KR20020094820A - Micro-mirrors utilizing the bending of the flat plate framework - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 일종인 표면 미세 가공 기술로 제작되는 초소형 평판 구조물의 구부러짐 운동을 이용하여 큰 회전각을 얻을 수 있는 초소형 거울에 관한 것이다.The present invention relates to a micromirror that can obtain a large rotation angle by using a bending motion of an ultra-flat plate structure manufactured by a surface micromachining technique, which is a kind of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
종래의 MEMS 기술 가운데 널리 사용되고 있는 표면 미세 가공 기술을 이용하여 구현되고 있는 초소형 거울의 일반적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 거울 역할을 수행하는 가동 평판 구조물(10)과 이와 함께 사용되어 구동부 역할을 하는 고정 구동전극(11)과, 가동 평판 구조물을 지지하는 지지빔(12)과, 지지빔(12)을 기판에 고정시키는 역할을 수행하는 고정부(13)로 구성되어 있다.The general structure of the micromirror implemented using the surface micromachining technique, which is widely used among the conventional MEMS technologies, is used together with the movable plate structure 10 that performs the mirror role as shown in FIG. And a fixed drive electrode 11, a support beam 12 for supporting the movable plate structure, and a fixing part 13 for fixing the support beam 12 to the substrate.
도 1의 정전구동형 초소형 거울은 가동 평판 구조물(10)과 고정 구동전극 (11) 사이에 구동전압이 인가되면서 발생하는 정전인력에 의해 지지빔(12)이 비틀림 운동을 하면서 도 2와 같이 변형되어 회전형 거울로서의 역할을 수행하게 되는 것이다.The electrostatically driven micromirror of FIG. 1 is deformed as shown in FIG. 2 while the support beam 12 is torsionally moved by an electrostatic force generated when a driving voltage is applied between the movable plate structure 10 and the fixed driving electrode 11. Thus, it will serve as a rotating mirror.
즉, 도 1과 같이 가동 평판 구조물(10)이 바닥면과 평행하게 위치할 경우의 광 신호가 전달되는 방향과, 구동전압에 의해 가동 평판 구조물(10)이 변형됨으로써 거울로 사용되는 평판 구조물의 위치가 도 2와 같이 변화되는 경우의 광신호가 전달되는 방향이 서로 달라지므로 요구되는 광 경로의 변화 또는 광신호의 온/오프 스위칭 작용이 가능하게 된다.That is, as shown in FIG. 1, the movable plate structure 10 is deformed by a driving voltage and a direction in which an optical signal is transmitted when the movable plate structure 10 is positioned in parallel with the floor, and thus the plate structure 10 is used as a mirror. In the case where the position is changed as shown in FIG. 2, the direction in which the optical signal is transmitted is different from each other, so that a change in the required optical path or an on / off switching operation of the optical signal is possible.
도 1과 도 2에서 제시된 바와 같이 일반적인 초소형 거울의 회전각은 구부러짐이 없는 경우 회전축으로부터 구동전극 쪽의 가동 평판 구조물 길이와 가동 평판 구조물과 바닥면 사이의 간격에 의해 결정되는데, 가동 평판 구조물의 폭이 일정한 경우 그 길이는 구조물 회전에 필요한 정전인력의 발생을 위해 한계값 이하로 감소될 수 없기 때문에 큰 회전각을 얻기 위해서는 가동 평판 구조물과 바닥면 사이의 간격을 충분히 확보하여야 한다.As shown in FIGS. 1 and 2, the rotation angle of the general micromirror is determined by the length of the movable plate structure from the rotating shaft to the driving electrode and the distance between the movable plate structure and the bottom surface when there is no bending. In this case, since the length cannot be reduced below the limit value for generating the electrostatic force required for the rotation of the structure, a sufficient distance between the movable plate structure and the floor surface should be secured to obtain a large rotation angle.
그런데 바닥면과 가동 평판 구조물 사이의 간격은 표면 미세가공 기술에서 사용되는 희생층 두께에 의해 제한되며 큰 회전각을 위해 두꺼운 희생층 두께를 필요로 하는 경우, 원하는 두께의 희생층을 성막하는 것이 용이하지 않다는 문제가 있고 또한, 두꺼운 희생층을 사용할 경우 고정부 형성에 의한 큰 단차로 인해 이후 거울로 사용될 가동 평판 구조물의 형성이 어렵게 되는 문제점이 있었다.However, the spacing between the bottom surface and the movable plate structure is limited by the sacrificial layer thickness used in the surface micromachining technology, and when a sacrificial layer thickness is required for a large rotation angle, it is easy to form a sacrificial layer of a desired thickness. In addition, when using a thick sacrificial layer, there is a problem that it is difficult to form a movable plate structure to be used as a mirror later due to a large step due to the formation of the fixing portion.
두꺼운 희생층을 사용하지 않고 가동 평판 구조물과 바닥면 사이의 간격을 증대시키기 위한 노력들이 최근 제시되었는데, 이는 크게 두 가지 방향으로 나누어 볼 수 있다.Efforts have recently been made to increase the gap between the movable plate structure and the floor without using a thick sacrificial layer, which can be divided into two directions.
하나는 comb actuator, SDA(scratch driving actuator), sliding actuator, thermal actuator, 및 motor와 gear의 조합 등과 같이 구동기와 경칩 구조를 갖는 초소형 거울을 조합하여 거울로 사용되는 가동 평판 구조물을 바닥면으로부터 부양시키거나 초소형 거울 구조물을 바닥면과 수직으로 세워서 사용하는 방법이고, 다른 하나는 몸체 미세가공 기술을 사용하여 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼를 이방성 식각하므로서 바닥면과 가동 평판 구조물 사이의 간격을 증대시키는 방법이다.One uses a combination of a compact mirror with a driver and a light chip structure, such as a comb actuator, a scratch driving actuator (SDA), a sliding actuator, a thermal actuator, and a combination of a motor and a gear, to lift the movable plate structure used as a mirror from the floor. Or a small mirror structure perpendicular to the floor, and another method is to increase the distance between the floor surface and the movable plate structure by anisotropically etching the silicon wafer used as the substrate by using body micromachining technology. .
구동기와 경칩 구조를 갖는 초소형 거울 구조물의 조합에 의한 방식은 경칩 구조를 구현하기 위해 다층 박막을 사용해야 하므로 제작 공정이 복잡해지고, 초소형 거울 구조물의 부양 또는 기립과 관련된 연결 구조물과 구동기의 포함으로 인해 소자의 구조가 매우 복잡해지므로 이들 복잡한 구조에서의 신뢰성이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.The combination of the micro mirror structure with the driver and the light chip structure requires complicated multi-layer thin film to realize the light chip structure, which complicates the manufacturing process, and the inclusion of the connection structure and the driver related to the support or standing of the micro mirror structure causes the device to Since the structure of is very complicated, there is a problem that the reliability in these complex structures may be reduced.
실리콘 기판을 이방성 식각하는 몸체 미세 가공 기술의 경우에는 첫 번째 방법에 비해 구조물과 제작 공정이 단순하지만 가동 평판 구조물과 바닥면 사이의 간격이 증가하기 때문에 정전인력을 이용하여 구동시킬 경우 구동전압이 크게 증가하는 문제가 있으며, 구동력 증가를 위해 전자기력을 이용하고자 할 경우에도 자석 또는 전자석의 실장으로 인한 제작 공정 또는 조립 공정의 복잡화를 피할 수 없다.In the case of a body microfabrication technique for anisotropically etching silicon substrates, the structure and manufacturing process are simpler than those of the first method, but the driving voltage is large when driven by electrostatic attraction because the distance between the movable plate structure and the bottom surface increases. There is an increasing problem, and even if the electromagnetic force is used to increase the driving force, the complexity of the manufacturing process or the assembly process due to the mounting of the magnet or the electromagnet cannot be avoided.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 초소형 평판 구조물로 평판 구조물과 그 아래에 위치하는 구동전극 사이에 인가되는 구동전압에 의해 발생되는 정전인력으로 구동되는데 평판 구조물에서 구부러짐이 발생하는 부분의 반대쪽 끝단에 초소형 거울을 위치시킬 경우 구부러짐이 없이 회전하는 경우보다 더 큰 회전각을 얻을 수 있는 장점이 있어 본 발명에서 제안되는 구부러짐을 이용한 초소형 거울은 디스플레이, 스캐너, 광 파이버 스위치소자, 바코드 판독기 등에 응용될 수 있으며 원하는 큰 회전각을 얻기 위해 박막 구조물의 구부러짐을 활용하기 때문에 기존의 반도체 공정만을 이용하여 간단한 구조 및 제작이 용이하게 제작하고 동작시 그 신뢰성을 향상하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a compact plate structure, which is driven by an electrostatic force generated by a driving voltage applied between the plate structure and a driving electrode positioned below the plate structure. In the case where the micromirror is placed at the opposite end of the bending part in the micromirror, there is an advantage that a larger rotation angle can be obtained than when the micromirror rotates without bending, and thus the micromirror using the bend proposed in the present invention is a display, a scanner, an optical It can be applied to fiber switch device, bar code reader, etc., and it utilizes the bending of thin film structure to obtain the desired big rotation angle, so it is easy to manufacture simple structure and manufacturing using only the existing semiconductor process and improve its reliability during operation. .
상기 본 발명의 목적은 지금까지 제시된 MEMS 기술을 이용한 기존의 초소형 거울의 구조들로는 큰 회전각이 요구되는 응용에서 간단한 구조로 쉽게 제작할 수 있고 신뢰성 있는 동작이 가능한 초소형 거울을 구현하기가 어렵기 때문에 가동 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 것으로 정전인력을 발생하도록 하는 구동전극과, 상기 구동 전극 상부에 위치하여 상기 정전 인력에 의한 구동력의 작용으로 회전축을 중심으로 회전운동을 하는 가동 평판 구조물과, 상기 가동 평판 구조물의 구부러짐을 용이하게 하기 위해 상기 회전축과 교차하여 상기 구조물의 하부에 위치한 돌기와, 상기 가동 평판 구조물, 돌기, 구동전극을 지지하는 기판으로 구성되어 큰 회전각이 요구되는 디스플레이, 스캐너, 광 파이버 스위치 소자, 바코드 판독기 등에 활용하고자 하는 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 대 회전각 초소형 거울을 달성하였다.The object of the present invention is that the structure of the existing miniature mirrors using the MEMS technology presented so far is difficult to implement a compact mirror that can be easily manufactured in a simple structure and reliable operation in applications requiring a large rotation angle A driving electrode for generating an electrostatic attraction by using the bending of the flat plate structure, a movable plate structure positioned above the driving electrode to rotate around the rotation axis by the action of the driving force by the electrostatic attraction, and the movable plate structure A display, scanner, and optical fiber switch device comprising a projection positioned below the structure to cross the rotation axis and a substrate supporting the movable plate structure, the projection, and the driving electrode to facilitate bending of the display. , Barcode reader, etc. It was achieved, each miniature mirror for rotation with the bending of the plate structure.
도 1은 종래의 표면 미세 가공 기술로 제작되는 일반적인 정전구동형 초소형 거울의 개략도.1 is a schematic diagram of a typical electrostatically driven micromirror fabricated by conventional surface microfabrication techniques.
도 2는 상기 도 1의 정전구동형 초소형 거울의 동작에 의한 입력 광 신호 의 경로 변화를 도시한 개략도.FIG. 2 is a schematic diagram showing a path change of an input optical signal by the operation of the electrostatically driven miniature mirror of FIG.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 대 회전 초소형 거울의 구부러짐을 이용한 정전형 초소형 거울의 단면도.3 is a cross-sectional view of a capacitive micromirror using the bending of a large rotating micromirror using the bending of the flat plate structure of the preferred embodiment of the present invention.
도 4는 상기 도 3의 상태보다 높은 구동 전압이 인가되어 평판 구조물이 구부러져 회전각이 증대된 상태의 단면도.4 is a cross-sectional view of a state in which a driving angle is higher than that of FIG. 3 and a flat plate structure is bent to increase a rotation angle.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 대회전 초소형 거울의 구부러짐을 이용한 초소형 거울의 제작과정을 도시한 단면도.Figure 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the micro-mirror using the bending of the pre-contest micro-mirror using the bending of the flat plate structure of the preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *Description of the main parts of the drawing
10, 20 : 가동 평판 구조물11, 21, 32 : 고정 구동 전극10, 20: movable plate structure 11, 21, 32: fixed drive electrode
12 : 지지빔13 : 고정부12: support beam 13: fixed part
22 : 회전축23, 30 : 기판22: axis of rotation 23, 30: substrate
24 : 돌기31 : 절연층24: projection 31: insulating layer
33 : 희생층34 : 끼움홈33: sacrificial layer 34: fitting groove
이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings for a preferred embodiment.
도 3은 바람직한 실시예의 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 초소형 거울의 단면 구조로 기본적으로 MEMS 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 정전인력에 의한 구동방식의 초소형 거울 구조는 가동 평판 구조물(20), 고정 구동 전극(21), 회전축(22), 기판(23)이 동일하나, 도 3의 돌기(24)가 추가될 수 있으며, 가동 평판 구조물(20)의 원활한 구부러짐을 위해 가동 평판 구조물의 두께가 조절될 수 있다.3 is a cross-sectional structure of a micromirror using bending of a flat plate structure according to a preferred embodiment of the present invention. The micromirror structure of a driving method by electrostatic force, which is generally used in the field of MEMS, includes a movable plate structure 20 and a fixed drive electrode 21. ), The rotating shaft 22 and the substrate 23 are the same, but the protrusions 24 of FIG. 3 may be added, and the thickness of the movable plate structure may be adjusted to smoothly bend the movable plate structure 20.
그리고 상기 두께 조절은 가동 평판 구조물에서의 구부러짐 운동이 용이하게 이루어지도록 초소형 거울 구조물의 설계시 이루어지는 것이고 이때 중요한 점은 평판 구조물에서의 구부러짐이 용이하게 일어나기 위해서 그 두께가 얇아야 하지만 박막 증착시의 잔류응력에 의해 평판 구조물의 초기 변형이 발생하지 않을 정도의 두께는 유지되어야 한다는 점이다.And the thickness control is made in the design of the micro mirror structure so that the bending movement in the movable plate structure is easy, the important point is that the thickness of the thin film in order to easily bend in the plate structure, but remaining during thin film deposition The thickness should be maintained so that initial deformation of the plate structure does not occur due to stress.
그리고 초기 변형 방치를 위해 필요한 두께는 박막 성장시의 압력 컨트롤에 따라 좌우되기 때문에 이 또한 특정한 갑을 제시할 수 없다.And because the thickness required for initial strain tolerance depends on the pressure control during thin film growth, this also cannot present a particular case.
즉, 압력이 작은 박막을 성장시킬 수 있다면 더욱 얇은 구조물을 제작하는 것이 가능하지만 압력이 크다면 보다 두꺼운 구조물을 제작해야 하는 것이다.In other words, it is possible to produce a thinner structure if it is possible to grow a thin film with a low pressure, but if the pressure is high, a thicker structure must be manufactured.
구부러짐을 이용한 초소형 거울 구조물의 초기 동작 또한, 도 2의 일반적인 정전 구동형 초소형 거울과 동일하다.Initial operation of the micromirror structure using bending is also the same as the general electrostatically driven micromirror of FIG. 2.
즉, 가동 평판 구조물(10)과 고정 구동전극(11) 사이에 인가되는 구동 전압에 의해 지지빔(12)이 비틀림 운동을 하면서 가동 평판 구조물(10)의 구동 전극 쪽 끝단이 바닥면에 접촉할 때까지 가동 평판 구조물이 회전한다.That is, while the support beam 12 is twisted by the driving voltage applied between the movable plate structure 10 and the fixed driving electrode 11, the driving electrode end of the movable plate structure 10 may contact the bottom surface. Until the movable plate structure rotates.
하지만 이후 더 큰 구동전압이 인가되면 가동 평판 구조물은 정전인력에 의해 바닥면으로 계속해서 인력이 작용하고 되고 이에 의해 도 4에 제시된 바와 같이 가동 평판 구조물의 구부러짐이 발생하게 된다.However, when a larger driving voltage is applied thereafter, the movable plate structure is continuously attracted to the floor by the electrostatic force, which causes bending of the movable plate structure as shown in FIG. 4.
이때, 지지빔이 갖는 기판과 수직인 방향으로의 지지력이 약할 경우 가동 평판 구조물(20)의 구부러짐이 아니라 지지빔이 기판(23)과 수직한 방향으로 구부러져서 가동 평판 구조물(20)이 바닥에 붙을 수 있기 때문에 이를 방지하면서 구부러짐을 보다 용이하게 발생시키기 위해 도 4의 돌기(24)를 가동 평판 구조물(20)의 하부에 형성한 것이다.At this time, when the supporting force in the direction perpendicular to the substrate of the support beam is weak, the movable plate structure 20 is not bent, but the support beam is bent in the direction perpendicular to the substrate 23 so that the movable plate structure 20 is placed on the floor. In order to prevent this, the protrusions 24 of FIG. 4 are formed on the lower portion of the movable plate structure 20 to prevent bending.
도 4와 같이 가동 평판 구조물의 구부러짐이 발생할 경우, 도 3에 도시한 것처럼 지지빔의 비틀림에 의해 얻어지는 회전각에 가동 평판 구조물(20)의 구부러짐에 의한 회전각이 추가되기 때문에 얇은 희생층만을 사용하더라도 기존의 단순 정전구동형 초소형 거울에서는 얻기 어려운 큰 회전각을 용이하게 얻을 수 있게 된다.When bending of the movable plate structure occurs as shown in FIG. 4, only a thin sacrificial layer is used because the rotation angle due to the bend of the movable plate structure 20 is added to the rotation angle obtained by the twisting of the support beam as shown in FIG. 3. However, it is possible to easily obtain a large rotation angle, which is difficult to obtain in the conventional simple electrostatically driven ultra-small mirror.
한편, 상기 인가되는 구동 전압은 평판 구조물의 구부러짐을 유발시키기 위해 가동 평판 구조물과 그 하부의 구동전극 사이에 인가되는 구동전압은 기본적으로 평판 구조물을 지지하고 있는 지지빔이 정전인력에 의해 비틀림 운동하여 평판 구조물의 한 끝이 기판에 접촉하게 되는 Pull-in Point 이상의 구동전압이 인가되어야 한다.On the other hand, the applied driving voltage is a driving voltage applied between the movable flat plate structure and the drive electrode under the base to cause the flat plate to bend, the support beam supporting the flat plate structure is basically twisted by the electrostatic force A driving voltage greater than the pull-in point at which one end of the plate structure contacts the substrate should be applied.
하지만 이때의 구동전압은 평판 구조물과 구동전극이 이루는 평행 평판 커패시터, 지지빔의 형상 그리고 물성값 등에 따라 크게 변하기 때문에 구체적인 값을 제시할 수 없고 초소형 거울을 채택하는 시스템에서 요구되는 값으로 설계를 변화시킬 수 있는 것이다.However, at this time, since the driving voltage varies greatly depending on the parallel plate capacitor, the shape of the support beam, and the physical properties of the plate structure and the driving electrode, the specific value cannot be provided and the design can be changed to the value required in the system adopting the micro mirror. It can be.
도 5는 바람직한 실시예의 상기 도 3과 도 4에 제시된 돌기 구조물을 포함하는 구부러짐을 이용한 초소형 거울 구조물의 제작 과정을 도시한 것이다.5 is a view illustrating a manufacturing process of a micromirror structure using bending including the protrusion structures shown in FIGS. 3 and 4 of the preferred embodiment.
먼저, 도 5 중 (a)는 기판(30)에 전기적 절연을 위한 절연층(31)을 증착하고 다음으로, 도 5 중 (b)와 같이 고정 구동전극(32)을 형성하기 위해 도전성 박막을 증착시키고 이를 고정 구동 전극 형태로 패턴한다.First, (a) of FIG. 5 deposits an insulating layer 31 for electrical insulation on a substrate 30, and then, a conductive thin film is formed to form a fixed driving electrode 32 as shown in (b) of FIG. Deposit and pattern it in the form of a fixed drive electrode.
이후, 도 5 중 (c)와 같이 가동 평판 구조물과 바닥면 사이의 간격을 형성하는 희생층(33)을 증착하고 상기 희생층(33)에 구조물을 고정하기 위한 끼움홈(34)을 형성하여 도 1의 고정부(13)와 도 3의 돌기(24)의 형태로 희생층(33)을 패턴한다.Subsequently, as illustrated in (c) of FIG. 5, a sacrificial layer 33 forming a gap between the movable plate structure and the bottom surface is deposited and a fitting groove 34 for fixing the structure to the sacrificial layer 33 is formed. The sacrificial layer 33 is patterned in the form of the fixing part 13 of FIG. 1 and the protrusion 24 of FIG. 3.
도 5(d)와 같이, 가동 평판 구조물과 지지빔을 형성하는 구조물층을 증착하여 패턴한 후 마지막으로 도 5(e)와 같이 희생층(33)을 제거함으로써 고정부와 지지빔에 의해 기판으로부터 부양되는 가동 평판 구조물과 고정된 구동 전극을 완성한다.As shown in FIG. 5 (d), the structure layer forming the movable plate structure and the support beam is deposited and patterned, and finally the substrate is removed by the fixing part and the support beam by removing the sacrificial layer 33 as shown in FIG. 5 (e). The movable plate structure and the fixed drive electrode which are suspended from it are completed.
이상에서 설명한 바와 같이, 평판 구조물의 구부러짐을 이용한 대 회전각 초소형 거울은 요구되는 대 회전각을 얻기 위해 박막 구조물의 구부러짐을 활용하기 때문에, 기존의 반도체 공정만을 사용하여 단순한 기계적 구조와 간단한 공정으로 제작될 수 있으므로 초소형화가 필요한 디스플레이, 스캐너, 광 파이버 스위치 소자, 바코드 판독기 등과 같은 응용 분야에 널리 활용될 수 있는 효과가 있으므로 전자판독기제조산업상 매우 유용한 발명인 것이다.As described above, the large rotation angle micromirror using the bending of the plate structure utilizes the bending of the thin film structure to obtain the required large rotation angle, so it is manufactured with a simple mechanical structure and a simple process using only a conventional semiconductor process. Since the present invention can be widely used in applications such as displays, scanners, optical fiber switch devices, bar code readers, etc. requiring miniaturization, it is a very useful invention in the electronic reader manufacturing industry.
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| KR100388391B1 (en) | 2003-06-25 |
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