KR20030047024A - 마이크로미러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정으로 제조되는 마이크로미러에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 "휨 빔"을 가지는 콤-드라이브 수직 구동 구조의 마이크로미러는, 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되지 않고, "휨 빔"에 의하여 연결되며, 미러판의 한쪽에는 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 구비한다. 본 발명에 의한 마이크로미러에서는 콤-핑거가 구동되어 미러판을 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 양질의 경면(mirror surface)을 제공한다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 주지 않아서 양질의 경면을 제공한다. 본 발명에서는 또한, "휨 빔"을 가지는 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 제시한다.

Description

마이크로미러{Design for Micromirror Structure and Micromirror Arrays}
본 발명은 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정으로 제조되는 마이크로미러에 관한 것이다.
실리콘 공정으로 마이크로구조를 제조하는 MEMS 공정은 감지, 구동 및 광학적 분야에서 응용되고 있다. MEMS 공정에서 자주 사용되는 구동 구조는 콤-드라이브(comb-drive) 형식으로서, 각각의 빗살(이하에서 콤-핑거)를 가진 두 개의 콤(comb)으로 구성되는데, 구동시에 보통 한 쪽 콤(고정 콤)은 고정되고, 나머지 콤(이동 콤)이 움직이게 된다. 구동 전압을 인가하면 이동 콤이 구동되어 두 개의콤의 각 콤-핑거가 서로 깍지끼듯이 콤-핑거들 사이의 공간으로 삽입된다. 이때 콤-핑거가 서로 겹쳐지는 면적이 클수록 겹쳐지는 콤-핑거간의 정전기적인 힘이 커지게 되어, 작은 구동 전압에 의하여도 상대적으로 큰 힘을 적용하게 할 수 있다.
콤-드라이브 구조는 구동시 콤-핑거의 움직임 방식에 따라서, 병진 운동을 하는 선형 또는 측면 콤-드라이브 형식이 있으나(미국특허 제5,025,346호 및 제5,998,906호), 이러한 선형 또는 측면 콤-드라이브 구조는 같은 평면상에서 수평운동을 구현하는 방식으로서 마이크로미러를 구동하는데 적합하지 않다. 마이크로미러는 회전축을 중심으로 회전 운동을 하기 때문이다.
회전축을 중심으로 회전하는 마이크로미러는 응용 광학분야, 광통신분야 및 디스플레이장치들에서 사용된다. 이러한 마이크로미러를 구동하기 위하여는 수직 콤-드라이브 구동 구조가 적합하다. 수직 콤-드라이브 구조는 미국특허 제5,969,848호에도 제시되어 있다.
초기의 수직 콤-드라이브 구조는 구동시 고정 콤과 이동 콤의 콤-핑거들 간의 겹치는 면적이 크지 않아서 효율적으로 구동되지 못할 뿐만 아니라, 무엇보다도 제조시 고정 콤과 이동 콤을 각각의 웨이퍼에서 별도의 공정으로 각각 제조한 후, 정렬하는 과정을 거쳤다. 이러한 정렬 과정에서 오차가 매우 커지고 수율도 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다중층 서브스트레이트를 사용하는 방식을 도입하여 이러한 정렬 과정이 필요하지 않은 수직 콤-드라이브 구조의 제조 공정이 소개되었다(WO 01/73934). 그러나, 여기서 제시된 제조 공정은 몸체/가공 기법을 사용하지 않으므로 두 개의 절연층이 포함된 다중층 서브스트레이트(예를 들어서 이중 Silicon-on-insulator, SOI)를 사용하여야 하는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 마이크로미러의 미러판과 콤-핑거의 두께를 상이하게 할 수 없으므로 마이크로미러의 효과적인 구동에 한계가 있다. 이 선행기술(WO 01/73934)에서는 복수개의 마이크로미러들의 어레이에 관한 구조는 전혀 제시되어 있지 않다.
또한, 종래에 알려진 콤-드라이브 구조의 마이크로미러는 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되므로, 콤-핑거를 구동하여 미러판이 움직이는 경우, 미러판이 평평하게 유지되지 못하고, 구부러지게 되어 유한한 곡률 반경을 가지게 된다. 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 클수록 이런 문제는 더욱 심각해진다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 마이크로미러에서, 콤-핑거가 구동되어 미러판이 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 높은 효율의 경면(mirror surface)을 가지는 마이크로미러를 제공하는 것이다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 미치지 않아서 양질의 경면을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구조,
도2는 도1에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구동시 움직임을 도시한 것,
도3은 본 발명에 의한 마이크로미러의 SEM 사진,
도4는 본 발명에 의한 마이크로미러 어레이를 설명하기 위한 것으로서, SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층을 도시한 것.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마이크로미러는, 미러판이 설치된 이동 콤의 수직 방향의 운동으로 이동 콤의 콤-핑거들이 고정 콤의 콤-핑거들 사이로 깍지끼듯이 삽입되는 수직 콤-드라이브 구동 구조의 마이크로미러에 있어서, 상기 미러판의 주위에 구비되고 상기 미러판과 연결되고, 이동 콤의 지지대와 연결되어 미러판을 지지하는 "휨 빔"; 및 상기 미러판의 한쪽에 구비되고, 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 마이크로미러에 관하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로미러의 구조를 도시한 것으로서, 도1a는 평면도이고 도1b는 측면도이다. 도1에 도시된 것은 수직 콤-드라이브 구동 구조를 구성하는 두 개의 콤들 중 하나인 이동 콤의 구조이다. 도1a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판(11)의 주위에 "휨 빔"(13)이 미러판(11)과 연결되어 구비되어 있는데, 이 "휨 빔"(13)은 지지대(12)와 연결되어 구동되는 미러판(11)을 지지한다. 미러판(11)의 한쪽에는 상기 "휨 빔"(13)과 연결되어 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거(14)를 구비하고 있다. 즉, 미러판(11)을 중심으로 같은 쪽으로 "휨 빔"(13)과 이동 콤의 콤-핑거(14)가 구비되므로 콤-핑거(14)가 구동되고 "휨 빔"(13)을 통하여 구동력이 전달되어 미러판(11)이 움직이는 경우에도, 미러판(11)이 구부러지지 않고 평평함을 유지한다.
도1에 도시된 본 발명에 의한 마이크로미러의 구조는 도1b에서 보이는 바와 같이, 미러판(11) 및 "휨 빔"(13, 도1b에서는 가려짐)의 두께가 콤-핑거(14)의 두께보다 얇다. 이러한 구조는 표면/몸체 가공 기법(미국특허 제6,150,275호)을 사용한 제조 공정 중에 미러판 및 "휨 빔"의 두께를 조절할 수 있는 것과 관련된 것이다. 수직 콤-드라이브 구조에서 인가되는 전압에 의하여 구동되는 것은 콤-핑거들이고, 콤-핑거들이 이동될 때에 콤-핑거에 연결된 "휨 빔"을 통하여 구동력이 전달되어 미러판이 움직이는 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 구동시 콤-핑거들이 겹쳐지는 면적이 클수록 효율적인 구동이 될 수 있는데, 콤-핑거와 동일한 두께의 "휨 빔"을 사용하는 경우, 콤-핑거에 의하여 구동되는 미러판의 움직임의 크기에 한계가 있게 된다. 도1b에서 보이는 바와 같이, 본 발명에서 제시한 구조에 의하면, 콤-핑거(14)의 두께는 두껍게 하면서도 "휨 빔"(13, 도1b에서는 가려짐)의 두께는 얇게 할 수 있다. "휨 빔"(13)의 구께가 얇을수록 "휨 빔"(13)의 탄성계수가 작으므로 구동 전압이 상대적으로 작아진다. 한편, 콤-핑거(14)의 두께는 이보다 두꺼우므로 이동할 수 있는 변위(즉, 휨 각)을 크게할 수 있는 장점이 있다. 즉 작은 구동 전압에서도 미러판(11)의 움직임을 크게할 수 있으므로 효과적인 구동이 가능하다.
도2는 도1에 도시된 본 발명의 일실시예 의한 마이크로미러의 구동시의 움직임을 도시한 것이다. 도2는 이동 콤의 콤-핑거들이 수직으로 구동되어 이에 따라서 미러판과 "휨 빔"이 회전 운동을 하는 것을 보여준다. 도1a를 참조하여 더욱 상세하게 설명하자면, 도1a에서 보면, 콤-핑거(14)가 지면으로부터 튀어나오는 방향으로 구동되면, 이에 따라서, 미러판(11) 및 "휨 빔"(13)은 지면을 중심으로 들어가는 방향으로 회전운동을 하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 마이크로미러의 구조를 구성하는 이동 콤은도1과 같은 구조를 가지고, 수직으로 구동되어 이동 콤의 단일 세트의 콤-핑거의 아래쪽에 형성되는 고정 콤의 콤-핑거 사이로 깍지끼듯이 겹쳐들어가게 된다. 즉, 이동 콤의 아래쪽에 형성되는 고정 콤은 이동 콤이 구동될 때에, 이동 콤의 콤-핑거가 끼어들어갈 수 있는 콤-핑거들을 구비하고 고정 콤이므로 미러판이나 "휨 빔"이 필요하지 않은 단순한 콤-핑거의 구조로 구성된다.
본 발명에 의한 마이크로미러의 구조를 SOI 웨이퍼에서 구현하는 경우, 이동 콤은 SOI 웨이퍼의 위쪽에서 공정 처리하여 디바이스실리콘층에 형성하고, 고정 콤은 SOI 웨이퍼의 아래쪽에서 공정 처리하여 핸들 실리콘층에 형성하도록 함으로써, 결과적으로 단일의 SOI 웨이퍼에서 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 구현하는 것이 가능하다. 도3은 본 발명에 의한 마이크로미러의 SEM 사진이다.
이하에서는, 본 발명에 의한 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 설명한다.
도4는 본 발명에 의한 마이크로미러 어레이를 설명하기 위한 것으로서, SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층에 배열된 이동 콤들을 보여준다. 도4는 4개의 마이크로미러의 배열을 예시한 것이다.
도4에서 보이는 바와 같이, 이동 콤이 배열되는 SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층은 전체가 접지되고, 4개의 이동 콤들의 각각에 대하여 아래쪽의 핸들실리콘층에 형성될 고정 콤의 전극에 전압을 인가할 전극 구멍(61)이 형성되어 있다. 또한,아래쪽의 핸들실리콘층에 형성된 고정 콤 주위의 접지면을 위쪽의 디바이스실리콘층과 연결하기 위한 각각의 접지연결구멍(A)들이 형성되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 "휨 빔"을 가지는 콤-드라이브 수직 구동 구조의 마이크로미러는, 미러판과 서브스트레이트 기판을 연결하는 부분이 서브스트레이트 기판과 직접 연결되지 않고, "휨 빔"에 의하여 연결되며, 미러판의 한쪽에는 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 구비함으로써, 콤-핑거가 구동되어 미러판을 움직이는 경우에도 미러판이 평평함을 유지하여 무한한 곡률 반경을 가지게 되어 높은 효율의 경면(mirror surface)을 제공한다. 본 발명에 의한 마이크로미러는 미러판의 두께가 얇고 미러판의 크기가 커져도 곡률 반경에 영향을 주지 않아서 양질의 경면을 제공한다. 본 발명에서는 또한, "휨 빔"을 가지는 수직 콤-드라이브 구동 방식의 마이크로미러 구조를 SOI 웨이퍼에 구현하는 경우, 복수개의 마이크로미러를 배치하는 마이크로미러 어레이를 제시한다.

Claims (9)

  1. 미러판이 설치된 이동 콤의 수직 방향의 운동으로 이동 콤의 콤-핑거들이 고정 콤의 콤-핑거들 사이로 깍지끼듯이 삽입되는 수직 콤-드라이브 구동 구조의 마이크로미러에 있어서,
    상기 미러판의 주위에 구비되고 상기 미러판과 연결되고, 이동 콤의 지지대와 연결되어 미러판을 지지하는 "휨 빔"; 및
    상기 미러판의 한쪽에 구비되고, 상기 "휨 빔"과 연결되어 구동되는 단일 세트의 이동 콤의 콤-핑거를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동 콤에 설치된 미러판의 두께는 상기 이동콤의 콤-핑거의 두께보다 얇은 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로미러는 절연층을 포함하는 다중충 웨이퍼에 형성되는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다중충 웨이퍼는, SOI 웨이퍼임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동 콤은 SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층에 형성되고, 상기 고정 콤은 SOI 웨이퍼의 핸들실리콘층에 형성되는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마이크로미러의 구동 전압은 상기 고정 콤에 인가되는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이동 콤이 형성된 SOI 웨이퍼의 디바이스실리콘층은 접지되는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정 콤 주위의 핸들실리콘층의 접지면은 상기 이동 콤이 형성되고 접지되는 디바이스실리콘층과 연결되는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이동 콤이 형성된 디바이스실리콘층은 상기 고정 콤에 구동 전압을 인가하기 위한 전극 구멍이 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 마이크로미러.
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