KR20020025592A - 광 스위칭을 위한 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

광 스위칭을 위한 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 OXC(Optical Cross Connect)에서 광 스위칭 기능을 수행하는 마이크로 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터는 웨이퍼, 웨이퍼의 상면에 형성된 하부전극, 하부전극에 수직하도록 웨이퍼의 상면에 형성된 측면전극, 웨이퍼의 상면에 소정 간격만큼 이격된 채로 돌출 형성된 한쌍의 지지 포스트, 측면전극과 소정 간격만큼 이격된 채로 하부전극에 대향하도록 배치된 반사거울, 반사거울과 지지 포스트 사이를 연결시켜 줌으로써 반사거울을 회동 가능하게 지지하는 한쌍의 코일스프링을 포함하여 구성된다. 본 발명에 의하면 측면전극을 구비함으로써 낮은 전압으로 구동이 가능하며, 측면전극이 스토퍼의 역할을 수행하므로써 별도의 장치없이 정확하고 안정적으로 반사거울을 회전 구동하는 마이크로 액추에이터를 실현할 수 있다.

Description

광 스위칭을 위한 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법{Micro Actuator for optical switching and its manufacturing method}
본 발명은 OXC(Optical Cross Connect)에서 광 스위칭 기능을 수행하는 마이크로 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 방식으로 제작되고 정전력으로 구동되는 마이크로 액추에이터에 있어서, 낮은 전압으로 구동이 가능하며, 정확한 광경로 변환각도를 가질 수 있도록 구조가 개선된 마이크로 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 OXC에서 마이크로 액추에이터는 반사거울의 각도를 조절함으로써 반사거울로 입사되는 광의 경로를 바꾸어 주는 기능을 한다. 정전력에 의해 구동되는 마이크로 액추에이터에는 SDA(Scratch Drive Actuator)를 사용하여 반사거울을 구동하는 방식, 콤 드라이브 액추에이터(Comb Drive Actuator)를 사용하여 반사거울을 구동하는 방식, 별도의 액추에이터 없이 반사거울 자체를 하나의 전극으로 하여 반사거울 하부에 위치하는 다른 전극사이와의 정전력에 의해 반사거울이 구동되는 방식 등이 사용되고 있다.
상기한 방식 중 SDA 또는 콤 드라이브 액추에이터를 사용하는 방식의 경우에는 반사거울을 구동하기 위한 별도의 액추에이터가 필요하므로 전체적인 칩의 크기가 커지게 되어 광경로의 증가를 유발하고 광효율의 저하를 가져오게 되는 문제가 있다. 이러한 문제는 세번째 방식, 즉 별도의 액추에이터 없이 반사거울을 직접 구동하는 방식을 사용함으로써 해결할 수 있다.
도 1에 반사거울을 직접 구동하는 방식의 마이크로 액추에이터가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이러한 방식의 마이크로 액추에이터는 중심부에 홀이 형성된 상부전극(1) 및 하부전극(2), 상부전극(1)과 같은 높이에서 지지편에 의해 회동가능하게 지지되어 있는 반사거울(3)로 구성되어 있다. 반사거울(3)은 금(Au)이 도금된 규소 화합물(Poly-Si)로 형성되어 그 자체가 전극의 역할을 하게 된다. 상부전극(1)과 하부전극(2) 사이에 일정한 전압을 인가하면, 반사거울(3)과 하부전극(2) 사이에 전정력이 발생하여 반사거울(3)이 아래 방향으로 90°회동함으로써(도 1에서 점선상태) 입력측 광섬유(4)로 부터 입사된 빛은 경로가 90°바뀌어 출력측 광섬유(5)로 전달된다.
그러나 이러한 방식의 마이크로 액추에이터의 경우 전체적인 칩의 크기는 비교적 크지 않으나, 그 제작공정이 복잡하고 반사거울을 직접 구동하기 위하여 높은 전압이 요구되는 문제점이 있다. 또한 반사거울이 정확히 90°로 회전되어야 입력측 광섬유(4)로부터 출력측 광섬유(5)로 빛이 손실없이 전달되는데, 이를 위하여 별도의 스토퍼(stopper) 등의 보조장치가 포함되어야 하므로 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 낮은 전압으로 구동이 가능하며, 별도의 보조장치 없이 반사거울의 90°회전 구동을 정확히 할 수 있는 마이크로 엑추에이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 마이크로 액추에이터의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터의 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터의 측단면도.
도 4는 반사거울의 회전각에 따른 정전력에 의한 토오크 값을 표시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터가 적용된 3×3 광 스위치의 개략도.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 웨이퍼20 : 하부전극
30 : 측면전극40 : 반사거울
50 : 지지 포스트60 : 비틀림 스프링
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터는 웨이퍼, 웨이퍼의 상면에 형성된 하부전극, 하부전극에 수직하도록 웨이퍼의 상면에 형성된 측면전극, 웨이퍼의 상면에 소정 간격만큼 이격된 채로 돌출 형성된 한쌍의 지지 포스트, 측면전극과 소정 간격만큼 이격된 채로 하부전극에 대향하도록 배치된 반사거울, 반사거울과 지지 포스트 사이를 연결시켜 줌으로써 반사거울을 회동 가능하게 지지하는 한쌍의 코일스프링을 포함하여 구성된다.
여기서, 반사거울은 비틀림 스프링이 연결된 부분을 중심으로 하여 하부전극과 대향하는 우측의 길이가 좌측의 길이보다 짧도록 배치된다.
또, 반사거울은 비틀림 스프링이 연결된 부분을 중심으로 하여 하부전극과 대향하지 않는 좌측에 측면전극에 의한 정전력의 작용이 최소화되도록 홀이 형성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로 액츄에이터의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 마이크로 액추에이터는 웨이퍼(10), 웨이퍼(10)의 상면에 형성된 하부전극(20), 하부전극(20)에 수직하도록 웨이퍼(10)의 상면에 형성된 측면전극(30), 웨이퍼(10)의 상면에 소정 간격만큼 이격된 채로 돌출 형성된 한쌍의 지지 포스트(50), 측면전극(30)과 소정 간격만큼 이격된 채로 하부전극에 대향하도록 배치된 반사거울(40) 및 반사거울(40)과 지지 포스트(50) 사이를 연결시켜 줌으로써 반사거울(40)을 회동 가능하게 지지하는 한쌍의 비틀림 스프링(60)으로 구성된다.
반사거울(40)은 빛의 반사율이 높은 금속으로 형성되며 그 자체가 전극의 역할을 하게 된다.
측면전극(30)과 하부전극(20)은 한쌍의 지지 포스트(50) 사이에 "L"자 형으로 배치된다. 반사거울(40)은 비틀림 스프링(60)이 연결된 부분, 즉 회전중심을 기준으로 좌우측의 길이가 서로 다르게 배치되되, 하부전극(20)과 대향하는 부분인 우측의 길이(Lb)가 좌측(La)보다 짧도록 배치되는 것이 바람직하다. 이는 정전력을 받는 부분인 우측의 길이(Lb)를 짧게 함으로써 측면전극(30)의 높이와 반사거울(40)의 회전 스트로크를 짧게 할 수 있기 때문이다. 또 지지 포스트(30)는 그 내부가 비어있는 원통형 또는 사각 빔의 형태인 것이 바람직하다.(후술할 도 6g 참조)
한편, 측면전극(40)에 의한 정전력은 반사거울(40)의 모든 면에 작용하므로, 좌우측(La)(Lb)에 정전력에 의한 토오크가 동시에 작용하게 된다. 이는 측면전극(30)에 의한 반사거울(40)의 구동효과를 저하시키므로, 반사거울(40)의 좌측(La)에는 홀(41)을 형성하여 정전력의 작용이 최소화 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 3은 반사거울의 구동을 설명하기 위한 마이크로 액추에이터의 측단면도이다. 도시된 바와 같이 반사거울(40)이 하부전극(20)과 평행한 상태가 원점상태이다. 원점상태에서 반사거울(40)과 측면전극(30) 및 하부전극(20) 사이에 일정 전압을 인가하면, 먼저 반사거울(40)로부터 하부전극(20)을 향하여 제1차 정전력이 발생하고, 제1차 정전력에 의해 반사거울(40)의 회전중심(O) 주위에 제 1 토오크(Tl)가 발생된다. 이에 의하여 반사거울(40)이 시계 방향으로 회전하게 된다. 반사거울(40)이 회전하면 반사거울(40)로부터 측면전극(30)을 향하여 제2차 정전력이 발생하고, 이는 반사거울(40)의 회전중심(O) 주위에 제 2 토오크(Ts)를 발생시킨다. 제 1 토오크(Tl) 및 제 2 토오크(Ts)는 다음과 같이 계산된다.
(수식 1)
(수식 2)
여기서 ε는 진공상태에서의 유전율, V는 전위차, W는 반사거울(40)의 폭(도 2 참조), θ는 반사거울(40)의 회전각, H는 측면전극의 높이, α는 측면전극의 절연막 두께를 나타낸다.
제 1 토오크(Tl) 및 제 2 토오크(Ts)에 의하여 반사거울(40)이 θ만큼 회전하면, 비틀림 스프링(60; 도 1 참조)에는 반사거울(40)을 원점상태로 복원시키려는 복원력에 의한 제 3 토오크(Tt)가 생기게 되는데, 이는 제 1 토오크(Tl) 및 제 2 토오크(Ts)와 반대방향(반시계 방향)으로 작용한다. 제 3 토오크(Tt)는 다음과 같이 계산된다.
(수식 3)
여기서 k는 스프링 상수, G는 스프링 재질의 전단계수, a는 스프링의 폭, l은 스프링의 길이, t는 스프링의 두께를 나타낸다.
이들 제 1 토오크(Tl), 제 2 토오크(Ts), 및 제 3 토오크(Ts) 값이 도 4에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, θ가 약 10˚보다 작을 때는 하부전극(20)에 의한 제 1 토오크(Tl)가 측면전극(30)에 의한 제 2 토오크(Ts)보다 크고, θ가 증가할수록 제 2 토오크(Ts)가 제 1 토오크(Tl)보다 커지게 되어, θ가 90˚에 이르면 제 2 토오크(Ts)만이 반사거울(40)에 작용하게 된다. 이는 종래의 마이크로 엑추에이터와 비교해보면, 측면전극(30)을 더 구비함으로써 같은 전압하에서 토오크를 크게 할 수 있으므로, 결과적으로 동일한 회전각으로 반사거울을 구동할 때 종래의 경우보다 낮은 전압으로 구동이 가능함을 의미한다. 한편, 전압인가시 제 1 토오크(Tl)와 제 2 토오크(Ts)의 합(Tl+Ts)은 모든 θ의 범위내에서 스프링의 복원력에 의한 제 3 토오크(Tt)보다 크므로, 반사거울(40)은 시계방향으로 90˚회전하여 측면전극(30)과 접촉하게 되고, 입사된 빛을 반사하여 광 경로를 바꾸어 주게된다.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터가 적용된 3×3 광 스위치의 개략도이다. 각각의 반사거울(40)은 개별적으로 수평(42) 혹은 수직(43)상태가 되도록 구동되며, 입력측 광섬유(71)로 부터 입사된 빛은 수직상태의 반사거울(42)에 의해 경로가 바뀌어 출력측 광섬유(72)로 전달된다. 이때 광섬유의 직경이 매우 작기 때문에 반사거울(40)이 정확히 90˚로 구동되지 않으면 입력측 광섬유(71)로부터의 빛이 출력측 광섬유(72)로 전달되지 않는다. 본 발명에서는 측면전극(30)이 스토퍼(stopper)의 역할을 함으로써 반사거울(40)이 정확히 90˚로 구동될 수 있다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a, 도 6f 및 도 6g는 도 2에서의 B-B 부분의 단면도이고, 도 6b 내지 도 6e는 도 2에서의 A-A 부분의 단면도이다. 이하 본 발명의 마이크로 액추에이터의 제조방법을 공정순서에 따라 설명한다.
먼저, 절연막이 증착되어 있는 웨이퍼(10) 상에 도전성 재료로 시드층(seed layer)을 형성한 후, 하부전극(20), 측면전극 베이스(82) 및 포스트 베이스(81)를 형성하기 위하여 사진식각공정에 의하여 시드층을 패턴화 한다. 이후 웨이퍼(10) 및 패턴화된 시드층, 즉 하부전극(20), 측면전극 베이스(82) 및 포스트 베이스(81)의 상면에 후막용 포토레지스트층(Thick PR)(90)를 형성하고, 200℃ 이상에서 열처리를 한다. 이러한 공정의 결과가 도 6a에 도시되어 있다.
다음으로, 하부전극(20)은 후막용 포토레지스트층(80)에 의해 덮혀 있고 측면전극 베이스(82)는 노출되도록, 사진식각공정에 의해 후막용 포토레지스트층(90)의 일부를 제거하여 도금틀(91)을 형성하고, 도금틀(91)의 내부에 스퍼터링(Sputtering)에 의해 절연막(100)을 증착한다. 여기서 도금틀(91)을 형성함에 있어서는 그 측면의 직각도를 확보하기 위하여 일반 현상공정이 아닌 반응성 이온 식각법(RIE : Reactive Ion Etching)을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 공정의 결과가 도 6b에 도시되어 있다.
이후, 도 6c에 도시된 바와 같이, 절연막(100)을 식각하여 측면전극 베이스(82)가 노출되도록 한 다음에, 도 6d에 도시된 바와 같이, 측면전극베이스(82) 위에 도전성 재료로 측면전극(30)을 형성한다. 이렇게 함으로써 하부전극(20)과 측면전극(30)은 통전이 가능하게 된다. 한편, 측면전극(30)의 높이는 도금틀(91)의 높이보다 낮게 하는 것이 바람직하다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 측면전극(30)과 도금틀(91)의 상부에 포토레지스트층(110)을 형성하고 열처리한다. 이때의 열처리 온도는 상기한 후막용 포토레지스트층(90)의 열처리 온도보다는 낮고 150℃보다는 높게 하는 것이 바람직하다.
포스트 베이스(20)가 노출되도록 반응성 이온 식각법(RIE)에 의해 해당 부분의 후막용 포토레지스트층(90) 및 포토레지스트층(110)을 제거하여 포스트 홀(51)을 형성한다. 이후 포토레지스트층(110)의 상면 및 포스트 홀(51)에 반사율이 높은 금속으로 금속층을 형성하고, 이를 식각하여 반사거울(40), 지지 포스트(50) 및 비틀림 스프링(60)을 형성한다. 이러한 공정의 결과가 도 6f에 도시되어 있다.
마지막으로, 도 6g에 도시된 바와 같이, 플라즈마를 이용한 식각공정을 통하여 남아 있는 후막용 포토레지스트층(90) 및 포토레지스트층(110)를 제거함으로써 마이크로 액추에이터의 제조가 완료된다.
본 발명에 의하면 측면전극을 구비함으로써 낮은 전압으로 구동이 가능하며, 측면전극이 스토퍼의 역할을 수행하므로써 별도의 장치없이 정확하고 안정적으로 반사거울을 회전 구동시키는 마이크로 액추에이터를 실현할 수 있다.
또한, 하부전극과 대향하는 측의 길이가 반대측의 길이보다 짧도록 반사거울을 성형함으로써 반사거울의 회전 스트로크 및 측면전극의 높이를 작게할 수 있어마이크로 액추에이터의 제조가 용이하게 된다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (5)

  1. 웨이퍼;
    상기 웨이퍼의 상면에 형성된 하부전극;
    상기 하부전극에 수직하도록 상기 웨이퍼의 상면에 형성된 측면전극;
    상기 웨이퍼의 상면에 소정 간격만큼 이격된 채로 돌출 형성된 한쌍의 지지 포스트;
    상기 측면전극과 소정 간격만큼 이격된 채로 상기 하부전극에 대향하도록 배치된 반사거울; 및
    상기 반사거울과 상기 지지 포스트 사이를 연결시켜 줌으로써 상기 반사거울을 회동 가능하게 지지하는 한쌍의 비틀림 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사거울은 상기 비틀림 스프링이 연결된 부분을 중심으로 하여 상기 하부전극과 대향하는 우측의 길이가 좌측의 길이보다 짧도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사거울은 상기 비틀림 스프링이 연결된 부분을 중심으로 하여 상기 하부전극과 대향하지 않는 좌측에 상기 측면전극에 의한 정전력의 작용이 최소화되도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사거울은 상기 비틀림 스프링이 연결된 부분을 중심으로 하여 상기 하부전극과 대향하는 우측의 길이가 좌측의 길이보다 짧도록 배치되며, 상기 좌측에는 상기 측면전극에 의한 정전력의 작용이 최소화되도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터.
  5. 웨이퍼 상에 시드층을 형성한 후, 하부전극, 측면전극 베이스 및 포스트 베이스를 만들기 위해 상기 시드층을 패터닝하는 단계;
    상기 웨이퍼 및 패터닝된 상기 시드층의 상면에 후막용 포토레지스트층을 형성한 후, 상기 후막용 포토레지스트층을 식각하여 도금틀을 형성하는 단계;
    상기 도금틀의 내부에 절연막을 형성한 후, 상기 측면전극 베이스가 노출되도록 상기 절연막을 패터닝하는 단계;
    상기 측면전극 베이스 위에 측면전극을 형성하는 단계;
    상기 측면전극과 상기 도금틀의 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 포스트 베이스가 노출되도록 상기 도금틀 및 상기 포토레지스트층에 포스트 홀을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트층의 상면 및 상기 포스트 홀에 금속층을 형성한 후, 상기 금속층을 식각하여 반사거울, 비틀림 스프링 및 상기 지지 포스트를 형성하는 단계; 및
    남아있는 상기 후막용 포토레지스트층 및 상기 포토레지스트층를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 액추에이터의 제조방법.
KR1020000057516A 2000-09-29 2000-09-29 광 스위칭을 위한 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법 KR100349941B1 (ko)

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