KR20030067359A - 마이크로 미러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 통신용 스위치에 사용되는 정전 구동형 마이크로 미러에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 미러는 메사 구조의 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 중심영역에 형성된 다수개의 전극들, 상기 제 1 기판위에 형성되고, 중심영역에 캐비티를 갖는 제 2 기판 그리고, 상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 전극의 인가 전압에 의해 소정의 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성된다.

Description

마이크로 미러{Micro mirror}

본 발명은 광 통신용 스위치에 사용되는 정전 구동형 마이크로 미러에 관한 것이다.

최근에 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 기술을 도입한 다양한 고아소자와 이를 이용한 광 통신 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), 열구동(thermal), 정자기력(electromagnetic), 정전기력(electrostatic)등이 있다.

각각의 구동 방식을 살펴보면, 압전 메카니즘에 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 도면이고, 도 2는 도 1에 따른 전극 C, D에 인가된 전압에 의한 미러만의 회전을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 따른 B, C에 인가된 전압에 의한 짐벌스(Gimbals)를 포함한 미러 회전을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참고로 설명하면, 미러만을 회전시킬 때는 아래 전극 A, B에 동시에 전압을 인가하거나, 전극 C, D에 동시에 전압을 인가하여 회전시키며, 짐벌스를 포함하여 미러를 회전시킬 때는 아래 전극 A, D에 동시에 전압을 인가하거나, 전극 B, C에 동시에 전압을 인가하여 회전시킨다.

그러나, 도 3과 같이 짐벌스를 포함하여 미러를 회전 시킬때는 하부 전극(B, C)과 미러 사이에 발생하는 전계(electric force)에 의하여 미러가 회전하게 되며, 짐벌스에는 전계가 가해지지 않기 때문에 미러가 회전하면서 힌지 A에 의해 짐벌스까지 회전하게 된다.

이와 같은 정전력 구동방식의 마이크로 미러는 힌지에 과부하가 인가되어 장시간의 미러 구동에서 미러의 동작 특성을 신뢰할 수 없게 되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 미러와 하부 전극과의 간격을 쉽게 확보하여 미러의 집적도를 높일 수 있는 마이크로 미러를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 미러를 보여주는 도면

도 2는 도 1에 따른 전극 C, D에 인가된 전압에 의한 미러만의 회전을 나타낸 도면

도 3은 도 1에 따른 B, C에 인가된 전압에 의한 짐벌스(Gimbals)를 포함한 미러 회전을 나타낸 도면

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 미러를 보여주는 도면

도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 회전동작을 보여주는 도면

도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제조 공정을 보여주는 도면

도 7a 내지 도 7f는 도 6a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면

도 8a 내지 도 8f는 도 6a의 제 1 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면

도 9는 본 발명에 따른 마이크로 미러를 이용한 크로스커넥트 광 스위치를 보여주는 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 제 1 기판 3, 4 : 제 1, 2 내부전극

2, 5 : 제 1, 2 외부전극 6 : 마이크로 미러

7 : 짐벌스(Gimbals) 8 : 힌지(hinge)

이상과 같은 본 발명의 구조 특징에 따르면, 메사 구조의 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 중심영역에 형성된 다수개의 전극들, 상기 제 1 기판위에 형성되고, 중심영역에 캐비티를 갖는 제 2 기판 그리고, 상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 전극의 인가 전압에 의해 소정의 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 메사 구조의 제 1 기판은 2단계로 54.74°로 식각된다.

그리고, 상기 전극들은 하나 이상의 내부 전극과 하나 이상의 외부 전극으로 구성되고, 상기 내부 전극과 외부 전극은 서로 교차한다.

또한, 상기 캐비티는 상기 제 1 기판의 중심 영역에 형성된 전극과 대응되는 위치에 형성되고, 상기 미러는 상기 전극으로부터 소정 간격만큼 떨어져 있다.

그리고, 상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 미러의 측면으로부터 일정간격 떨어져 상기 미러의 측면을 감사는 짐벌스(Gimbals), 상기 미러와 짐벌스를 연결시키고, 상기 짐벌스와 제 2 기판을 연결시켜주는 힌지(hinge)를 더 포함한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명은 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 2축 가능한 안정된 동작 특성을 갖는 정전기 구동형 마이크로 미러를 구현하는 것이다.

본 발명은 장시간의 미러 구동에서 미러의 동작 특성을 안정되게 유지시키기 위해 내부의 두 전극과 외부의 두 전극이 서로 십자형태로 교차되도록 제작하여 안쪽 힌지(hinge)에 인가되든 과부하를 제거하였다.

또한, 본 발명은 미러만을 동작할 때와, 짐벌스(Gimbals)를 포함해서 동작할 때, 비슷한 구동 전압을 갖도록 하기 위해 2 단계로 식각된 메사(mesa)구조위에 하부 전극을 제작하였다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 미러를 보여주는 도면이고, 도 5의 a는 미러만의 회전동작이고, 도 5의 b는 짐벌스를 포함한 미러의 회전동작으로서, 도 4에 도시된 바와 같이 메사 구조의 제 1 기판(1)의 중심 영역에 제 1, 2 내부 전극(3, 5)과 제 1, 2 외부 전극(2, 4)이 서로 교차 되도록 형성된다.

한편, 제 1 기판(1) 위에는 제 2 기판(6)이 형성되고, 제 2 기판(5)의 중심 영역에는 캐비티(cavity)가 형성되어 있다.

여기서, 상기 제 2 기판(6)의 캐비티는 제 1 기판(1)의 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5) 들에 대응되는 위치에 형성된다.

그리고, 상기 제 2 기판(6)의 캐비티 영역에는 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5)의 인가 전압에 따라 소정의 방향으로 회전하는 미러(상부 전극의 역할을 함)(7)와, 이 미러(7)의 측면으로부터 일정 간격 떨어져서 미러(7)의 측면을 감싸는 짐벌스(8)와, 제 2 기판(6)을 연결시켜주는 힌지(hinge)(9)가 형성되어 있다.

이와 같이, 제 1 기판(1)에 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5)을 교차되게 제작함으로써 상기 짐벌스(8)를 포함하여 미러(7)를 회전 시킬 때 이 짐벌스(8)와 제 1, 2 외부 전극(2, 4)사이에 발생된 전계에 의해 미러(7)가 회전하기 때문에 안쪽 힌지(9)에 과부하가 인가되는 것을 방지 할 수 있다.

또한, 짐벌스(8)를 포함하여 미러(7)를 회전시킬 경우(도 5의 b 참조)와, 미러만을 회전시킬 경우(도 5의 a 참조)에 대해 같은 구동 전압에서 같은 회전 각도를 갖도록 하기 위해 2 단계로 식각된 메사 구조인 제 1 기판(1)위에 상기 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5)을 제작하였다.

이것은 미러(7)가 차지하는 면적보다 큰 면적을 차지하는 짐벌스(8)를 포함한 미러(7)가 회전할 경우 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5)과 짐벌스(8) 사이에 더 큰 간격이 필요하게 된다.

따라서, 2 단계로 식각된 메사 구조의 제 1 기판(1)위에 하부 전극인 제 1, 2 내부 및 외부 전극(2, 3, 4, 5,)을 제작하여 미러(7)와 하부 전극(2, 3, 4, 5) 사이보다 짐벌스와 하부 전극(2, 3, 4, 5,) 사이의 간격을 더 크게 하였다.

안쪽 미러(7)만을 회전 시킬 때는 높은 메사 구조 위에 있는 제 1 내부 전극(3, 5)과 미러(7) 사이에 전계가 발생하도록 하여 이 미러(7)를 ±ｘ축으로 회전 시키며, 짐벌스(8)를 포함하여 미러(7)를 회전시킬 때는 낮은 메사 구조 위에 제작된 제 1, 2 외부 전극(2, 4)과 짐벌스(8) 사이에만 전계가 발생하도록 하여 미러(7)를 ±ｙ축으로 회전시킨다.

도 6a 및 도 6b는 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 7a 내지 도 7e는 도 6a의 제 2 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.

먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이 제 2 기판(10)을 준비하는데, 본 발명에서는 공정을 단순화하기 위해 SOI(silicon on insulator) 기판을 사용한다.

상기 SOI 기판은 실리콘 기판(10b) 내에 절연층(10a)을 갖는 기판으로서, 본 발명에서는 짐벌스 형성을 위한 절연층을 따로 형성하지 않기 위해 SOI 기판을 이용한다.

이어, 도 7b에 도시된 바와 같이 제 2 기판(10)위에 Al층(11a)과 Cr(11b)을 적층하여 전극층(11)을 형성하고, 그들을 패터닝하여 소정영역의 제 2 기판(10) 표면을 노출시킨다.

여기서, 상기 Al층(11a)은 고 반사도를 갖는 미러면 형성을 위한 금속이고, Cr층(11b)은 식각 공정에서 미러면을 보호하기 위한 금속이다 .

그 다음, 도 7c에 도시된 바와 같이 제 기판(10)의 뒷면에 포토레지스트를 형성하고 패터닝하여 소정영역의 제 2 기판(2)을 노출시키고, 포토레지스트를 마스크로 제 2 기판(10)을 식각하여 제 2 기판(10) 내의 절연층(10a)을 노출시킨다.

여기서, 제 2 기판(10) 식각은 SF₆와 O₆의 혼합가스와 딥 반응성 이온 에칭(deep RIE) 장비를 이용하여 건식 식각한다.

그리고, 도 7e 와 같이 상부에 노출된 제 2 기판(10)의 실리콘 기판(10a) 및 절연층(10b)을 식각하여 미러, 짐벌스 및 힌지 등을 릴지즈(release) 시킨다.

이어, 도 7f와 도시된 바와 같이 보호층으로 사용된 Cr층(11b)을 제거하여 상부전극인 미러를 갖는 제 2 기판을 제작한다.

상기 미러의 기판과 KOH 식각 장벽으로는 낮은 장력의 Si_xN_y을 이용하였으며,Si_xN_y표면위에 Al을 증착하여 미러를 제작한다.

한편, 도 8a 내지 도 8f는 도 6a의 제 1 기판을 제조하는 공정을 보여주는 도면이다.

먼저 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 실리콘으로 이루어진 제 1 기판(20)을 준비한 후, 준비된 제 1 기판(20)의 상부와 하부에 각각 절연층(21)을 형성한다.

그리고, 도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이 첫 번째, 두 번째 메사 구조를 형성하며 메사를 경사지게 54.74°로 한다.

이어서, 도 8e와 같이 상기 메사 구조 위에 하부전극(22)을 형성하고, 도 8f 와 같이 보호막(23)을 패시베이션(passivation)시켜 제 1 기판을 제작한다.

상기 메사 구조를 이용하여 하부전극(22)을 만들면, 메사위의 하부전극과 본딩 패드의 연결이 끊어지는 것을 방지한다.

이와 같이 도 7a 내지 도7f 및 도 8a 내지 도8f 와 같이 미러를 만들기 위한 실리콘 기판의 초기 두께와 벌크 미세 가공을 위하여 메사 구조를 형성할 때 메사의 높이를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다.

왜냐하면, 미러와 아래 전극사이의 간격을 결정하는 변수가 되기 때문이다.

도 9는 본 발명에 따른 마이크로 미러를 이용한 크로스커넥트 광 스위치를 보여주는 도면이다.

도 9에 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 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 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 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 메사 구조의 제 1 기판;

   상기 제 1 기판의 중심영역에 형성된 다수개의 전극들;

   상기 제 1 기판위에 형성되고, 중심영역에 캐비티를 갖는 제 2 기판; 그리고,

   상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 전극의 인가 전압에 의해 소정의 방향으로 회전하는 미러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 메사 구조의 제 1 기판은 2단계로 54.74°로 식각된 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극들은 하나 이상의 내부 전극과 하나 이상의 외부 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 내부 전극과 외부 전극은 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 마이크로미러.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐비티는 상기 제 1 기판의 중심 영역에 형성된 전극과 대응되는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 미러는 상기 전극으로부터 소정 간격만큼 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 기판의 캐비티 영역에 위치하고, 상기 미러의 측면으로부터 일정간격 떨어져 상기 미러의 측면을 감사는 짐벌스(Gimbals);

   상기 미러와 짐벌스를 연결시키고, 상기 짐벌스와 제 2 기판을 연결시켜주는 힌지(hinge)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.