KR20020068773A

KR20020068773A - 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용박막 미소거울어레이의 구조와 그의 제조방법, 그리고이를 이용한 다차원 광스위칭 방식

Info

Publication number: KR20020068773A
Application number: KR1020010009035A
Authority: KR
Inventors: 김동균; 이종원; 주상백; 전영득
Original assignee: 마이크로와이즈(주)
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2002-08-28
Also published as: KR100374486B1

Abstract

초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이의 제조방법은 K×L (K, L은 정수)개의 MOS 트랜지스터 및 제1금속층을 포함하는 기판을 제공하는 단계와, 기판의 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층을 형성한후, 희생층의 상부에 지지층, 하부전극, 변형층 및 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계와, 그리고, 액츄에이터의 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층을 형성한 후, 상기 액츄에이터의 일부를 노출시키고, 노출된 액츄에이터 및 희생층의 상부에 반사성 금속을 증착하여 입사광을 반사하는 광반사부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이의 구조와 그의 제조방법, 그리고 이를 이용한 다차원 광스위칭 방식{Thin film micromirror array for free-space optical switching using Micro Electro Mechanical System and method for manufacturing the same, and multidimensional optical switching mode therefrom}

본 발명은 자유 공간형 광스위치의 박막형 미소거울어레이(micromirror array)의 구조와 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액츄에이터 내부의 압전 변형층의 분극량에 따라 각 액츄에이터의 구동 각도를 변화시킬 수 있으며, 상부 전극과 하부 전극 사이에 인가되는 전압을 재조정하여 광 거울의 각도를 조절함으로써 광스위칭 기능을 수행할 수 있도록 한 박막형 미소거울어레이의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광스위치는 광전송로의 도중에 연결되어 전송신호의 통과/차단, 혹은 전송신호의 경로 등을 외부 신호에 의해 제어하는 기능을 수행한다. 광스위치는 단순히 광신호를 통과/차단(on/off) 할 수 있는 1×1형, 단말장치나 광섬유 케이블의 보수점검에 모니터용으로 활용할 수 있으며, 다른 선로로 전환시키는 기능을 갖는 1×2형, 두개 선로 간의 신호 교체 기능을 갖는 2×2형, 여러 선로 간의 접속 경로를 선택적으로 전환시킬 수 있는 매트릭스형인 M×N형 등이 있다.

이러한 광스위치는 광 가입자가 늘어나고 선로망 구성이 복잡화 되어감에 따라 그 수요가 확대 일로에 있으며, 향후 고밀도 파장 분할 다중화 장치(WDM) 기술의 전개에 따라 광회선 분배기(Optical Cross Connector; OXC)용 광스위치의 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.

매트릭스형 광스위치는 공간 분할 방식의 교환 기능을 갖는 소자로서 뿐만 아니라 광 ADD/DROP 다중화기, 광 시간 지연기 등의 모듈에 활용되어 파장 분할 다중화 장치(WDM) 방식의 광전송 시스템 및 광 네트워크 구성에 필수적인 부품으로서 활용성이 매우 클 것으로 기대하고 있지만, 현재 시스템의 요구 조건을 만족시키는 소자 개발이 완료되지 않고 있다.

현재의 일반적인 광스위치는 신호의 전환방식과 구조에 따라 도 1a의 기계식 광스위치와 도 1b의 도파로형으로 대변되는 비기계식으로 구분된다. 도 1a의 기계식 광스위치는 기본적으로 GRIN 렌즈, 프리즘, 광섬유 등의 유리광학 소자로 구성되며, 기계적으로 구성소자를 움직여 입력되는 광신호의 경로가 프리즘의 분산각에 맞추어 변환됨으로써 스위치 기능을 한다. 이러한 기계적 광스위치는 삽입 손실이 적다는 장점이 있다.

도 1b의 비기계식 광스위치는 광신호의 경로를 변경시키는 원리에 따라 전기-광학형(electro-optic), 열-광학형(thermo-optic), 음향-광학형(acoust-optic), 그리고 비선형 광학형(nonlinear optic) 스위치 등으로 나눌 수 있다. 도파로형 광스위치는 이러한 여러 종류의 광학 기판에 광이 전송되는 경로인 도파로를 원하는 분기수로 설계하여 외부 전기장의 변화에 따라 광 신호의 경로가 변환되는 원리를 이용한 것이다. 이러한 도파로형 스위칭은 속도가 빠르다는 점을 장점으로 들 수 있다.

상기한 현재의 일반적인 광스위치들은 크기의 한계로 인해 소형화에는 적합하지 못하고, 비교적 삽입손실(insertion loss)이 크며 혼선(cross talk)이 심하고, 파장이나 분극의 영향이 심하다는 단점들로 인하여 파장 분할 다중화 장치 등과 같은 소형, 대용량, 고속 광교환 장치로는 적합하지 못하다.

최근에 이러한 기술적인 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 초미세전기기계시스템(Micro Electro Mechanical System; MEMS) 기술을 이용한 광 스위치를 개발하고자 하는 노력들이 있었다.

1995년에는 오일러(E. Ollier), 라베이(P. Labeye) 등에 의해 발표된 정전형 액츄에이터를 이용한 움직이는 이산화규소 도파로(moving silica waveguide)형 광스위치를 개발하였고, 1996년는 토시요시(H. Toshiyoshi), 퓨지타(H. Fujita) 등에 의해 발표된 전자기형 비틀림 거울(electromagnetic torsion mirror)을 사용한 광회선 분배기가 개발되었으며, 그 외에도 UCLA에서 발표된 스크래치 드라이버 액츄에이터(scratch driver actuator; SDA)를 이용한 표면미세가공 스위치(surface mciromachined switch)와 루슨트 테크놀로지(lucent technology)사에서 발표한 16 채널 경사 거울어레이(tilt mirror array)를 사용한 ADD/DROP 광스위치 등이 있다.

이러한 초미세기술을 이용한 광스위치는 구동원리에 따라 광섬유 내지 도파로의 경로를 변경시키는 도파로형 스위치와 경사 거울을 사용한 자유공간 스위치로 분류할 수 있고, 정전력, 전자기력 등을 이용한 액츄에이터들을 사용하고 있다.

도 2는 정전형 광스위치(electrostatic switch)의 작동원리를 나타내는 그림이다.

도 2에서 토션 빔(torsion beam) (101)은 힌지(hinge) 형태로 공중에 매달려 있고 그라운드(102)에 연결되어 있다. 토션 빔(101) 아래의 좌우에는 두개의 전극(103)이 위치하고 있는데 각각은 전압원 1(104)와 전압원 2(105)에 연결되어 있다. 전압원 1과 전압원 2에 전압이 인가되지 않는 경우 평행상태(110)을 유지하고 있다가 전압원 1 내지 전압원 2에 전압이 인가될 시 기울어진 상태(120)로 변하게 된다. 현재 이러한 정전형 스위치는 1ms 정도의 속도를 가지며 20V 내지 100V의 높은 전압이 필요하다.

이러한 종래의 광스위치에 사용된 액츄에이터들이 차지하는 면적이 소자에 비해 상당히 크며, 정전력이나 전자기력을 이용하여 구동하기 위해서는 20V 이상의 높은 전압을 인가해 주어야 하므로 전력소비 면에서 단점이 있다. 또한 이러한 광스위치들은 2차원의 광스위칭만이 가능하므로 인해 대용량에는 적합하지 못하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 경사거울의 아래에 다단계로 구동되는 액츄에이터를 형성하고 이 액츄에이터의 내부에 변형층에 상하에 걸리는 인가전압에 따라 각 액츄에이터의 구동 각도를 변화시킴으로써 광거울의 각도를 조절할 수 있도록 한 광스위치와 이의 모놀리식 제조 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 압전 액츄에이터를 10V 이하의 전압으로 256 정도의 단계로 구동하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 광스위치를 이용하여 다차원의 광스위칭 방식을 제공하는 것이다.

도 1a는 일반적인 기계식 광스위치를 나타내는 도면.

도 1b는 일반적인 도파로형태 비기계식 광스위치를 나타내는 도면.

도 2는 정전형 광스위치의 구현원리를 나타내는 도면.

도 3a는 본 발명에 의한 양방향(X-, Y- 방향) 경사 미소거울의 사시도.

도 3b는 본 발명에 의한 단방향 경사 미소거울의 사시도.

도 3c는 본 발명에 의한 압전 액츄에이터의 사시도.

도 4a는 본 발명에 의한 도 3a의 양방향 경사 미소거울의 평면도.

도 4b는 본 발명에 의한 양방향 경사 미소거울의 다른 실시예를 나타내는 평면도.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 경사 미소거울의 단면도.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 의한 경사 미소거울의 구동원리를 나타내는 단면도.

도 7a는 본 발명에 의한 단방향 경사 미소거울의 선형 어레이를 이용한 (2×2) 광스위칭의 원리를 나타내는 도면.

도 7b는 본 발명에 의한 양방향 경사 미소거울의 (2×2) 매트릭스 어레이와 반사면을 이용한 (2×2) 광스위칭의 원리를 나타내는 도면.

도 7c는 본 발명에 의한 양방향 경사 미소거울의 (Kx L) 매트릭스 어레이를 이용한 다차원((K×L)×(M×N)) 광스위칭의 원리를 나타내는 도면.

도 8a 내지 도 12b는 본 발명에 의한 경사 미소거울의 제작 공정도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

201 : 구동회로부 202 : 액츄에이터

203 : 광반사부 210 : 양방향 경사 미소거울

220 : 단방향 경사 미소거울 301 : 기판 (substrate)

302 : 격리층(isolating layer) 303 : 드레인 (drain)

304 : 소오스 (source) 305 : 게이트 (gate)

306 : P형 MOS 트랜지스터 307 : 절연층(insulating layer)

308 : 제1금속층 309 : 제1보호층

310 : 제2금속층 311 : 제2보호층

312 : 식각 방지층 313 : 제1에어갭

314 : 제1앵커 315 : 제2앵커

316 : 제1하드마스크 317 : 지지부

318 : 하부전극 319 : 변형부

320 : 상부전극 321 : 제1비어홀

322 : 제2비어홀 323 : 제1비어컨택

324 : 제2비어컨택 325 : 제2에어갭

326 : 포스트 327 : 제2하드마스크

328 : 반사막

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자유공간형 광스위치의 미소거울어레이와 이를 이용한 다차원 광스위칭 방식을 상세히 설명한다.

도 3a 와 도 3b는 각각 본 발명에 따른 양방향 경사 미소거울(biaxial tilting micromirror)과 단방향 경사 미소거울(uniaxial tilting micromirror)의 사시도이다. 그리고 도 3c는 본 발명에 따른 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator)의 사시도이다. 도 4a는 도 3a의 양방향 경사 미소거울의 평면도를 나타내며, 도 4b는 다른 실시 예를 나타내는 평면도이다. 도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 미소거울의 구조를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 의한 미소거울의 구조는 크게 상술한 제1희생층(329 내지 330)의 제조 방법에 따라 두 가지로 나뉜다. 도 5a와 도 5b는 후술하게 될 제1희생층(329)으로 accuflo 등의 폴리머 재질을 사용한 미소거울의 단면도들이고, 도 5c와 도 5d는 제1희생층(330)으로 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용한 미소거울의 단면도이다. 또한, 도 5a와 도 5c는 도 4a의 ABC 방향으로의 단면도이고, 도 5b와 도 5d는 도 4a의 ABD 방향으로의 단면도이다.

도 3a의 양 방향 경사 미소거울은 미소거울어레이 중의 개별 미소거울(210)을 스위칭하기 위한 구동회로부(도시하지 않음), X-, Y-방향으로 미소거울(210)을 회전시키기 위한 네 개의 압전 액츄에이터(202), 그리고 입사된 광을 반사시키는 광반사부(203)로 구성되어 있다. 도 3b의 단 방향 경사 미소거울(220)은 구동회로부(도시하지 않음), 광반사부(203), 그리고 Y- 방향의 회전이 가능하도록 Y축에 두 개의 압전 액츄에이터(202)가 위치하고 있다. 본 발명에서 각각의 압전 액츄에이터(202)는 X- 내지 Y- 방향으로 회전 시 다른 방향의 압전 액츄에이터(202)의 영향을 제거하기 위하여, 미소거울의 중심축에서 후술하게 될 포스트(326)에 의해 광반사부(203)에 연결되어 있고, 중심축과 수직한 방향으로 길이 방향이 되도록 위치하며, 광반사부(203)와 상기 압전 액츄에이터(202) 사이에 제2에어갭을 두고 포스트에 의해 구조적으로 연결되도록 하였다.

도 3a 내지 도 3b에서는 원형 거울을 도시하였지만, 본 발명이 이에 한정도는 것은 아니고 사각형 또는 다른 형상의 거울을 사용하는 것도 가능하다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 본 발명에 따른 양방향 또는 단방향 미소거울의 구동회로부(201)는 개별 거울을 선택하기 위하여 P형 MOS 트랜지스터(306), 절연층(307), 제1금속층(308), 제1보호층(309), 제2금속층(310), 제2보호층(311), 그리고 식각 방지층(312)으로 구성된다. 상기 P형 MOS(metal oxide semiconductor) 트랜지스터(306)는 드레인(drain)(303), 소오스(source)(304), 그리고 게이트(305)로 구성되어 있다.

상기 제1금속층(308)은 P형 MOS 트랜지스터(306)의 드레인(303) 및 소오스(304)와 연결되고 후술할 압전 액츄에이터(202)의 하부 전극(318)에 전기 신호를 가하는 역할을 수행한다.

상기 제2금속층(310)은 후술할 압전 액츄에이터의 상부 전극(320)에 전기적으로 연결되어 있고 외부 구동 신호와 연결되어 있다. 단일 미소거울의 압전 액츄에이터에 각기 다른 신호를 가해 주기 위해 상기 제1금속층(308)과 상기 제2금속층(310)은 압전 액츄에이터의 수 만큼 분리되어 있다.

상기 제1보호층(309)과 상기 제2보호층(311)은 제작 공정 중에 P형 MOS 트랜지스터(306)가 내장된 구동회로를 보호하는 역할을 한다.

상기 식각 방지층(312)은 상기 P형 MOS 트랜지스터(306) 및 제2보호층(311)이 후속되는 식각 공정으로 인하여 식각되는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 3c 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 상기 압전 액츄에이터(202)는 제1에어갭 (313)을 사이에 두고 상기 구동회로부(201) 상에 형성되고, 제1앵커(anchor)(314), 제2앵커(315), 지지부(317), 하부 전극(bottom electrode)(318), 변형부(319), 상부 전극(top electrode)(320), 제1비어홀(first via hole)(321), 제2비어홀(322)(second via hole), 제1비어컨택(first via contact)(323), 그리고 제2비어컨택(second via contact)(324) 등으로 구성되어 있다.

상기 제1비어컨택(323)은 제1앵커(314) 내의 제1비어홀(321)를 통해 상기 구동회로부(201)의 제1금속층(308)과 하부전극(318)을 전기적으로 연결한다. 또한 제2비어컨택(324)은 제2앵커(315) 내의 제2비어홀(322)을 통해 구동회로부(201)의 제2금속층(310)과 상부 전극(320)을 전기적으로 연결한다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 상기 광반사부(203)은 제2에어갭(325)을 사이에 두고 상기 압전 액츄에이터(202)의 끝단에서 지지 역할을 수행하는 포스트(326)와 입사광을 반사시켜 스위칭 기능을 수행하기 위한 반사막(328)으로 구성되어 있다.

도 6a 내지 도 6b는 도 3a와 도 3b의 본 발명에 의한 미소거울어레이의 작동 원리를 설명하는 도면으로 도 4a의 BAOA'B' 방향의 단면을 표시하였다.

압전 액츄에이터(202)의 하부전극(320)은 상기 구동회로부(201)의 제1금속층(308)을 통해 제1외부구동신호와 연결되어 있고 상부전극(318)은 구동회로부(201)의 제2금속층(310)을 통해 제2외부구동신호와 연결되어 있다.

도 6a는 외부 구동 신호가 인가되지 않았을 때의 평형상태를 나타낸다.

상기 구동회로부(201)의 제1외부구동신호와 제2외부구동신호가 인가되면 P형 MOS 트랜지스터(306)에 의해 미소거울이 선택된다. 이 때, X- 내지 Y- 방향의 동일 축에 연결된 두 개의 압전 액츄에이터(202)들에게 서로 다른 구동 신호가 인가되도록 한다. 상기 각 압전 액츄에이터(202)의 하부전극(318)과 상부전극(320) 사이에 걸리는 전압 차에 의해 상기 변형부(319)의 압전 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 상기 압전 액츄에이터(202)는 위 내지 아래로 서로 다른 방향으로 휘게 되어 미소거울이 회전하게 된다.

본 발명에 의한 미소거울어레이를 이용한 실제의 광스위칭에 적용될 시의 광 스위칭 방법에 대해 설명한다.

도 7a는 본 발명에 의한 단방향 경사 미소거울의 선형 어레이를 이용한(2×2) 광스위칭의 원리를 나타내는 도면이고, 도 7b는 본 발명에 의한 양방향 경사 미소거울의 매트릭스 어레이와 반사면을 이용한 2×2 광스위칭의 원리를 나타내는 도면이다. 또한 도 7c는 본 발명에 의한 양방향 경사 미소거울의 매트릭스 어레이를 이용한 다차원((K×L)×(M×N)) 광스위칭의 원리를 나타내는 도면이다.

도 7a를 참조하면, 두 개의 단방향 경사 미소거울(220)의 선형 배열로 구성된 2×2 선형 광스위칭 시스템(400)은 입력채널단(401)과 출력채널단(402)이 동일 축 상에 위치하고, 미소거울(210)의 경사각에 따라 광입력 1이 광출력 1 내지 광출력 2로 연결되는 방식이다.

도 7b를 참조하면, 네 개의 양방향 경사 미소거울(210)의 매트릭스 배열로 구성된 2×2 매트릭스 광스위칭 시스템(410)은 입력채널단(401)과 출력채널단(402)이 동일 방향에 위치하고 있고 반대 방향에 반사면(reflector)이 있다는 것이 특징이다. 광입력 1은 미소거울(1,1)의 경사각에 의해 반사면(reflector)에 전달되고, 반사된 광은 다시 미소거울(2,1) 내지 미소거울(2,2)로 전달되며 광출력 1 내지 광출력 2로 전달되는 방법이다. 본 예에서는 2×2 광스위칭을 예를 들었지만, 같은 원리로 M×M 스위칭이 가능하다.

도 7c를 참조하면, 네 개의 양방향 경사 미소거울(210)의 매트릭스 배열로 구성된 다차원 광스위칭시스템(420)은 상기 선형 광스위칭시스템(400)과 매트릭스 광스위칭시스템(410)의 혼합 시스템으로 K×L 개의 입력채널단과 M×N 개의 출력채널단은 서로 상이하게 위치하고 있다. 입력채널(K,M)의 광은 미소거울(K,M)에 전달되고, 미소거울(K,M)의 X-, Y- 방향의 경사각에 따라 출력 채널(M,N)로 전달되는(K×L)×(M×N) 개의 스위칭이 가능한 다차원 광스위칭방식이다.

다음으로 본 발명에 의한 미소거울의 제작 공정에 대해 상세히 설명한다.

도 8a 내지 도 12b는 본 발명에 의한 미소거울의 제작 공정도이다.

구동회로부(201)와 광반사부(203)의 제작 공정은 동일하나, 상술한 바와 같이 압전 액츄에이터(202)의 제작 공정은 제1희생층(329 내지 330)의 재료에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 참고로, 도 8a 내지 도 12b에서 첨자 a와 첨자 b는 제1희생층(329)의 재료로 accuflo 등의 폴리머 재질을 사용한 공정 예들이고, 첨자 c와 첨자 d는 제1희생층(330)으로 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용한 공정 예들이다.

이하, 구동회로부(201)의 제작 공정에 대해 설명한다.

도 8a 도 8d를 참조하면, 우선 실리콘 국부 산화(local oxidation of silicon) 방법을 사용하여 N형 실리콘 기판(301) 내에 능동 영역(active region)과 필드 영역(field region)을 분리하기 위하여, 기판(301) 위에 격리층(302)을 형성한다. 이어서, 미소거울어레이의 크기에 따라 K×L 개의 P형 MOS 트랜지스터(306)를 형성한다. 상기 P형 MOS 트랜지스터(306)는 드레인(303)와 소오스(304) 사이에 게이트(305)를 형성한 후 P+ 소오스와 P+ 드레인을 형성하여 제작한다. 상기 P형 MOS 트랜지스터(306)는 외부의 제1신호에 의해 스위칭 작동을 수행한다. 상기 P형 MOS 트랜지스터(306)는 실리콘 등의 반도체로 이루어지거나 유리 또는 알루미나(Al2O3) 등의 절연 물질로 구성된다.

이어서, P형 MOS 트랜지스터(306)가 내재된 기판(301) 상에 절연층(307)을 형성한다. 그 후, 제1금속층(308)이 상기 MOS 트랜지스터(306)의 드레인(303)와 소오스(304)과 전기적으로 연결되기 위한 개구부들을 형성하기 위하여 상기 절연층(307)을 패터닝한다.

계속해서, 상기 절연층(307) 위에 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 질화티타늄(titanium nitride) 등으로 구성된 제1금속층(308)을 형성하면, 제1금속층(308)은 P형 MOS 트랜지스터(306)의 드레인(303) 및 소오스(304)와 연결된다. 이어서, 압전액츄에이터들 내의 하부전극에 개별적 신호 인가가 가능하도록 제1금속층을 분리하기 위하여, 사진 식각 공정을 통해 식각하여 제1금속층(308)를 패터닝한다.

제1금속층(308)은 P형 MOS 트랜지스터의 드레인 영역으로부터 후에 형성되는 압전액츄에이터(202)의 제1앵커(314) 및 제2앵커(315)까지 연장되는 드레인 패드를 포함한다. 외부로부터 인가된 제1신호는 구동회로부에 내장된 P형 MOS 트랜지스터 및 제1금속층의 드레인 패드를 통하여 하부전극(318)에 전달된다.

이어서, 인 실리케이트 유리(PSG)를 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 제1금속층(308) 및 기판의 상부에 제1보호층(309)을 형성한다. 제1보호층(309)은 후속하는 공정 동안 P형 MOS 트랜지스터(306)가 손상을 입게 되는 것을 방지한다.

이어서, 제1보호층(309)의 상부에 제2금속층(310)을 형성한다.

제2금속층(310)을 형성하기 위하여, 먼저 티타늄(Ti)을 스퍼터링하여 티타늄층을 형성한 후 티타늄층의 상부에 질화티타늄을 물리기상증착(PVD) 방법을 사용하여 질화티타늄층을 형성한다. 이어서, 후속 공정에서 형성될 압전액츄에이터들의 개별적 신호 인가가 가능하도록 제2금속층(310)을 분리하고, 후속 공정에서 제1비어컨택(323)이 형성될 부분에 개구부를 형성하기 위하여, 사진 식각 공정을 통해 식각하여 제2금속층(310)을 패터닝한다.

이어서, 제2금속층(310)의 상부에 제2보호층(311)을 형성한다.

제2보호층(311)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 형성되며, 역시 후속하는 공정 동안 P형 MOS 트랜지스터(306)가 손상을 입게 되는 것을 방지한다.

제2보호층(311)의 상부에는 식각 방지층(312)이 형성된다.

식각 방지층(312)은 P형 MOS트랜지스터(306) 및 제2보호층(311)이 후속되는 식각 공정으로 인하여 식각되는 것을 방지한다. 식각 방지층(312)은 질화물(SiNx)을 저압 화학기상증착(LPCVD) 방법으로 증착하여 형성한다.

이후의 공정은 상술한 바와 같이 제1희생층(329 내지 330)의 재료에 따라 두 가지로 나눌 수 있다.

우선으로, accuflo 등의 폴리머 재질로 된 제1희생층(329)을 사용한 제작 공정에 대해 설명한다.

도 8a와 도 8b는 accuflo 등의 폴리머 재질을 사용한 제1희생층(329)을 제1하드마스크층(331)의 패턴에 의해 패터닝한 후의 상태를 나타내는 도면이고, 도 9a와 도 9b는 accuflo 등의 폴리머 재질로 된 제1희생층(329) 상에 상부 전극(320)을 형성한 상태를 나타내는 도면이며, 도 10a와 도 10b는 accuflo 등의 폴리머 재질의 제1희생층(329)을 사용한 공정에서 제1비어컨택(323) 및 제2비어컨택(324)을 형성한 상태를 나타내는 도면이다. 도 11a와 도 11b는 반사층(337)을 증착한 후의 상태를 나타내는 도면이다. 마지막으로, 도 12a와 도 12b는 제1희생층(329)과 제2희생층(334)을 제거한 후의 상태를 나타내는 도면이다.

도 8a와 도 8b를 참조하면, 식각 방지층(312)의 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질을 스핀 코팅(spin coating)법을 이용하여 증착하여 제1희생층(329)을 형성한다. accuflo 등의 폴리머 재질은 흐름성(flowability)가 뛰어나 하부 구동회로부의 패턴 굴곡에 무관하게 우수한 평탄도(planarization)을 얻을 수 있어 화학 기계적 연마(CMP) 방법 등 기타의 평탄화 공정이 필요없다는 것이 특징이다. 이어서, 제1희생층(329) 중 아래에 제2금속층(310)의 개구부가 형성된 부분과 그와 인접한 부분을 사각형 형상으로 식각하기 위하여, SiO2 내지 SiNx 등을 저압화학기상증착(LPCVD) 법에 의해 증착하고 건식 식각하여 제1하드마스크층(331)을 형성한다. 계속해서, 제1하드마스크층(331)에 의해 노출된 제1희생층(329)을 건식 식각하여 압전 액츄에이터(202)의 지지부인 제1앵커(314) 및 제2앵커(315)가 형성될 개구부들(332, 333)을 형성한다.

도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 노출된 식각 방지층(312)의 상부 및 제1하드마스크층(331)의 상부에 후에 지지부(317)가 될 지지층(332)을 형성한다. 지지층(332)은 SiO2 내지 SiNx 등을 저압화학기상증착(LPCVD) 방법을 이용하여 형성하는데, 이때, 저압의 반응 용기 내에서 반응 가스의 비를 변화시키면서 지지층(332)을 형성하여 지지층(332) 내의 스트레스를 조절한다.

지지층(332)의 상부에는 전기 전도성이 우수한 금속인 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등의 금속을 사용하여 스퍼터링 방법을 이용하여 증착한 후, 제2앵커(315) 부위에 형성된 부분에 지지층(332)이 노출되도록 패터닝하여 하부전극(318)을 형성한다. 하부전극(318)은 외부 제1신호를 받아 각각의 미소거울별로 분리하여 독립적인 구동이 가능하다.

이어서, 하부전극(318)의 상부에 변형층(319)을 형성한다.

변형층(319)은 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 내지 PLZT(Pb, La)(Zr, Ti)O3) 등의 압전 물질 내지 PMN(Pb(Mg, Nb)O3) 등의 전왜 물질 등으로 구성되며, 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 형성한 후, 급속 열처리(RTA) 방법으로써 상변이시켜 적층하고 건식 식각에 의해 패터닝한다. 이러한 변형층(309)은 상부 전극(320)에 제2신호가 인가되고 하부전극(318)에 제1신호가 인가되어 상부전극과 하부전극 사이에 전위차에 따라 발생하는 전기장에 의하여 변형을 일으킨다.

이어서, 변형층(319)의 상부에 상부전극층(320)이 형성된다.

상부 전극층(320)은 알루미늄(Al) 내지 백금(Pt) 등의 전기 전도성을 갖는 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하고 건식 식각에 의해 패터닝하여 형성한다. 상부 전극에는 제2금속층(310)와 제2비어컨택(324)을 통해 외부 제2신호가 인가된다.

다음으로, 제1비어컨택(323) 및 제2비어컨택(324)를 형성하는 공정에 대해 설명한다.

도 10a 내지 도 10b를 참조하면, 제1비어컨택(323) 및 제2비어컨택(324)을 형성하기 위해, 우선 제1비어홀(321)과 제2비어홀(322)의 위치에 적층되어 있는 상부전극(320), 변형층(319), 하부전극(318), 및 지지층(332)을 차례로 식각하여 제1비어홀(321)과 제2비어홀(322)을 형성한다.

이어서, 제1비어홀(321)과 제2비어홀(322)의 내부에 텅스텐(W), 백금, 알루미늄, 또는 티타늄 등의 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하고 건식 식각에 의해 식각하여 제1금속층(308)과 하부전극(318)이 연결되는 제1비어컨택(323) 및 제2금속층(310)과 상부전극(320)이 연결되는 제2비어컨택(324)을 형성한다.

다음으로, 지지층(332)과 제1하드마스크층(331)을 차례로 건식 식각에 의해 식각하여 지지부(317)와 제1하드마스크(316)을 형성한다. accuflo 등의 폴리머 재질을 사용한 공정에서는 제1하드마스크(316)는 지지부(317)와 더불어 지지 역할을 수행한다.

다음으로 광반사부(328)와 이를 지지하기 위한 포스트(326)를 형성하는 공정에 대해 설명한다.

도 11a와 도 11b는 반사층(337)을 증착한 후의 상태를 나타내는 도면이고, 도 12a와 도 12b는 제1희생층(329)과 제2희생층(334)을 제거한 후의 상태를 나타내는 도면이다.

제1희생층(329) 및 압전 액츄에이터(202)의 상부에 제2희생층(334)를 형성한다.

제2희생층(334)은 제1희생층(329)과 동일하게 accuflo 등의 폴리머 재질을 스핀 코팅(spin coating)법을 이용하여 증착하여 형성한다. 이어서, 제2희생층(334) 중 아래에 광반사부(203)의 포스트(326)를 형성하기 위해 SiO2 내지 SiNx 등을 저압화학기상증착(LPCVD) 법에 의해 증착하거나 금(Au) 내지 알루미늄(Al) 등의 금속 재료를 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후 건식 식각하여 제2하드마스크층(336)을 형성한다. 계속해서, 제2하드마스크층(336)에 의해 노출된 제2희생층(334)을 건식 식각하여 포스트(421)가 형성될 홀(335)를 만든다. 다음으로, 금(Au) 내지 알루미늄(Al) 등의 금속 재료를 스퍼터링 방법에 의해 제2하드마스크층(336) 및 포스트(326)가 형성될 홀(335) 내에 증착하여 반사층(337)을 적층한다.

이어서, 적층된 반사층(337)과 제2하드마스크층(336)을 원형 내지 사각형으로 패터닝하여 광반사부(328)와 제2하드마스크(327)을 형성한 후, 제2희생층(334)과 제1희생층(329)을 동시에 O2 플라즈마 에싱(plasma ashing)을 사용하여 제거하여 제2에어갭 (325)과 제1에어갭(313)을 형성한 후, 세정(rinse) 및 건조(dry)를 하여 미소거울어레이를 완성한다.

다음으로, 인 실리케이트 유리(PSG) 재료로 된 제1희생층(330)의 제작 공정에 대해 설명한다.

도 8c와 도 8d는 인 실리케이트 유리(PSG) 재료의 제1희생층(330)을 패터닝한 후의 상태를 나타내고, 도 9c와 도 9d는 인 실리케이트 유리(PSG) 재료의 제1희생층(330) 상에 상부전극(320)을 형성한 상태를 나타내며, 도 10c와 도 10d는 제1희생층(330)의 재료로 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용한 공정에서 제1비어컨택(323) 및 제2비어컨택(324)을 형성한 상태를 나타낸다.

도 8c와 도 8d를 참조하면, 식각 방지층(312)의 상부에 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학기상증착(APCVD) 방법을 이용하여 증착하여 제1희생층(330)을 형성한다. 이 경우, 제1희생층(330)은 P형 MOS 트랜지스터(306)가 내장된 기판(301)의 상부를 덮고 있으므로 그 표면의 평탄도가 매우 불량하다.따라서 스핀 온 글래스(SOG)를 사용하는 방법 또는 화학 기계적 연마(CMP) 방법을 이용하여 제1희생층(330)의 표면을 연마함으로써 평탄화시킨다.

이어서, 제1희생층(330) 중 아래에 제2금속층(310)의 개구부가 형성된 부분과 그와 인접한 부분을 사각형 형상으로 식각하여 식각 방지층(312)의 일부를 노출시킴으로써, 압전 액츄에이터(202)의 지지부인 제1앵커(314) 및 제2앵커(315)가 형성될 개구부(332, 333)를 만든다.

도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 노출된 식각 방지층(312)의 개구부(332, 333)의 상부 및 제1희생층(330)의 상부에 질화물을 저압화학기상증착(LPCVD) 방법을 이용하여 증착하고 건식 식각에 의해 식각하여 제1앵커(314), 제2앵커(315), 및 지지부(317)를 형성한다.

이어서 지지부(314)의 상부에는 전기 전도성이 우수한 금속인 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등의 금속을 사용하여 스퍼터링 방법을 적층한 후 패터닝하여 하부전극(318)을 형성한다. 이 때, 하부전극(318) 중 제2앵커(315) 부위에 형성된 부분이 식각되도록 하여 지지부(317)를 노출시킨다.

다음의 변형부(319), 상부 전극(320)을 형성하는 과정은 상술한 공정과 동일하다.

도 10c 내지 도 10d를 참조하면, 상술한 공정과 동일한 공정으로 상부 전극(320), 변형층(319), 하부 전극(318), 및 지지층(332)을 차례로 식각하여 제1비어홀(321)과 제2비어홀(322)을 형성한다. 이어서, 제1비어홀(415)과 제2비어홀(416)의 내부에 텅스텐(W), 백금, 알루미늄, 또는 티타늄 등의 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착하고 건식 식각에 의해 식각하여 제1비어컨택(417) 및 제2비어컨택(418)을 형성한다.

광반사부를 형성하는 공정은 상술한 공정과 동일한 공정 하에서 수행됨으로 그 기재를 생략한다.

그 다음으로, 제2희생층을 O2 플라즈마 에싱(plasma ashing) 등을 이용하여 제거하고, 이어서 제1희생층을 브롬 플루오르화물 가스 내지 크세논 플루오르화물 가스 등을 이용하여 제거한 후, 세정(rinse) 및 건조(dry)를 하여 미소거울어레이를 완성한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 예를 중심으로 설명 및 도시되었으나, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양하게 변형 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 액츄에이터의 상부에 압전 센서를 장착하여 각 액츄에이터의 구동 각도를 변화시킬 수 있으며, 상부 전극과 하부 전극 사이에 인가되는 전압을 재조정하여 미소거울의 각도를 조절함으로써 1MHz 이상의 속도로 256단계 정도의 다단계 구동이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래 광스위치에 비해 그 속도가 매우 빠르며, 128×128 내지 256×256 등의 대용량 광스위칭이 가능하도록 할 수 있고, 미소거울의 아래에 압전 액츄에이터가 위치하도록 하여 시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 일반 실리콘 박막 공정에 의해 모놀리식하게 제작하므로서 비용을 줄일 수 있다.

더욱, X-, Y- 방향으로 경사를 줄 수 있어 다차원((K×L)×(M×N)) 광스위칭이 가능하여 초대용량 광스위칭에 적합한 광스위치를 제공할 수 있다.

Claims

한 개 이상의 미소거울과,

상기 미소거울을 스위칭하는 구동회로부와,

상기 광반사부의 하부에 제공되어 상기 구동회로부에 연결되고, 각각이 한 쌍의 앵커, 지지부, 상하부전극, 변형부, 한쌍의 비어홀, 한 쌍의 비어컨택으로 구성된 두개 이상의 압전액츄에이터를 포함하여 이루어진 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 구조.
제1항에 있어서, 상기 미소거울은 광을 반사시켜 스위칭을 하기 위한 광반사부와, 상기 광반사부의 하부에 제공되어 광반사부를 단방향 또는 양방향으로 경사지게 하기 위한 두 개 이상의 압전액츄에이터와, 상기 미소거울을 스위칭하기 위한 구동회로부로 이루어진 것을 특징으로하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 구조.
제2항에 있어서, 상기 광반사부는 제2희생층에 의해 하부의 압전액츄에이터의 상부에 위치하며 상기 압전액츄에이터와 X- 및 Y- 중심축 상의 임의의 위치에서 포스트에 의해 각각 한 쌍의 압전액츄에이터의 끝단에 연결되어, 단방향 또는 X- 및 Y- 양방향으로 회전이 가능하며 양방향 회전 시 압전액츄에이터들 간의 간섭을 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 구조.
제2항에 있어서, 동일 중심축 상에서 상기 광반사부와 상기 포스트들에 의해 연결된 한 쌍의 압전액츄에이터는 길이 방향이 서로 반대로 위치하고 있으며, 인가된 신호에 의해 상/하로 서로 반대로 변형이 일어나 상기 박막 미소거울의 경사각을 크게 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울에레이 구조.
제2항에 있어서, 상기 구동회로부는 기판, 격리층, MOS 트랜지스터, 절연층, 제1금속층, 제1보호층, 제2금속층, 제2보호층, 식각방지층으로 이루어져 있으며, 제1금속층 및 제2금속층은 각각 압전액츄에이터의 개수만큼으로 분리되어 상기 압전액츄에이터에 개별적인 신호 인가가 가능한 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 구조.
K×L (K, L은 정수)개의 MOS 트랜지스터, 제1금속층, 및 제2금속층을 포함하는 구동회로부를 제공하는 단계와,

상기 구동회로부의 일부를 노출시키고, 노출된 구동회로부 및 식각방지층 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질을 사용한 희생층을 형성한 후, 지지층, 하부전극, 변형층 및 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계와, 그리고

상기 액츄에이터의 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층을 형성한 후, 상기 액츄에이터의 일부를 노출시키고, 노출된 액츄에이터 및 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층의 상부에 반사성 금속을 증착하여 입사광을 반사하는 광반사부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 구동회로부의 제1금속층은 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 질화티타늄(titanium nitride) 등을 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후, 후속 공정에서 형성될 압전액츄에이터의 개수만큼으로 분리되도록 사진 식각 공정에 의해 식각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 구동회로부의 제2금속층은 먼저 티타늄(Ti)을 스퍼터링하여 티타늄층을 형성한 후, 티타늄층의 상부에 질화티타늄을 물리기상증착(PVD) 방법을 사용하여 질화티타늄층을 형성하고나서, 후속 공정에서 형성될 압전액츄에이터들의 개별적 신호 인가가 가능하도록 제2금속층을 분리하고, 후속 공정에서 제1비어컨택이 형성될 부분에 개구부를 형성하기 위하여, 사진 식각 공정을 통해 식각하여 제2금속층을 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 압전액츄에이터의 제1비어컨택 및 제2비어컨택을 형성한 후, 지지층과 하드마스크층을 식각하여 제1희생층이 노출되도록한 후, 그 위에 제2희생층을 증착하는 것을 특징으로하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 거울층은 반사효율이 높은 금(Au) 내지 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금을 스퍼터링 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제6항에 있어서, 제1희생층과 제2희생층에 동일하게 accuflo 등의 폴리머 재질을 사용하고, 이를 동시에 O₂플라즈마 에싱에 의해 제거하여 제1에어갭과 제2에어갭을 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
K×L (K, L은 정수)개의 MOS 트랜지스터, 제1금속층, 및 제2금속층을 포함하는 구동회로부를 제공하는 단계와,

상기 구동회로부의 일부를 노출시키고, 노출된 구동회로부 및 식각방지층 상부에 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용한 희생층을 형성한 후, 지지층, 하부전극, 변형층 및 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계와,그리고

상기 액츄에이터의 상부에 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층을 형성한 후, 상기 액츄에이터의 일부를 노출시키고, 노출된 액츄에이터 및 accuflo 등의 폴리머 재질의 희생층의 상부에 반사성 금속을 증착하여 입사광을 반사하는 광반사부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 초미세전기기계시스템을 이용한 자유 공간 광스위치용 박막 미소거울어레이 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 미소거울어레이 구조와,

K×L 개의 매트릭스 형태의 광입력단과,

M×N 개의 매트릭스 형태의 광출력단을 포함하여 이루어지고, 양방향 미소거울의 X- 및 Y- 방향의 회전에 의해 (K×L)×(M×N) 스위칭이 가능한 다차원 광스위칭 방식.