KR20020073636A - 마이크로 미러 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로 미러 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20020073636A
KR20020073636A KR1020010013351A KR20010013351A KR20020073636A KR 20020073636 A KR20020073636 A KR 20020073636A KR 1020010013351 A KR1020010013351 A KR 1020010013351A KR 20010013351 A KR20010013351 A KR 20010013351A KR 20020073636 A KR20020073636 A KR 20020073636A
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Abstract

광통신용 스위치에 사용되는 정전 구동형 마이크로 미러 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중심영역에 돌출부를 갖는 제 1 기판과, 제 1 기판 위에 형성되고 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판과, 제 1 기판의 돌출부 위에 형성되는 전극과, 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 전극의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러로 구성한다. 이와 같이, 제작되는 본 발명은 두 개의 기판을 정렬함으로써 미러와 하부전극과의 충분한 간격을 확보하여 미러의 회전 각도를 크게 할 수 있고, 제작 공정이 간단하여 공정 신뢰도가 향상된다.

Description

마이크로 미러 및 그 제조방법{micro mirror and method for fabricating micro mirror}
본 발명은 광통신용 스위치에 사용되는 정전 구동형 마이크로 미러 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 기술을 도입한 다양한 광소자와 이를 이용한 광통신 시스템이 보고되고 있다.
일례로 MEMS 기술로 구현된 마이크로 회전 미러를 이용한 광 스위치의 경우에는 낮은 광 간섭, 파장과 편광에 대한 낮은 의존도 등의 장점 등을 지니고 있다.
이 마이크로 미러의 구동 방식으로는 압전력(piezoelectric), 열구동력(thermal), 정자기력(electromagnetic), 정전기력(electrostatic) 등이 있다.
각각의 구동 방식을 살펴보면, 압전 메커니즘에 의해 구동되는 미러는 수십 볼트 미만의 저 전압에서 구동이 가능한 장점을 지니고 있는 반면에 물질의 특성상 압전 구조물의 크기가 커야만 미러의 충분한 회전각을 얻을 수 있는 단점이 있다.
열 구동의 경우는 열적 응답속도를 높이면 전력소비가 증가하는 단점이 있다.
그리고, 정자기력의 경우에는 구동전류 또는 전력소비가 크고 기존 집적회로 공정과의 호환성이 어려운 단점이 있다.
마지막으로 정전력 구동의 경우에는 충분한 회전각을 얻기 위해서는 큰 면적과 두 물체 사이의 간격이 좁아야 하므로 공정상의 어려움이 있지만, 전력 소비가 거의 없고 기존의 집적회로 공정으로 쉽게 제작이 가능한 등의 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전력 구동 방식의 2축 회전 가능한 마이크로 미러를 보여주는 도면이다.
일반적으로 마이크로 미러는 큰 회전각을 얻기 위하여 하부전극과 미러 사이에 충분한 간격을 확보하는 것이 매우 중요하다.
그러므로, 종래의 마이크로 미러는 도 1에 도시된 바와 같이 표면 미세가공 기술을 사용하여 제작되었으며, SDA(Scratch Drive Actuator)와 지지 프레임을 이용하여 미러를 위쪽으로 들어 올려 하부전극과 미러 사이의 간격을 증가시켰다.
그러나, 이러한 구조의 마이크로 미러는 제작 공정이 어려워 공정 신뢰도가 저하되는 문제가 있었다.
이외에도 종래에는 전극과 미러 사이에 충분한 간격을 확보하기 위하여 열팽창 계수가 다른 두 개의 금속을 접합한 바이모르프(bimorph) 구동기를 이용하기도 하였다.
그러나, 이 경우에는 바이모르프 구동기를 미러 구동기와 함께 별도로 제작해야 하기 때문에 소자의 구조가 매우 복잡해지고 소자에 열이 많이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 미러와 하부전극과의 간격을 복잡한 구조를 이용하지 않고 쉽게 확보하여 미러의 회전 각도를 크게 하는 마이크로 미러 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 공정으로 공정 신뢰도가 향상되는 마이크로 미러 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 미러를 보여주는 도면
도 2는 본 발명에 마이크로 미러를 보여주는 도면
도 3a 및 도 3b은 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제조 공정을 보여주는 도면
도 4a 내지 도 4e는 도 3a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면
도 5a 내지 도 5d는 도 3a의 제 1 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 이용한 크로스커넥트 광 스위치를 보여주는 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제 1 기판 2 : 돌출부
3 : 하부전극 4 : 패드
5 : 제 2 기판 6 : 미러
7 : 링 프레임 8 : 힌지
11 : 지지층 10, 13, 15 : 질화물층
12 : Al 전극층 14 : 본딩 패드
본 발명에 따른 마이크로 미러는 중심영역에 돌출부를 갖는 제 1 기판과, 제 1 기판 위에 형성되고 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판과, 제 1 기판의 돌출부 위에 형성되는 전극과, 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 전극의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러로 구성된다.
여기서, 제 1 기판의 돌출부는 하부면이 상부면 보다 더 넓으며, 옆면은 일정각도(약 54.74°)로 기울어져 형성되는 육면체이고, 제 2 기판의 캐비티는 제 1 기판의 돌출부에 대응되는 위치에 형성되고 캐비티는 제 1 기판에 인접하는 하부 공간이 상부 공간 보다 더 넓다.
또한, 제 2 기판의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 제 1 기판의 돌출부의 높이 보다 더 높으며, 제 1 기판의 돌출부 위에는 4개의 전극들이 배열된다.
그리고, 제 1 기판의 소정영역에 형성되고 전극에 대응되어 전기적으로 연결되는 패드와, 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 미러의 측면으로부터 일정 간격 떨어져 상기 미러의 측면을 감싸는 링 프레임과, 미러와 링 프레임을 연결시키고 링 프레임과 제 2 기판을 연결시켜주는 힌지(hinge)를 더 포함하여 구성된다.
상기와 같이, 돌출부 위에 전극을 갖는 제 1 기판과, 캐비티 영역에 미러를 갖는 제 2 기판이 결합된 본 발명의 마이크로 미러 제조방법은 제 1 기판을 준비하는 단계와, 제 1 기판 상부의 소정영역을 메사(mesa) 식각하여 제 1 기판 상부 위에 돌출부를 형성하는 단계와, 제 1 기판 상/하부 위에 각각 질화물층을 형성하는 단계와, 제 1 기판 상부의 돌출부 위에 전극을 형성하는 단계를 거쳐 전극을 갖는 제 1 기판을 제작하는 제 1 단계와, 제 2 기판을 준비하는 단계와, 제 2 기판의 상부에 지지층을 형성하고, 제 2 기판의 하부에는 질화물층을 형성하는 단계와, 제 2 기판의 상부에 형성된 지지층 위에 전극층을 형성하는 단계와, 전극층의 소정영역을 식각하여 미러를 형성하는 단계와, 제 2 기판 하부의 소정영역에 있는 질화물층 및 기판을 식각하여 멤브레인을 형성하고 기판 상부의 소정영역에 있는 지지층을 식각하여 미러를 릴리즈(release) 시키는 단계를 거쳐 미러를 갖는 제 2 기판을 제작하는 제 2 단계와, 전극을 갖는 제 1 기판 위에 미러를 갖는 제 2 기판을 정렬시켜 접합시키는 제 3 단계로 이루어진다.
여기서, 기판은 Si, 지지층은 Si3N4, 폴리실리콘, 실리콘, Al, Ni 중 어느 하나, 금속층은 Al 또는 Au로 이루어진다.
이와 같이, 제작되는 본 발명은 두 개의 기판을 정렬함으로써 미러와 하부전극과의 충분한 간격을 확보하여 미러의 회전 각도를 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 제작 공정이 간단하여 공정 신뢰도가 향상된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 2축 회전 가능한 정전 구동형 마이크로 미러를 구현하는 것으로, 미러의 회전 각도를 크게 하기 위하여 본 발명에서는 미러와 하부전극을 각각 서로 다른 기판에 제작한 후에 이 두 기판을 결합시키는 방법을 도입하였다.
도 2는 본 발명에 마이크로 미러를 보여주는 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 기판(1)의 중심영역에는 돌출부(2)가 형성되고, 돌출부(2) 위에는 하부전극(3)들이 형성된다.
여기서, 돌출부(2)는 하부면이 상부면 보다 더 넓고, 옆면은 일정각도로 기울어져 형성되는 육면체의 형태를 가지고 있다.
또한, 하부전극(3)은 미러를 2축으로 회전시키기 위하여 4개의 전극들이 형성되어 있다.
그리고, 제 1 기판(1)의 소정영역에 형성된 4개의 패드(4)들이 하부전극(3)에 각각 대응되어 전기적으로 연결된다.
한편, 제 1 기판(1) 위에는 제 2 기판(5)이 형성되고, 제 2 기판(5)의 중심영역에는 캐비티(cavity)가 형성되어 있다.
여기서, 제 2 기판(5)의 캐비티는 제 1 기판(1)의 돌출부(2)에 대응되는 위치에 형성되는데, 캐비티는 제 1 기판(1)에 인접하는 하부 공간이 상부 공간 보다 더 넓도록 형성된다.
그리고, 제 2 기판(5)의 캐비티 영역에는 하부전극(3)의 인가 전압에 따라소정 방향으로 회전하는 미러(상부전극의 역할을 함)(6)와, 미러(6)의 측면으로부터 일정 간격 떨어져서 미러(6)의 측면을 감싸는 링 프레임(ring frame)(7)이 형성되어 있으며, 미러(6)와 링 프레임(7)을 연결시키고, 링 프레임(7)과 제 2 기판(5)을 연결시켜주는 힌지(hinge)(8)가 형성되어 있다.
여기서, 미러(6), 링 프레임(7), 힌지(8)의 하부에는 지지체(도시되지 않음)가 형성되어 그들을 지지하고 있다.
지지체는 Si3N4, 폴리실리콘, 실리콘 등으로 이루어지거나 또는 Al, Ni 등과 같이 낮은 스트레스(stress)를 갖는 금속을 사용할 수도 있다.
또한, 제 2 기판(5)의 높이, 즉 제 2 기판(5)의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 제 1 기판(1)의 돌출부(2)의 높이 보다 더 높게 형성되도록 한다.
그 이유는 하부전극(3)과 상부전극인 미러(6)와의 일정한 공간을 확보하기 위함이다.
이와 같이, 본 발명은 캐비티 영역에 미러(상부전극)가 형성된 제 2 기판과, 돌출부에 하부전극이 형성된 제 1 기판으로 구성되는데, 이 두 기판은 정밀한 정렬 공정 없이 미러와 하부전극 간에 일정한 간격을 확보한 상태에서 접합이 가능하다.
그러므로, 본 발명은 미러를 일정 공간 중에 일정 거리 이상 부상시키기 위해 기존의 SDA, 바이모르프와 같은 복잡한 구동기를 부가적으로 포함시킬 필요가 없다.
본 발명의 동작 원리를 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 하부전극 A와 B에 동시에 전압을 인가하여 미러를 X축을 중심 축으로 하여 한 쪽 방향으로 회전시키고, 전극 C와 D에 동시에 전압을 인가하여 다른 쪽 방향으로 회전시킨다.
또한, 전극 A와 D에 동일한 전압을 인가하여 미러를 Y축을 중심 축으로 하여 한쪽 방향으로 회전시키고, 전극 B와 C에 동일한 전압을 인가하여 다른 쪽 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제조 공정을 보여주는 도면으로서, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 돌출부에 전극들이 형성된 제 1 기판과, 캐비티에 미러가 형성된 제 2 기판을 각각 실리콘 식각 공정으로 제작한다.
이어, 각각 제작된 제 1 기판과 제 2 기판을 접합하는데, 제 1 기판의 돌출부와 제 2 기판의 캐비티가 서로 대응되도록 한다.
이때, 미러와 하부전극은 서로 소정 간격만큼 떨어져 위치한다.
본 발명의 제 1 기판과 제 2 기판의 제작공정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 준비된 제 2 기판(5)의 상부에 지지층(11)을, 하부에 질화물층(10)을 각각 형성하고, 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 기판(5)의 상부에 형성된 지지층(11) 위에 Al 또는 Au를 사용하여 전극층(12)을 형성한다.
여기서, 기판은 Si으로 하고, 지지층은 KOH 식각장벽으로 Si3N4, 폴리실리콘, 실리콘, Al, Ni 등과 같이 낮은 스트레스(stress)를 갖는 금속 등을 사용할 수 있다.
지지층으로 Al, Ni 등과 같이 낮은 스트레스를 갖는 금속을 사용하는 경우에는 지지층 하부에 식각정지층의 역할을 하는 질화물층을 형성한 후에 사용하는데, 이 질화물층은 후 공정에서 제거된다.
이어, 도 4c에 도시된 바와 같이 전극층(12)의 소정영역을 식각하여 미러가 형성될 영역에 전극층(12)을 남겨 미러를 형성한다.
그리고, 도 4d에 도시된 바와 같이 제 2 기판(5) 상부의 미러가 형성된 지지층(11)이 노출되도록 제 2 기판(5) 하부의 소정영역에 있는 지지층(11) 및 기판(5)을 식각하여 멤브레인을 형성한다.
마지막으로, 도 4e에 도시된 바와 같이 제 2 기판(5) 상부의 소정영역에 있는 지지층(11)을 식각하여 미러, 링 프레임 및 힌지 등을 릴리즈(release) 시켜 미러를 갖는 제 2 기판을 제작한다.
한편, 도 5a 내지 도 5c는 도 3a의 제 1 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 미세가공기술을 이용하여 준비된 제 1 기판(1) 상부의 소정영역을 메사(mesa) 식각하여 중심 영역에 돌출부를 형성한다.
여기서, 돌출부는 제 1 기판의 (100)면에서 (111)면이 노출되도록 식각하여돌출부의 측면이 경사지게 형성하는데, 측면의 경사각은 약 54.74°가 된다.
돌출부의 측면을 경사지게 만드는 이유는 후 공정에서 본딩 패드 형성시 돌출부 위에 형성되는 하부전극과 본딩 패드와의 전기적 연결이 끊어지는 것을 방지하고, 정밀한 정렬 공정 없이 두 기판을 정렬하기 위함이다.
이어, 도 5b에 도시된 바와 같이 돌출부가 형성된 제 1 기판(1) 상/하부 위에 각각 질화물층(13)을 형성하고, 도 5c에 도시된 바와 같이 제 1 기판(1) 상부의 돌출부 위에 하부전극(3) 및 외부와의 전기적 연결을 위한 본딩 패드(14) 등을 형성하고, 도 5d에 도시된 바와 같이 본딩 패드(14) 부분을 제외한 모든 부분을 새로운 질화물층(15)으로 패시베이션(passivation)시켜 제 1 기판을 제작한다.
본 발명에서는 제 1 기판 과 제 2 기판 중 어느 것을 먼저 제작하든지 제작 순서에 관계하지 않는다.
이와 같이, 제작된 제 1 기판 위에 제 2 기판을 정렬시켜 접합하면 본 발명의 마이크로 미러가 완성된다.
본 발명에서는 제 1, 제 2 기판의 초기 두께와 제 1 기판의 돌출부의 높이를 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요하다.
그 이유는 미러와 하부전극 사이의 간격을 결정하는 변수가 되기 때문이다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 미러를 이용한 크로스커넥트 광 스위치를 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 마이크로 미러들이 한 기판에 여러 개 집적되어 배열됨으로써 다중 광 신호의 광 경로를 스위칭할 수 있다.
본 발명은 미러의 회전 각도가 커서, 2차원 광 스캐너, DWDM용 대용량 크로스 커넥트 광 스위칭 시스템 등과 같은 응용분야에서 핵심 소자로서 이용될 것이다.
이와 같이, 제작되는 본 발명은 두 개의 기판을 정렬함으로써 미러와 하부전극과의 충분한 간격을 쉽게 확보하여 미러의 회전 각도를 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 제작 공정이 간단하여 공정 신뢰도가 향상된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 중심영역에 돌출부를 갖는 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 위에 형성되고, 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판;
    상기 제 1 기판의 돌출부 위에 형성되는 전극; 그리고,
    상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 전극의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 돌출부는 하부면이 상부면 보다 더 넓으며, 옆면은 일정각도로 기울어져 형성되는 육면체인 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 캐비티는 상기 제 1 기판의 돌출부에 대응되는 위치에 형성되고, 상기 캐비티는 상기 제 1 기판에 인접하는 하부 공간이 상부 공간 보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 상기 제 1 기판의 돌출부의 높이 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 돌출부 위에는 4개의 전극들이 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 소정영역에 형성되고, 상기 전극에 대응되어 전기적으로 연결되는 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 미러는 상기 전극으로부터 소정 간격만큼 떨어져 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 미러의 측면으로부터 일정 간격 떨어져 상기 미러의 측면을 감싸는 링 프레임;
    상기 미러와 링 프레임을 연결시키고, 상기 링 프레임과 제 2 기판을 연결시켜주는 힌지(hinge)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 미러, 링 프레임, 힌지의 하부에는 이들을 지지하는 지지체가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 지지체는 Si3N4, 폴리실리콘, 실리콘, Al, Ni 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  11. 돌출부 위에 전극을 갖는 제 1 기판과, 캐비티 영역에 미러를 갖는 제 2 기판이 결합된 마이크로 미러의 제조방법에 있어서,
    제 1 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 1 기판 상부의 소정영역을 메사(mesa) 식각하여 상기 제 1 기판 상부 위에 돌출부를 형성하는 단계와, 상기 제 1 기판 상/하부 위에 각각 질화물층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 기판 상부의 돌출부 위에 전극을 형성하는 단계를 거쳐 상기 전극을 갖는 제 1 기판을 제작하는 제 1 단계;
    제 2 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 2 기판의 상부에 지지층을 형성하고 상기 제 2 기판의 하부에 질화물층을 각각 형성하는 단계와, 상기 제 2 기판의 상부 위에 형성된 지지층 위에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층의 소정영역을 식각하여 상기 미러를 형성하는 단계와, 상기 제 2 기판 하부의 소정영역에 있는 질화물층 및 기판을 식각하여 멤브레인을 형성하고, 상기 기판 상부의 소정영역에 있는 지지층을 식각하여 상기 미러를 릴리즈(release) 시키는 단계를 거쳐 상기 미러를 갖는 제 2 기판을 제작하는 제 2 단계; 그리고,
    상기 전극을 갖는 제 1 기판 위에 상기 미러를 갖는 제 2 기판을 정렬시켜 접합시키는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 기판은 Si, 상기 지지층은 Si3N4, 폴리실리콘, 실리콘, Al, Ni 중 어느 하나, 상기 금속층은 Al 또는 Au로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 상기 제 1 단계 보다 먼저 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
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