KR20010106931A - 정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 이 개시된 광스위치는 마이크로 미러, 베이스 전극 및 측면 전극을 구비하고, 마이크로 미러와 베이스 전극과의 사이에 정전력이 작용하여 마이크로 미러가 회동된 후 연속적으로 마이크로 미러와 측면 전극과의 사이에 정전력이 작용하여 마이크로 미러가 수직으로 직립됨으로써 광신호를 반사시키거나, 마이크로 미러를 수평 상태로 유지시킴으로써 광신호를 통과시켜 광신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한 개시된 광스위치의 제조 방법은 웨이퍼를 식각하여 지지부를 형성하고 그 위에 절연막과 금속막을 증착한 다음 식각하여 베이스 전극 및 측면 전극을 형성하고 희생층을 형성하여 지지포스트 구멍을 식각하며 다시 그 위에 금속막을 증착한 후에 비틀림스프링과 마이크로 미러를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이 정전력에 의해 구동되는 광스위치는 복수개의 전극을 사용하여 전력 소모를 줄이고, 측면 전극이 정전력을 발생시킬 뿐 아니라 마이크로 미러가 수직으로 직립시 스토퍼의 역할도 함께 하므로 정확하게 수직을 유지할 수 있어서 광손실을 줄일 수 있으며 구조가 간단하여 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.

Description

정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법{Optical switch being driven by electrostatic force and manufacturing method thereof}

본 발명은 정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극 구조를 개선하여 마이크로 미러가 저전압의 정전력에 의해 정확하게 수직으로 직립되거나 수평 상태를 유지하도록 하여 광신호를 전송하도록 된 정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광스위치는 광신호가 어느 입력 단자로부터 소정의 출력 단자로 전송되도록 광경로를 선택할 수 있는 장치이다. 도 1을 참조하면, 복수개의 광스위치(100)가 2차원의 메트릭스 형태로 배열되고, 입력부의 광파이버(102)에서 나온 빛은 초점 거리 만큼 떨어져 배치된 마이크로 렌즈(104)를 거쳐 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 수직으로 직립해 있는 마이크로 미러(110)를 향해 입사되어 반사된 다음 출력부로 들어가 마이크로 렌즈(114)를 통과해 광파이버(116)로 전송된다. 즉, 기판(115)에 대해 수직으로 직립된 마이크로 미러(110)에 대해서는 광신호를 반사시키고 수평 상태로 되어 있는 마이크로 미러에 대해서는 광신호를 통과시킴으로써 광경로를 선택할 수 있도록 되어 있다. 예를 들어 1행 4열(110a), 2행 3열(110b), 3행 1열(110c) 및 4행 2열(110d)의 마이크로 미러를 기판에 대해 수직으로 세우고 나머지 마이크로 미러는 수평으로 유지되도록 하여 광신호를 원하는 경로로 전송할 수 있다.

도 2는 정전력을 이용한 종래의 광스위치를 도시한 것으로서, 기판(115)상에 하부 전극(105)이 구비되고 이 하부 전극(105)에 대향하도록 마이크로 미러(110)가 설치되어 있다. 상기 마이크로 미러(110)는 비틀림 스프링(120)에 의해 탄성지지되어 회동가능하게 되어 있다.

여기에서 상기 하부 전극(105)과 상기 마이크로 미러(110) 사이에 정전인력이 작용하여 마이크로 미러(110)가 회동하게 된다. 그런데 상기 마이크로 미러(110)가 회동하기 시작하는 초기에는 상기 하부 전극(105)에 의한 정전력만으로도 충분히 회동가능하나 상기 마이크로 미러(110)가 직각에 가까워질수록 마이크로 미러(110)와 하부 전극(105)간의 정전력이 작용할 수 있는 대향하는 면이 감소된다. 따라서 상기 마이크로 미러(110)가 상기 기판(115)에 대해 직각을 이룰 때까지 계속 회동하기가 어려우며 직각을 이룬다 하더라도 상기 하부 전극(105)에 대해 마주하는 마이크로 미러면이 작아 정전력이 작용하기 어려우므로 직각 상태를 유지하기 어렵다.

다시 말하면 광스위치의 광파이버 직경과 그로부터 입력되는 빔의 직경이 매우 작기 때문에 상기 마이크로 미러가 정확하게 수직을 이루지 않으면 입력단의 광파이버로부터의 빔이 출력단으로 전달되지 않게 되므로 광손실이 커지게 되는데 하나의 전극만으로 구동시키는 경우 정밀한 조절이 어렵다.

또한 상기 마이크로 미러를 하나의 전극만으로 구동시키므로 구동전압이 매우 커야 하고 따라서 소비 전력이 많은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로 전력 소모가 적고 마이크로 미러가 정확하게 수직으로 직립되도록 정밀 조절이 가능한 광스위치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 광스위치의 작동 예시도,

도 2는 종래에 따른 광스위치의 사시도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 사시도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광스위치의 단면도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광스위치의 회동각 변화에 따른 측면 전극 및 하부 전극 각각에 의한 토오크를 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광스위치의 회동각 변화에 따른 측면 전극과 하부 전극에 의한 토오크의 합과 비틀림스프링 반력에 의한 토오크를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 사시도,

도 8a 내지 도8f는 본 발명의 일실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 제조 방법을 나타낸 도면,

도 9a 및 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 지지포스트, 마이크로 미러 및 비틀림스프링 제조 공정을 나타낸 도면,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5...기판 7...지지부

10...베이스 전극 14...측면 전극

18...지지 포스트 24...비틀림 스프링

25, 30...마이크로 미러 35...웨이퍼

38...보호막 40, 45...절연막

42, 53...금속막

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치는, 기판과; 상기 기판에 대해 직립된 지지부와; 상기 지지부와 직각으로 만나도록 기판상에 형성된 베이스 전극과; 상기 지지부의 일측면에 결합되어 상기 베이스 전극과 일체로 형성된 측면 전극과; 상기 베이스 전극과 상호 작용하여 정전력에 의해 회동하고 계속하여 상기 측면 전극과 상호 작용하여 정전력에 의해 수직으로 직립하도록 된 마이크로 미러와; 상기 기판상에 형성된 한 쌍의 지지 포스트와; 상기 지지 포스트에 연결되어 상기 마이크로 미러와 결합된 비틀림 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 제조 방법은, 소정두께의 웨이퍼상에 실리콘 에칭용 보호막을 증착하는 단계; 상기 보호막을 일부만 남기고 나머지 부분을 에칭한 다음 실리콘 에칭액에 의해 상기 웨이퍼를 식각하여 지지부를 형성하는 단계; 상기 웨이퍼와 지지부 외측면에 절연막과 금속막을 차례대로 증착하는 단계; 상기 금속막을 식각하여 베이스 전극 및 측면 전극을 형성하는 단계; 상기 웨이퍼, 베이스 전극 및 측면 전극의 외측면에 절연막을 증착한 후 그 위에 희생층을 형성하는 단계; 상기 측면 전극 양측의 희생층을 식각하여 지지 포스트 구멍을 형성하는 단계; 상기 희생층상에 금속막을 증착한 후 이 금속막을 패터닝하여 마이크로 미러, 지지 포스트 및 비틀림스프링을 형성하는 단계; 건식 식각 과정을 통하여 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치에 대해 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치는, 기판(5) 상에 지지부(7)가 직립되어 있고, 상기 지지부(7)의 일측면에 측면 전극(14)이 결합되어 있다. 또한 상기 측면 전극(14)의 하부에 직교되어 베이스 전극(10)이 일체로 형성되어 있다.

그리고 상기 측면 전극(14)의 길이 방향 양쪽에 한 쌍의지지 포스트(18)가 형성되고 상기지지 포스트(18) 사이에 비틀림 스프링(24)이 연결된다.

상기 비틀림 스프링(24)에 마이크로 미러(25)가 결합되어 회동 가능하게 되어 있고 상기 마이크로 미러(25)는 상기 베이스 전극(10) 및 측면 전극(14)과 상호작용하여 정전력이 발생하도록 되어 있다.

즉, 상기 베이스 전극(10)과 상기 마이크로 미러(25) 사이에 정전인력이 작용하여 상기 마이크로 미러(25)가 회동하며 어느정도 회동한 후에는 상기 마이크로 미러(25)와 상기 측면 전극(14) 사이에 정전인력이 작용하여 연속적으로 회동함으로써 직립하게 된다.

이에 대해 실험한 것으로서 상기 마이크로 미러(25)가 회동한 각도에 따른 각 전극에 의한 토오크 변화에 대해 실험한 그래프가 도 5에 나타나 있다. 여기에서 마이크로 미러(25)가 수평 상태에서부터 회동한 각도를 θ라고 하고 베이스 전극(10)에 의한 토오크를 T_l이라 하고 측면 전극에 의한 토오크를 T_s라 한다. 그러면 회동 각도(θ)가 대략 10도 정도까지는 베이스 전극(10)에 의한 토오크(T_l)가 크게 작용하는데 그 이후로는 측면 전극(14)에 의한 토오크(T_s)가 크게 작용한다.

또한 도 6을 참조하면 상기 비틀림스프링(24)의 반력에 의한 토오크를 Tt라 할 때 상기 베이스 전극(10)과 측면 전극(14)에 의한 토오크의 합(T_l+T_s)이 비틀림스프링(24)의 반력에 의한 토오크(T_t)와 같게 되는 점 즉, 그래프의 교차점 a나 b에서 마이크로 미러(25)는 평형을 이루게 된다. 따라서 이러한 평형점이 존재할 때의 구동 전압을 Vo라 하면 이보다 큰 전압으로 구동하지 않으면 마이크로 미러는 수직 상태에까지 이르지 못할 것이다.

따라서 상기 마이크로 미러(25)와 베이스 전극(10) 및 측면 전극(14)에 의한토오크의 합(T_l+T_s)이 상기 비틀림 스프링(24)의 반력에 의한 토오크(T_t)보다 크게 되도록 상기 평형점에서의 전압 V₀보다 큰 구동전압 V₁(V₁>V_o)을 설정하여야 한다.

특히, 본 발명에 따른 광스위치는 마이크로 미러(25)가 회동하여 수직으로 직립할 때 상기 측면 전극(14)이 전극 역할을 할 뿐만 아니라 스토퍼의 역할도 함으로써 상기 마이크로 미러(25)가 정확하게 수직을 유지하게 된다. 이때 상기 측면 전극(14)과 마이크로 미러(25) 사이의 쇼트를 방지하기 위하여 측면 전극(14)의 외측면에 후술할 절연막을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치는 마이크로 미러(30)가 도 7에 도시한 바와 같은 구조를 가지는 것이 바람직하다. 여기에서 마이크로 미러(30)가 수평 상태를 유지할 때, 상기 측면 전극(14)을 중심으로 상기 베이스 전극(10)과 대면하는 쪽의 길이를 L_a, 폭을 W_a라 하고 반대쪽의 길이를 L_b, 폭을 W_b라 한다.

그러면 상기 마이크로 미러(30)의 한 쪽 길이(L_a)를반대쪽의 길이(L_b)보다 짧게 하여 비대칭으로 함으로써 정전력이 작용하는 쪽의 회동 스트로크를 줄이고 이에 따라 구동 전압을 감소시킬 수 있다. 또한 상기 마이크로 미러(30)의 한쪽의 폭(W_a)을 반대쪽의 폭(W_b)보다 넓게 형성하여 상기와 같이 마이크로 미러(30)의 길이 비대칭으로 인한 불균형을 해소함과 아울러 정전력을 발생시키는 유효 면적을 넓게 함으로써 구동 전압을 감소시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기한 구조의 광스위치 제조 방법을 상세히 설명한다.

우선 도 8a에 도시한 바와 같이 소정 두께의 웨이퍼(35)상에 실리콘 에칭용 보호막(38)을 증착한 다음 상기 보호막(38)을 일부만 남기고 나머지 부분은 에칭한다. 여기에서 상기 보호막(38)으로는 산화막이나 질화막을 이용할 수 있다.

또한 도 8b에 도시한 바와 같이 실리콘 에칭액에 의해 상기 웨이퍼(35)를 식각하여 지지부(39)를 형성한 다음 도 8c와 같이 웨이퍼(35) 및 지지부(39) 외측면에 절연막(40)과 금속막(42)을 차례대로 증착한다. 이어서 도 8d와 같이 상기 절연막(40)과 금속막(42)을 식각하여 베이스 전극(43) 및 측면 전극(44)을 형성한다.

그리고 도 8e와 같이 상기 웨이퍼(35), 베이스 전극(43) 및 측면 전극(44) 위에 절연막(45)을 증착한 다음 희생층(48)을 형성한다. 이와 같이 상기 측면 전극(44)의 외측면에 절연막(45)을 증착함으로써 마이크로 미러(25)가 직립하여 측면 전극(44)에 접촉할 때 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.

도 9는 도 8e를 A-A 방향에서 본 단면도로서 상기 측면 전극(14)의 길이 방향 양측으로 상기 희생층(48)을 식각하여 지지포스트 구멍(50)을 형성하고 상기 희생층(48)상에 금속막(53)을 증착한다. 그런 다음 상기 금속막(53)을 패터닝하여 비틀림 스프링(24), 마이크로 미러(25) 및 지지 포스트(18)를 형성한 후, 건식 식각 공정에 의해 희생층(48)을 제거함으로써 본 발명에 따른 광스위치가 완성된다.

이상과 같이하여 본 발명에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치를 용이하게 제조할 수 있다. 상기의 공정에 의해 제조된 광스위치는 광신호가 반사될 마이크로 미러와 광신호가 통과될 마이크로 미러가 선별되어 광신호를 전송한다.

본 발명에 따른 정전력에 의해 구동되는 광스위치 및 그 제조 방법은 다수개의 전극이 상호 협력하여 마이크로 미러를 구동시키므로 구동전압이 적게 들고 측면 전극이 정전력을 발생시킴과 아울러 마이크로 미러가 수직으로 직립시 스토퍼의 역할도 함으로써 정확하게 수직을 유지하여 광손실을 줄일 수 있다.

또한 마이크로 미러를 측면 전극을 기준으로 하여 정전력이 작용하는 쪽의 길이가 다른 쪽의 길이보다 짧도록 비대칭으로 제조함으로써 회동 스트로크를 작게 하여 전력 손실을 적게 한 이점이 있다.

Claims (6)

1. 기판과;

   상기 기판에 대해 직립된 지지부와;

   상기 지지부와 직각으로 만나도록 기판상에 형성된 베이스 전극과;

   상기 지지부의 일측면에 결합되어 상기 베이스 전극과 일체로 형성된 측면 전극과;

   상기 베이스 전극과 상호 작용하여 정전력에 의해 회동하고 계속하여 상기 측면 전극과 상호 작용하여 정전력에 의해 수직으로 직립하도록 된 마이크로 미러와;

   상기 기판상에 형성된 한 쌍의 지지 포스트와;

   상기 지지 포스트에 연결되어 상기 마이크로 미러와 결합된 비틀림 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 미러는,

   수평 상태일 때 상기 측면 전극을 중심으로 상기 베이스 전극과 대면하는 쪽의 길이를 L_a라 하고 반대쪽의 길이를 L_b라 하면 상기 마이크로 미러의 한 쪽 길이(L_a)를반대쪽의 길이(L_b)보다 짧게 하여 비대칭으로 함으로써 정전력이 작용하는 쪽의 회동 스트로크를 줄이도록 형성된 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로 미러는,

   수평 상태일 때 상기 측면 전극을 중심으로 상기 베이스 전극과 대면하는 쪽의 폭을 W_a라 하고 반대쪽의 폭을 W_b라 하면 마이크로 미러의 한쪽의 폭(W_a)이 반대쪽의 폭(W_b)보다 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치.
4. 소정 두께의 웨이퍼상에 실리콘 에칭용 보호막을 증착하는 단계;

   상기 보호막을 일부만 남기고 나머지 부분을 에칭한 다음 실리콘 에칭액에 의해 상기 웨이퍼를 식각하여 지지부를 형성하는 단계;

   상기 웨이퍼와 지지부 외측면에 절연막과 금속막을 차례대로 증착하는 단계;

   상기 금속막을 식각하여 베이스 전극 및 측면 전극을 형성하는 단계;

   상기 웨이퍼, 베이스 전극 및 측면 전극의 외측면에 절연막을 증착한 후 그 위에 희생층을 형성하는 단계;

   상기 측면 전극 양측의 희생층을 식각하여 지지 포스트 구멍을 형성하는 단계;

   상기 희생층상에 금속막을 증착한 후 이 금속막을 패터닝하여 마이크로 미러, 지지 포스트 및 비틀림 스프링을 형성하는 단계;

   건식 식각 과정을 통하여 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 마이크로 미러는,

   수평 상태일 때 상기 측면 전극을 중심으로 상기 베이스 전극과 대면하는 쪽의 길이를 L_a라 하고 반대쪽의 길이를 L_b라 하면 상기 마이크로 미러의 한 쪽 길이(L_a)를반대쪽의 길이(L_b)보다 짧게 하여 비대칭으로 함으로써 정전력이 작용하는 쪽의 회동 스트로크를 줄이도록 형성된 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 제조 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 마이크로 미러는,

   수평 상태일 때 상기 측면 전극을 중심으로 상기 베이스 전극과 대면하는 쪽의 폭을 W_a라 하고 반대쪽의 폭을 W_b라 하면 마이크로 미러의 한쪽의 폭(W_a)이 반대쪽의 폭(W_b)보다 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 정전력에 의해 구동되는 광스위치의 제조 방법.