평방향(도면의 화살표 방향)으로는 유연한 탄력성을 가지고 움직이도록 하고 수직방향으로는 유연성 없이 고정되도록 하기 위함이다. 이와 같은 구성의 수직 빗살 구조물을 갖는 액츄에이터의 제조 방법은, 수직 빗살 구조물에 있어서는 앞서 설명한 방법을 충분히 제작될 수 있으며, 하부 구조물인 기판 구조 및 상부 구조물인 현수 구조물의 제작에 있어서도 수직적인 제작 공정면에서는 별 차이가 없으며, 다만 수평적인 제작 공정면에서 상부 및 하부 구조물의 전극으로 사용되는 금속막의 패턴이나 상부 구조물(현수 구조물)을 지지하는 지지 스프링 이나 지지체의 평면적 위치에 약간의 차이가 있을 뿐이다.

즉, 전원공급수단(미도시)에 의해 상기 이동빗살(43)과 상기 고정빗살(46)에 전압이 가해지면 상기 이동빗살(43)과 고정빗살(46) 사이에는 캐패시턴스가 형성이 되며, 정전기에 의한 힘이 기판과 평행한 방향으로 발생하여 현수구조물(42)이 우측으로 힘을 받아 움직인다. 이 때 전원공급수단(미도시)에 인가되는 전압이 교류이면 지지스프링(44)은 현수구조물(42)을 지지하면서 인가되는 교류전압에 따라 현수구조물(42)을 화살표(47)의 방향으로 왕복운동을 할 수 있게 해준다. 이와 같은 동작이 가능하기 위해서 다수의 지지체(45)와 기판(41)과는 전기적으로 절연되어 형성되는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전해도금을 이용한 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제작 방법은, 기판에 하부 빗살 구조물을 형성하는 공정과 상부 빗살 구조물이 상부 구조물에 형성되는 공정이 별도로 이루어져 상부 구조물과 하부 구조물이 본딩되는 것이 아니라, 3단계 정도의 전해 도금 공정을 이용한 수직 구조물 형성 공정과 하부 빗살 구조물이 고정되는 기판 및 상부 빗살 구조물이 고정되는 상부 구조물 형성 공정이 일괄 공정으로 이루어지기 때문에 상부 빗살과 하부 빗살을 개별로 제작하고 조립할 때에 발생하였던 어라인 등의 조립 공정상의 어려움을 해소할 수 있다.

Claims (19)

1. (가) 기판 상에 하부 빗살 구조물 중에서 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 부분만 전해도금법으로 제작하는 단계;

   (나) 상부 빗살 구조물과 하부 빗살 구조물 중 서로 겹치는 부분의 상부 빗살과 하부 빗살을 동시에 전해도금법으로 제작하는 단계;

   (다) 상부 빗살 구조물 중에서 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 부분을 전해도금법으로 제작하는 단계; 및

   (라) 상기 상부 빗살 구조물을 고정하는 상부 이동판을 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (가) 단계는,

   (가-1) Si 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 실리콘 산화막을 형성하는 서브 단계;

   (가-2) 상기 실리콘 산화막 상에 전해도금을 하기 위한 제1기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계;

   (가-3) 상기 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 하부 빗살 구조가 형성될 영역을 패턴한 후 현상하여 감광제 마스크를 만들고, 이를 이용하여 금속막을 식각하여 금속 패턴을 형성하는 서브 단계;

   (가-4) 상기 감광제 마스크가 제거된 상태에서 상기 금속 패턴 상에 감광제를 도포하고 이를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제1도금틀을 형성하는 서브단계; 및

   (가-5) 상기 제1도금틀을 이용하여 상기 노출된 금속막 상에 상부 빗살 구조와 겹치지 않는 하부 빗살 구조 부분만을 Ni을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를 포함하고,

   상기 (나) 단계는,

   (나-1) 상기 상부 빗살 구조물과 겹치지 않는 하부 빗살 구조물과 상기 제1도금틀 상에 전해도금을 하기 위한 제2기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계;

   (나-2) 상기 제2기반층 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상부 빗살 구조 및 하부 빗살 구조가 겹치는 두 빗살 구조가 형성될 영역을 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제2도금틀을 형성하는 서브단계; 및

   (나-3) 상기 제2도금틀을 이용하여 상기 노출된 제2기반층 금속막 상에 상기 상부 빗살 구조 및 하부 빗살 구조가 겹치는 두 빗살 구조 부분을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를 포함하며,

   상기 (다) 단계는,

   (다-1) 서로 겹치는 상기 하부 빗살 구조물과 상부 빗살 구조물 및 상기 제2도금틀 상에 전해도금을 하기 위한 제3기반층으로 금속막을 증착하는 서브 단계;

   (다-2) 상기 제3기반층 금속막 상에 감광제를 도포하고, 상기 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 상부 빗살 구조가 형성될 영역을 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 제3도금틀을 형성하는 서브단계; 및

   (다-3) 상기 제3도금틀을 이용하여 상기 노출된 제3기반층 금속막 상에 상기 하부 빗살 구조와 겹치지 않는 상부 빗살 구조 부분을 전해도금공정을 이용하여 형성하는 서브 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 (가-2) 단계에서 상기 기반층용 금속막을 패터닝하여 하부 구조물의 금속 배선으로 사용하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 (가-4) 서브 단계는,

   상기 금속 패턴 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계;

   상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계;

   상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제1도금틀을 형성하는 단계; 및

   상기 제1금속 도금틀을 이용하여 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 금속 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 금속 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계는 산소 리액티브 이온 에칭법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 (가-4) 서브 단계는,

   상기 금속 패턴 상에 상기 하부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제1도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계;

   상기 제1도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제1도금틀을 형성하는 서브 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
7. 제2항에 있어서,

   상기 (나-1) 서브 단계에서, 상기 제2기반층 금속막을 증착하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 (나-2) 서브 단계는,

   상기 제2기반층 금속막 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계;

   상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계;

   상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제2도금틀을 형성하는 단계; 및

   상기 제2금속 도금틀을 이용하여 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제2기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제2기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계는 산소 리액티브 이온 에칭법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
10. 제2항에 있어서, 상기 (나-2) 서브 단계는,

    상기 제2기반층 금속막 상에 상기 하부 빗살 구조물 및 상부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제2도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계;

    상기 제2도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제2도금틀을 형성하는 서브 단계;를

    포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
11. 제2항에 있어서,

    상기 (나-1) 단계에서, 상기 제2기반층 금속막은 상기 제1기반층 금속막과 화학반응성이 다른 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
12. 제2항에 있어서,

    상기 (다-1) 서브 단계에서, 상기 제3기반층 금속막을 증착하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
13. 제2항에 있어서, 상기 (나-2) 서브 단계는,

    상기 제3기반층 금속막 상에 후막 감광제의 접착력 증대를 위한 실리콘 산화막을 도포하는 단계;

    상기 실리콘 산화막 상에 후막 감광제를 도포하는 단계;

    상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 금속 도금을 위한 상기 제3도금틀을 형성하는 단계; 및

    상기 제3금속 도금틀을 이용하여 상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제3기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계;를

    포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 실리콘 산화막을 식각하여 상기 제3기반층 금속막을 선택적으로 노출시키는 단계는 산소 리액티브 이온 에칭법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
15. 제2항에 있어서, 상기 (다-2) 서브 단계는,

    상기 제3기반층 금속막 상에 상기 상부 빗살 구조물과 겹치지 않는 상부 빗살 구조물로 도금하고자하는 금속과 화학 반응에 의한 식각 정도가 다른 제3도금틀 형성용 금속을 증착하는 서브 단계;

    상기 제3도금틀 형성용 금속층을 건식 식각법으로 식각하여 금속 도금을 위한 상기 제3도금틀을 형성하는 서브 단계;를

    포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
16. 제2항에 있어서,

    상기 (다-1) 단계에서, 상기 제3기반층 금속막은 상기 제1 및 제2기반층 금속막과 화학반응성이 다른 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터의 제조 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 (라) 단계는,

    (라-1) 상기 상부 이동판 제작을 위한 제4기반층으로 금속막을 증착하기는 서브 단계;

    (라-2) 상기 제4기반층 금속막 상에 감광제를 도포하는 서브 단계;

    (라-3) 상기 감광제를 포토리소그래피법으로 패터닝하여 상기 이동판 형성을 위한 감광제 패턴을 형성하는 단계;

    (라-4) 상기 감광제 패턴과 제4기반층 금속막 상에 실리콘 및 실리콘 산화막을 순차로 증착하여 상기 이동판을 형성하는 서브 단계; 및

    (라-5) 상기 (가) 단계와 (나) 단계에 의해 잔류하는 모든 감광제 및 상기 (라-3) 서브 단계에서 형성된 감광제 패턴을 스트리핑하여 제거하고, 불필요하게 남아있는 상기 제1,2,3,4기반층의 금속막을 제거하며, 불필요하게 남아있는 상기 실리콘 산화막을 제거하는 서브 단계;를

    포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 (라-1) 서브 단계를 수행하기 전에 전해도금면을 CMP를 이용하여 표면을 매끄럽게 하는 서브 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.
19. 제17항에 있어서,

    상기 (라-5) 서브 단계에서,

    상기 상부 빗살 구조물 및 하부 빗살 구조물 사이의 감광제는 화학액이나 산소 플라즈마를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 수직 빗살 구조물을 갖는 마이크로 액츄에이터의 제조 방법.