KR20020090762A - 마이크로 미러 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20020090762A
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Abstract

광통신용 스위치에 사용되는 정전 구동형 마이크로 미러 및 그 제조방법에 관한 것으로, 제 1 기판과, 제 1 기판의 중심영역에 형성되고 일정한 높이를 갖는 막대 형태로 형성되는 다수개의 전극들과, 제 1 기판의 소정영역에 형성되고 전극들에 각각 대응되어 전기적으로 연결되는 다수개의 패드들과, 제 1 기판 위에 형성되고 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판과, 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 전극의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성된다. 이와 같이, 제작되는 본 발명은 두 개의 기판을 정렬함으로써 미러와 하부전극과의 충분한 간격을 확보하여 미러의 집적도를 높일 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 force), 전열(electro-thermal) 변형력, 전자기력(electromagnetic force), 정전기력(electrostatic force) 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, 전자기력의 경우에는 구동전류 또는 전력소비가 크고 기존의 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.
종래의 마이크로 미러는 도 1에 도시된 바와 같이 표면 미세가공 기술을 사용하여 제작되었으며, SDA(Scratch Drive Actuator)와 지지 프레임을 이용하여 미러를 위쪽으로 들어 올린 후 마이크로 미러를 구동시키는 구조이다.
그러나, 이러한 구조의 마이크로 미러는 SDA와 지지 프레임 부분을 만들기 위한 공간을 확보해야 하기 때문에 n×n 미러 배열에서 미러의 집적도를 높이는데는 한계가 있다.
이외에도 정전력 구동 방식의 2축 회전 가능한 마이크로 미러를 제작한 다른 방법은 열팽창 계수가 다른 두 개의 금속을 접합한 바이모르프(bimorph) 구동기를 이용한 경우이다.
그러나, 이 경우에는 바이모르프 구동기를 만들기 위한 공간을 확보해야 하기 때문에 미러의 집적도(fill factor)를 높일 수 없을 뿐만 아니라 구조가 매우 복잡해지고 열이 많이 발생하는 문제점과 소비전력이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 미러와 하부전극과의 간격을 쉽게 확보하여 미러의 집적도를 높일 수 있는 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 4f는 도 3a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면
도 5a 내지 도 5e는 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
1,20 : 제 1 기판2,24 : 하부전극
3 : 패드4,10 : 제 2 기판
5 : 미러6 : 링 프레임
7 : 힌지10a,21 : 절연층
10b : 실리콘11 : 전극층
11a : Al층11b : Cr층
12 : 포토레지스트22 : 금속 씨드층
23 : 도금틀25 : 보호막
본 발명에 따른 마이크로 미러는 제 1 기판과, 제 1 기판의 중심영역에 형성되고 일정한 높이를 갖는 막대 형태로 형성되는 다수개의 전극들과, 제 1 기판의 소정영역에 형성되고 전극들에 각각 대응되어 전기적으로 연결되는 다수개의 패드들과, 제 1 기판 위에 형성되고 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판과, 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 전극의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성된다.
여기서, 제 2 기판의 캐비티는 제 1 기판의 중심영역에 형성된 전극과 대응되는 위치에 형성된다.
그리고, 제 2 기판의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 전극의 높이 보다 더 높으며, 제 1 기판의 중심영역에 형성되는 전극들은 4개의 전극들이 서로 일정한 간격을 가지고 배열된다.
이때, 미러는 전극으로부터 소정 간격만큼 떨어져 형성된다.
또한, 본 발명은 상기 구성이외에도 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고 미러의 측면으로부터 일정 간격 떨어져 미러의 측면을 감싸는 링 프레임과, 미러와 링 프레임을 연결시키고 링 프레임과 제 2 기판을 연결시켜주는 힌지(hinge)를 더 포함하여 구성된다.
여기서, 미러, 링 프레임, 힌지의 하부에는 이들을 지지하는 실리콘 지지체가 형성된다.
중심영역에 전극들을 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 상/하부 위에 각각 절연층을 형성하는 단계와, 제 1 기판 상부의 절연층 위에 금속 씨드층을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 절연층을 노출시키는 단계와, 소정영역의 금속 씨드층이 노출되도록 도금틀을 형성하는 단계와, 노출된 금속 씨드층 위에 도금을 수행하고 도금틀을 제거하여 전극들을 형성하는 단계와, 전면에 보호막을 형성하는 단계를 거쳐 제 1 기판을 제작하는 제 1 단계와, 제 2 기판을 준비하는 단계와, 제 2 기판 위에 전극층을 형성하는 단계와, 전극층의 소정영역을 식각하여 미러를 형성하는 단계와, 제 2 기판 하부의 소정영역을 식각하여 멤브레인을 형성하고 제 2 기판 상부의 소정영역을 식각하여 미러를 릴리즈(release) 시키는 단계와, 금속층의 일부를 제거하는 단계를 거쳐 제 2 기판을 제작하는 제 2 단계와, 전극을 갖는 제 1 기판 위에 미러를 갖는 제 2 기판을 정렬시켜 접합시키는 제 3 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 제 1 기판은 실리콘 기판 또는 유리 기판이고, 제 2 기판은 내부에 절연층을 갖는 SOI(silicon on insulator) 기판이며, 도금틀은 포토레지스트이고, 금속 씨드층은 Al, Cr, Au 중 어느 하나이다.
그리고, 멤브레인 형성시, 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 방법을 이용하여 제 2 기판의 하부를 에칭한다.
이와 같이, 제작되는 본 발명은 두 개의 기판을 정렬함으로써 미러와 하부전극과의 충분한 간격을 확보할 수 있으므로 미러의 집적도를 높일 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 기술과 도금을 이용하여 고집적 광 크로스 커넥트용 2축 회전 가능한 정전 구동형 마이크로 미러를 구현하는 것이다.
본 발명은 n×n의 배열 구조로 미러를 만들 때, 미러의 집적도를 높이기 위하여 우선 상부전극인 미러를 독립된 기판에 형성하고, 하부전극은 별도의 기판에 독립적으로 제작하여 두 기판을 조립하는 방법을 도입하였다.
또한, 본 발명은 미러의 집적도를 높이기 위하여 하부전극을 만들 때, 도금방법을 도입하였으며, 상부전극의 멤브레인(membrane) 구조는 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 방법을 이용하여 실리콘 기판을 수직으로 식각하는 방법을 이용하였다.
도 2는 본 발명에 마이크로 미러를 보여주는 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 기판(1)의 중심영역에는 하부전극(2)들이 형성된다.
여기서, 하부전극(2)들은 미러를 2축으로 회전시키기 위하여 막대 형태의 전극들 4개가 서로 일정한 간격을 가지고 배열된다.
그리고, 제 1 기판(1)의 소정영역에 형성된 4개의 패드(3)들이 하부전극(2)에 각각 대응되어 전기적으로 연결된다.
한편, 제 1 기판(1) 위에는 제 2 기판(4)이 형성되고, 제 2 기판(4)의 중심영역에는 캐비티(cavity)가 형성되어 있다.
여기서, 제 2 기판(4)의 캐비티는 제 1 기판(1)의 하부전극(2)들에 대응되는 위치에 형성된다.
그리고, 제 2 기판(4)의 캐비티 영역에는 하부전극(2)의 인가 전압에 따라 소정 방향으로 회전하는 미러(상부전극의 역할을 함)(5)와, 미러(5)의 측면으로부터 일정 간격 떨어져서 미러(5)의 측면을 감싸는 링 프레임(ring frame)(6)이 형성되어 있으며, 미러(5)와 링 프레임(6)을 연결시키고, 링 프레임(6)과 제 2 기판(4)을 연결시켜주는 힌지(hinge)(7)가 형성되어 있다.
여기서, 미러(5), 링 프레임(6), 힌지(7)의 하부에는 실리콘 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(4)의 높이, 즉 제 2 기판(4)의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 제 1 기판(1) 위에 형성된 하부전극(2)들의 높이 보다 더 높게 형성되도록 한다.
그 이유는 하부전극(3)과 상부전극인 미러(6)와의 일정한 공간을 확보하기위함이다.
이와 같이, 본 발명은 캐비티 영역에 미러(상부전극)가 형성된 제 2 기판과, 하부전극이 형성된 제 1 기판으로 구성되는데, 미러가 형성된 제 2 기판을 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 공정을 이용하여 건식 식각으로 멤브레인 구조를 만들면 기판을 수직으로 식각할 수 있기 때문에, KOH에서 습식 식각했을 때의 멤브레인 구조와 비교했을 때, 미러의 집적도를 높일 수 있다.
(100)면의 실리콘 기판을 이용하여 멤브레인 구조를 만들기 위해 KOH에서 습식 식각하면, (111)면에 대해 5.74도로 경사지게 식각되기 때문에 미러의 집적도가 낮아지기 때문이다.
기판을 수직으로 식각하여 멤브레인 구조를 만들어 미러의 집적도를 높이기 위해 하부전극으로는 기둥을 세워 전극을 만들어야 한다.
이것은 하부전극과 본딩 패드를 연결시킬 때, 하부전극과 상부전극의 기판으로 사용되는 실리콘과의 단락(short) 문제를 방지하기 위해서이다.
따라서, 하부 전극을 높은 기둥으로 제작해야 하기 때문에 LIGA(Lithographi, Galvanoformung, Abformung) 공정과 도금기술을 도입하여 기판 위에 도 2와 같이 4개의 기둥을 세워 제작한다.
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 하여한쪽 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, 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 전극들과 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 4f는 도 3a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 제 2 기판(10)을 준비하는데, 본 발명에서 공정을 단순화하기 위해 SOI(silicon on insulator) 기판을 사용한다.
SOI 기판은 실리콘 기판(10b) 내에 절연층(10a)을 갖는 기판으로서, 본 발명에서는 멤브레인 형성을 위한 절연층을 따로 형성하지 않기 위해 SOI 기판을 이용한다.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 기판(10) 위에 Al층(11a)과 Cr층(11b)을 적층하여 전극층(11)을 형성하고, 그들을 패터닝하여 소정영역의 제 2 기판(10) 표면을 노출시킨다.
여기서, Al층(11a)은 고 반사도를 갖는 미러면 형성을 위한 금속이고, Cr층(11b)은 식각 공정에서 미러면을 보호하기 위한 금속이다.
그 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이 제 2 기판(10)의 뒷면에 포토레지스트(12)를 형성하고 패터닝하여 소정영역의 제 2 기판(10)을 노출시키고, 멤브레인을 형성하기 위하여 포토레지스트(12)를 마스크로 제 2 기판(10)을 식각하여 제 2 기판(10) 내의 절연층(10a)을 노출시킨다.
여기서, 제 2 기판(10) 식각은 SF6와 O2의 혼합가스와 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 장비를 이용하여 건식 식각한다.
그리고, 도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이 상부에 노출된 제 2 기판(10)의 실리콘 기판(10a) 및 절연층(10b)을 식각하여 미러, 링 프레임 및 힌지 등을 릴리즈(release) 시킨다.
이어, 도 4f에 도시된 바와 같이 보호층으로 사용된 Cr층(11b)을 제거하여 상부전극인 미러를 갖는 제 2 기판을 제작한다.
한편, 도 5a 내지 도 5e는 도 3a의 제 1 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 실리콘이나 또는 유리로 이루어진 제 1 기판(20)을 준비한 후, 준비된 제 1 기판(20)의 상부와 하부에 각각 절연층(21)을 형성하고, 제 1 기판(20) 상부의 절연층(21) 위에 Al, Cr, Au과 같은 금속을 사용하여 금속 씨드층(22)을 형성한다.
그리고, 금속 씨드층(22)을 패터닝하여 다음 공정에서 형성될 하부전극 및 외부와의 전기적 연결을 위한 본딩 패드(도시되지 않음) 등을 형성시킨다.
이어, 도 5c에 도시된 바와 같이 금속 씨드층(22)을 포함한 전면에 포토레지스트를 형성하고 패터닝하여 소정영역의 금속 씨드층(22)이 노출되도록 도금틀(23)을 형성한다.
그 다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이 노출된 금속 씨드층(22) 위에 도금을 수행하고 도금틀(23)을 제거하여 막대 형태의 하부전극(24)들을 형성한다.
이어, 도 5e에 도시된 바와 같이 본딩 패드 부분을 제외한 모든 부분을 보호막(25)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.
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 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 집적도를 높일 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. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판의 중심영역에 형성되고, 일정한 높이를 갖는 막대 형태로 형성되는 다수개의 전극들;
    상기 제 1 기판의 소정영역에 형성되고, 상기 전극들에 각각 대응되어 전기적으로 연결되는 다수개의 패드들;
    상기 제 1 기판 위에 형성되고, 중심영역에 캐비티(cavity)를 갖는 제 2 기판; 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 2 기판의 캐비티는 상기 제 1 기판의 중심영역에 형성된 전극과 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 기판의 하부면으로부터 상부면까지의 높이는 상기 전극의 높이 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판의 중심영역에 형성되는 전극들은 4개의전극들이 서로 일정한 간격을 가지고 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 미러는 상기 전극으로부터 소정 간격만큼 떨어져 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  6. 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.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 미러, 링 프레임, 힌지의 하부에는 이들을 지지하는 실리콘 지지체가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  8. 중심영역에 전극들을 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 상/하부 위에 각각 절연층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 기판 상부의 절연층 위에 금속 씨드층을 형성하고 패터닝하여 소정영역의 절연층을 노출시키는 단계와, 상기 소정영역의 금속 씨드층이 노출되도록 도금틀을 형성하는 단계와, 상기 노출된 금속 씨드층 위에 도금을 수행하고 상기 도금틀을 제거하여 상기 전극들을 형성하는 단계와, 전면에 보호막을 형성하는 단계를 거쳐 상기 전극들을 갖는 제 1 기판을 제작하는 제 1 단계;
    제 2 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 2 기판 위에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층의 소정영역을 식각하여 상기 미러를 형성하는 단계와, 상기 제 2 기판 하부의 소정영역을 식각하여 멤브레인을 형성하고, 상기 제 2 기판 상부의 소정영역을 식각하여 상기 미러를 릴리즈(release) 시키는 단계와, 상기 금속층의 일부를 제거하는 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 미러 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 기판은 실리콘 기판 또는 유리 기판이고, 상기 제 2 기판은 내부에 절연층을 갖는 SOI(silicon on insulator) 기판인 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 도금틀은 포토레지스트이고, 금속 씨드층은 Al, Cr, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서,
    상기 제 2 기판 위에 형성되는 금속층은 Cr/Al이고, 상기 제거되는 금속층의 일부는 Cr인 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 단계는 상기 제 1 단계 보다 먼저 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서, 멤브레인 형성시, 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 제조방법.
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