KR20030091479A - 미소거울 구동기 - Google Patents

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Abstract

두축 자유도를 가지며 정전력에 의하여 구동되는 미소거울 구동기에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 절연층이 형성된 기판과; 절연층 상에 각각 형성되는 두 개의 하부기둥과; 하부기둥들 상면에 걸쳐지도록 형성되는 제1 비틀림바와; 제1 비틀림바와 직교하도록 형성되는 제2 비틀림바와; 제1 비틀림바와 제2 비틀림바의 교차에 의하여 형성되는 영역의 내측에 각각 위치되도록 절연층 상에 각각 형성되는 네 개의 전극과; 제2 비틀림바의 상면에 각각 형성되는 두 개의 상부기둥과; 상부기둥들 상면에 걸쳐짐으로써 상부기둥들에 의하여 지지 고정되도록 형성되는 미소거울을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 두 개의 상부기둥에 의하여 미소거울을 희망하는 높이까지 직접 띄울 수 있으며, 비틀림바가 미소거울의 하부에 위치됨으로써 구조체의 면적을 줄일 수 있고, 전압이 인가되는 전극에 따라 두 축 자유도를 가짐으로써 3-D 광스위치로 유용하게 사용된다.

Description

미소거울 구동기{Micromirror Actuator}
본 발명은 미소거울 구동기에 관한 것으로서 특히, 두축 자유도를 가지며 정전력에 의하여 구동되는 미소거울 구동기에 관한 것이다.
최근 광통신에서 요구되는 데이터 전송 수요를 만족시키기 위해 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)망의 연구가 활발이 이루어지고, 각 파장의 전송용량 및 한 개의 광섬유 안에 넣을 수 있는 파장의 개수가 늘어나고 있어 많은 포트수를 가지는 광스위치가 요구되고 있다. 하지만 기존의 평면 도파관 스위치는 광손실 많고 그 크기가 커서 MEMS 기술을 이용한 작고 광손실이 적은 미소거울에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
MEMS 기술을 이용한 3-D 광스위치용 미소거울은 대부분 거울의 반사면과 그 밑의 전극 사이의 정전력을 이용한 정전 구동방식을 취하고 있으며 두축 구동을 위해서 외부 프레임을 이용한 짐벌구조로 되어있다. 미국의 Lucent Technologies Inc.사는 이에 관하여 2001년에 특허를 등록하였으며(미국특허번호 6,300,156호와 6,300,619호), 논문을 2000년도 Proceedings of SPIE, Vol. 4178, pp 320-324에 발표하였다.
그런데, Lucent사에서 제안한 미소거울은, 희생층의 높이가 작기 때문에 외부 구동기를 이용해 수십 마이크로미터 높이로 거울의 반사면을 높이 띄워야 하고,비틀림바가 거울 반사면 옆에 붙어 있어 실제 빛을 반사하는 부분보다 전체 구조체의 면적이 커서 복수 개의 미소거울을 배열할 때 가깝게 붙이기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미소거울을 희망하는 높이까지 직접 띄울 수 있으며, 구조체의 면적을 줄일 수 있는 미소거울 구동기를 제공하는 데 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 미소거울 구동기를 설명하기 위한 분해사시도;
도 1b는 도 1a에 따른 미소거울 구동기에서 비틀림바들을 설명하기 위한 사시도;
도 2a 내지 도 2c는 도 1a에 따른 미소거울 구동기의 작동을 설명하기 위한 도면들; 및
도 3a 내지 도 3e는 미소거울 구동기의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
10 : 기판 110, 120 : 하부기둥
200 : 제1 비틀림바 300 : 제2 비틀림바
410, 420, 430, 440 : 전극
510, 520 : 상부기둥 600 : 미소거울
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 미소거울 구동기는: 절연층이 형성된 기판과; 소정거리 이격되어 상기 절연층 상에 각각 형성되는 두 개의 하부기둥과; 상기 하부기둥들 각각의 상면에 걸쳐지도록 형성되는 제1 비틀림바와; 상기 제1 비틀림바와 직교하도록 형성되는 제2 비틀림바와; 상기 제1 비틀림바와 상기 제2 비틀림바의 교차에 의하여 형성되는 영역의 내측에 각각 위치되도록 상기 절연층 상에 각각 형성되는 네 개의 전극과; 자신들의 상면 각각이 상기 전극들의 상면들보다 높은 위치에 있도록, 상기 제2 비틀림바의 상면에 각각 형성되는 두 개의 상부기둥과; 상기 상부기둥들 상면에 걸쳐짐으로써 상기 상부기둥들에 의하여 지지 고정되도록 형성되는 미소거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 미소거울이 기울어지는 희망 각도에 따라 상기 전극들의 높이가다르게 형성되거나 또는 상부기둥들의 높이가 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 전극들 상면은 사각, 1/4 원 또는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하여도 좋다.
더 나아가, 상기 제1 및 제2 비틀림바는 일직선의 바 또는 굴곡이 있는 바의 형상인 것을 특징으로 한다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 미소거울 구동기를 설명하기 위한 분해사시도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 미소거울 구동기에서 비틀림바들을 설명하기 위한 사시도이며, 도 2a 내지 도 2c는 도 1a에 따른 미소거울 구동기의 작동을 설명하기 위한 도면들이고, 도 3a 내지 도 3e는 미소거울 구동기의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 미소거울 구동기는, 기판(10), 두 개의 하부기둥(110, 120), 제1 비틀림바(200), 제2 비틀림바(300), 네 개의 전극(410, 420, 430, 440), 두 개의 상부기둥(510, 520), 미소거울(600)을 포함한다.
기판(10)은 실리콘 웨이퍼로 이루어지며, 일면에는 절연층(미도시)이 형성된다.
두 개의 하부기둥(110, 120)은 서로 소정거리 이격되도록 절연층 상에 각각 형성된다.
제1 비틀림바(200)는 일단이 포함된 소정영역의 하면과 타단이 포함된 소정영역의 하면이 두 개의 하부기둥(110, 120)들 상면에 각각 위치되도록 형성된다. 즉, 제1 비틀림바(200)는 두 개의 하부기둥(110, 120) 상에 고정된다.
제2 비틀림바(300)는 제1 비틀림바(200)와 직교(直交)하도록 형성된다. 이 때, 제1 비틀림바(200)의 소정영역과 제2 비틀림바(300)의 소정영역 즉, 교차하는 영역은 공통된다.
제1 비틀림바(200) 및 제2 비틀림바(300)는 일직선의 형상에만 국한되지 않고, 낮은 전압에 의한 정전력에 의해서도 비틀어질수 있는 형상 즉, 굴곡이 있는 바의 형상이어도 좋다.
네 개의 전극(410, 420, 430, 440)은 제1 비틀림바(200)와 제2 비틀림바(300)의 교차에 의하여 형성되는 영역의 내측에 각각 위치되도록 절연층 상에 각각 형성된다. 따라서, 어느 하나의 전극(410)은, 인접하는 어느 하나의 전극(420)과는 제1 비틀림바(200)를 기준으로 전후 대향되고, 인접하는 다른 하나의 전극(430)과는 제2 비틀림바(300)를 기준으로 좌우 대향되며, 나머지 하나의 전극(440)과는 사선방향으로 위치된다. 이 때, 전극(410, 420, 430, 440) 상면의 형상은 일반적인 사각형으로 국한되지 않는다. 동일한 전압이 인가되는 경우에도 소정영역에 구동범위가 커질 수 있는 형상 즉, 1/4 원 또는 부채꼴 형상 등으로도 형성된다.
두 개의 상부기둥(510, 520)은 상면 각각이 전극(410, 420, 430, 440)들의 상면들보다 높은 위치에 있도록, 제2 비틀림바(300)의 일단이 포함된 소정영역의상면과 제2 비틀림바(300)의 타단이 포함된 소정영역의 상면에 각각 형성된다.
미소거울(600)은 상부기둥(510, 520)들 상면에 걸쳐짐으로써 상부기둥(510, 520)들에 의하여 지지 고정되도록 형성된다.
상술한 제1 비틀림바(200), 제2 비틀림바(300), 및 전극(410, 420, 430, 440)들은 구리, 니켈, 또는 금 등을 도금, 스퍼터링(Sputtering) 또는 증발법(Evaporator) 등을 이용하여 형성함으로써 마련된다. 따라서, 전극(410, 420, 430, 440)들로 선택된 어느 전극들에만 전압이 인가되면, 정전력에 의하여 제1 비틀림바(200) 또는 제2 비틀림바(300)가 비틀리면서 미소거울(600)은 기울어지게 된다.
미소거울(600)은 제1 비틀림바(200) 및 제2 비틀림바(300)가 정전력에 의하여 보다 잘 비틀어지도록 전도성 물질 즉, 상술한 구리, 니켈, 또는 금 등으로 이루어져도 좋고, 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘으로 이루어져도 좋다.
한편, 전극(410, 420, 430, 440)들의 높이가 보다 높게 또는 낮게 형성되거나, 또는 상부기둥(510, 520)들의 높이가 보다 높게 또는 낮게 형성됨으로써 미소거울(600)이 기울어지는 각도에 변화를 줄 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 실시예에 따른 미소거울 구동기의 작동을 설명한다.
도 2a에서, 미소거울(600)은 설명을 용이하게 하기 위하여 투명하게 표현되어 있다.
도 2b는 제2 비틀림바(300)를 사이에 두고 서로 대향하는 두 개의 전극(410,430)에만 전압을 인가하였을 경우의 작동상태를 도 2a의 A-A' 선에 따른 단면도로 표시한 것이다.
도 2b를 참조하면, 제2 비틀림바(300)를 사이에 두고 서로 대향하는 두 개의 전극(410, 430)에만 전압을 인가함으로써, 제 1비틀림바(200)에 있어서 전압이 인가되는 전극과 인접한 영역은 하향되고, 그 반대편 영역은 상향되도록 제1 비틀림바(200)가 비틀어지게 된다. 그에 따라 제2 비틀림바(300)와 미소거울(600)은 제1 비틀림바(200)를 축으로 기울어지게 된다.
도 2c는 제1 비틀림바(200)를 사이에 두고 서로 대향하는 두 개의 전극(430, 440)에만 전압을 인가하였을 경우의 작동상태를 도 2a의 B-B' 선에 따른 단면도로 표시한 것이다.
도 2c를 참조하면, 제1 비틀림바(200)를 사이에 두고 서로 대향하는 두 개의 전극(430, 440)에만 전압을 인가함으로써, 제2 비틀림바(300)에 있어서 전압이 인가되는 전극(430, 440)과 인접한 영역은 하향되고, 그 반대편 영역은 상향되도록 제2 비틀림바(300)가 비틀어지게 되어 미소거울(600)은 제2 비틀림바(300)를 축으로 기울어지게 된다.
따라서 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 미소거울(600)은 두 축 자유도를 가지고 구동된다. 한편, 도 2b 및 도 2c는 두 개의 전극에 전압을 인가하였을 때 미소거울의 구동 상태를 나타낸 것이지만, 필요에 따라서는 어느 하나의 전극에만 전압을 인가할 수 도 있다.
이하에서, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 본 실시예에 따른 미소거울 구동기의 제조방법에 대하여 설명한다. 도 3a, 도 3b, 도 3c의 (1), 도 3d의 (1) 및 (2), 도 3e의 (1)은 도 2a에서 C-C' 선에 따른 제조 공정을 나타내는 도면들이고, 도 3c의 (2), 도 3d의 (3), 도 3e의 (2)는 도 2a에서 B-B' 선에 따른 제조 공정을 나타내는 도면들이다.
먼저, 도 3a와 같이, 실리콘 웨이퍼(10)에 절연층(20)으로 이산화 규소막을 열 산화방식으로 기른 다음, 절연층(20) 상에 Ti/Cu 시드(seed)층(31)을 증착한다. 이 Ti/Cu 시드층(31)은 후술하는 전극 등을 Cu로 도금하기 위한 것으로 시드물질은 도금하고자 하는 물질에 따라 달라질 수 있다.
다음에 도 3b와 같이, 시드층(31) 상에 제1 마스크를 이용하여 사진제판(Photolithography) 공정으로 감광성 수지막(Photoresist)(이하, 1차 감광성 수지막)(41)으로 틀(Mold)을 형성한 다음, 네 개의 전극과 두 개의 하부기둥이 형성될 영역을 식각한다. 그리고, 도금으로 네 개의 전극층(이하, 1차 전극층들)(411, 431)과 두 개의 하부기둥(이하, 1차 하부기둥들)(111, 121)을 형성한다.
그 다음에, 아세톤 용액을 이용하여 1차 감광성 수지막(41)을 제거하고, 1차 감광성 수지막(41)보다 두꺼운 감광성 수지막(이하, 2차 감광성 수지막)(42)을 형성한다. 일례로 AZ9260 감광성 수지막을 사용하면 약 100마이크로미터 두께의 2차 감광성 수지막(42)을 형성할 수 있다. 이것은 1차 전극층(411, 431)들 상에 후술하는 2차 전극층(412, 432)들을 더 형성하여 전극층들의 높이를 높이고, 2차 하부기둥과 제1 비틀림바(200) 등을 형성하기 위한 것으로, 2차 감광성 수지막(42)의 두께는 미소거울(600)을 최대로 기울이려는 각도에 따라 변화시킬 수 있다.
이어서, 서로 직교하는 제1 비틀림바 및 제2 비틀림바, 3차 전극층 및 3차 하부기둥의 형상이 패턴된 제2 마스크를 2차 감광성 수지막(42) 상에 위치시킨후, 자외선을 얇게 조사한다. 다음, 2차 전극층들과 2차 하부기둥들의 형상이 패턴된 제3 마스크를 위치시킨후 자외선을 깊게 조사한다. 이후, 2차 감광성 수지막(42)의 소정영역을 제거하여 1차 전극층(411, 431)과 1차 하부기둥들(111, 112)의 상면을 노출시키고, 제1 및 제2 비틀림바가 형성될 영역을 형성한다(도 3c의 (1) 및 (2)). 여기서, 제2 마스크에 패턴된 3차 하부기둥의 형상은 실제로는 제1 비틀림바에 포함된 영역으로 후술하는 단계에서 2차 하부기둥들과 제1 비틀림바가 연결되는 것을 나타내기 위하여 분리하여 표현된 것이다.
계속해서, 1차 전극층들(411, 431) 상에 도금을 실시하여 1차 전극층들(411, 431)을 소정 높이까지 높힌다(이하, 2차 전극층들)(412, 432)(도 3d의 (1)). 이 때 1차 하부기둥(111, 121)들 상에 2차 하부기둥들(112, 122)도 같이 도금된다(도 3d의 (3)). 그리고, 결과물 상면에 전체적으로 시드층(32)을 형성하고, 제1 비틀림바(200)와 제2 비틀림바(300), 3차 전극층들(413, 433)이 형성될 영역을 제외한 필요 없는 부분의 시드층(32)을 연마로 갈아 낸 다음, 도금을 통하여 3차 전극층들(413, 433), 제2 비틀림바 (300), 그리고 제1 비틀림바 (200)를 형성한다(도 3d의 (2) 및 (3)).
결과물 상에 두꺼운 감광성 수지막을 다시 코팅하고 식각한 다음, 제4, 5 마스크를 이용하여 제2, 3마스크를 이용한 방법과 같은 방법으로 도금하여상부기둥(510)들과 미소거울(600)을 순차적으로 형성한다. 그리고, 희생층인 감광성 수지막을 습식 식각하고 절연층 상에 형성된 시드층중에서 노출된 영역을 제거하면, 본 발명에 따른 미소거울 구동기가 제조된다(도 3e (1), (2)).
본 제조방법에는 전극을 두 개만 예로 들어서 설명하였지만, 나머지 두 개도 상술한 전극들이 형성되는 시기에 동시에 형성되게 된다.
도금하는 금속은 구리나 니켈과 같이 다양한 금속을 이용할 수 있다.
한편, 전극(410, 420, 430, 440)들의 높이가 보다 낮게 형성하는 경우에는 전극들이 1차 전극층들(411, 431, ‥)들로만 이루어지도록 한다.
한편, 전압을 가하고 접지를 시키기 위한 본딩이나 프로빙(probing)을 위해서 제1 전극층과 제1 비틀림바의 하단으로부터 전선을 빼서 패드를 연결하여 사용하여도 좋다.
상술한 바와 같이 본 발명의 미소거울 구동기에 의하면, 두 개의 상부기둥에 의하여 미소거울을 희망하는 높이까지 직접 띄울 수 있으며, 비틀림바가 미소거울의 하부에 위치됨으로써 구조체의 면적을 줄일 수 있다.
또한, 전압이 인가되는 전극에 따라 두 축 자유도를 가짐으로써 3-D 광스위치로 유용하게 사용된다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

  1. 절연층이 형성된 기판과;
    소정거리 이격되어 상기 절연층 상에 각각 형성되는 두 개의 하부기둥과;
    상기 하부기둥들 각각의 상면에 걸쳐지도록 형성되는 제1 비틀림바와;
    상기 제1 비틀림바와 직교하도록 형성되는 제2 비틀림바와;
    상기 제1 비틀림바와 상기 제2 비틀림바의 교차에 의하여 형성되는 영역의 내측에 각각 위치되도록 상기 절연층 상에 각각 형성되는 네 개의 전극과;
    자신들의 상면 각각이 상기 전극들의 상면들보다 높은 위치에 있도록, 상기 제2 비틀림바의 상면에 각각 형성되는 두 개의 상부기둥과;
    상기 상부기둥들 상면에 걸쳐짐으로써 상기 상부기둥들에 의하여 지지 고정되도록 형성되는 미소거울을 포함하는 미소거울 구동기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 미소거울이 기울어지는 희망 각도에 따라 상기 전극들의 높이가 다르게 형성되거나 또는 상부기둥들의 높이가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 미소거울 구동기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 비틀림바, 제2 비틀림바, 및 전극들은 구리, 니켈, 금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소거울 구동기.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 미소거울은 구리, 니켈, 금, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미소거울 구동기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전극들 상면은 사각, 1/4 원 또는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 미소거울 구동기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비틀림바는 일직선의 바 또는 굴곡이 있는 바의 형상인 것을 특징으로 하는 정전방식으로 미소거울 구동기.
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