KR20070112927A - Resonant scanning mirror with mems technology for the laser display - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 레이저 응용 전자력 구동 거울의 사시도,1 is a perspective view of a conventional laser application electromagnetic force driving mirror,
도 2는 도1의 AA' 를 자른 단면도 FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
도 3는 본 발명에 의한 구동 거울의 사시도,3 is a perspective view of a driving mirror according to the present invention;
도 4은 도2의 AA' 를 자른 단면도, 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2;
도 5는 본 발명에 의한 구동 거울의 평면 및 후면도,5 is a plan view and a rear view of the drive mirror according to the present invention;
도 6은 본 발명에 의한 구동 거울의 캔틸레버 부위 사시도,6 is a perspective view of a cantilever portion of a driving mirror according to the present invention;
도 7은 본 발명에 의한 구동 거울의 캔틸레버 부위에 대한 후면 사시도,7 is a rear perspective view of a cantilever portion of a drive mirror according to the present invention;
도 8a 내지 도 8m 은 본 발명의 전자력 구동 거울의 제작 방법을 설명한 개략도.8A to 8M are schematic views illustrating a manufacturing method of the electromagnetic force driving mirror of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 반사 거울 102 : 토션바101: reflection mirror 102: torsion bar
103 : 프레임 104 : 영구 자석103
200 : 기판 201 : 거울 박막층 200: substrate 201: mirror thin film layer
202 : 코일 전극 208 : 연결 전극202: coil electrode 208: connecting electrode
203 : 제1 절연층 206 : 제2 절연층203: first insulating layer 206: second insulating layer
209 : 하드 마스크209: hard mask
본 발명은 가시광선 영역의 반사 효율을 증진시킴과 동시에 내구성이 우수한 레이저 응용 디스플레이용 전자력 구동 거울에 관한 것이다. 상세하게는, 잔류응력이 해소된 얇은 웨이퍼(200)를 사용하여 코일 도선(202)을 반사 거울(201) 후면부에 위치하여 내구성과 반사 거울(201)의 필팩터를 높이고, 상기 반사 거울의 표면은 가시광선의 중심 파장(550 nm)에 대하여 최대의 반사율을 가지며, 상기 반사 거울(201) 및 토션바(102) 표면을 다이아몬트 코팅 처리를 하여 거울 표면을 보호하고 구동 부위의 마찰을 줄여 내구성이 우수한 레이저 디스플레이용 구동 거울에 대한 발명이다.The present invention relates to an electromagnetic force driving mirror for a laser application display that improves the reflection efficiency in the visible light region and at the same time has excellent durability. In detail, the
종래의 레이저 스캐너용 구동 거울은 일본 Nippon signal 사의 단축 또는 2축의 전자력 구동 거울, 미국의 ARI 사의 0.6 mm ~ 2mm 크기의 정전기 구동 거울, 미국의 Microvion 사의 접안형 SVG 디스플레이용 전자력 구동 거울 등이 있다. 도1은 종래의 대표적인 레이저 스캐너용 전자력 구동 거울이다. 상기 레이저 스캐너용 전자력 구동 거울은 캔틸레버 부에는 중앙에 반사 금속층이 있는 반사 거울(1)과 구동 거울 주위에는 전류가 흐르게 하는 코일 도선부(2), 구동 거울 양 측면에 구동용 토션바(4) 등으로 이루어지며, 웨이퍼 레벨의 구동 거울 칩 양 측면에 영구 자석(5)이 놓여져 있다. 상기 구동 거울의 영구자석(5) 내부에 있는 캔틸레버(3)의 반사 거울(1) 외측에 코일 도선(2)에 전류를 인가하면 로렌쯔(Lorentz) 힘에 의하여 캔틸레버가 토션바(4)를 축으로 하여 회전 구동이 되어 레이저 빛의 경로를 바꾸어 준다. 수 kHz의 구동 거울의 공진 주파수로 교류 전류를 인하면 큰 각도로 번갈아가면서 구동이 된다. x축과 y축 구동용 두 개의 구동 거울 또는 한 개의 구동 거울을 스캐닝하여 화면상에 레이저 빛이 주사가 된다.Conventional driving mirrors for laser scanners include short axis or biaxial electromagnetic drive mirrors of Nippon Signal, Japan, electrostatic drive mirrors of 0.6 mm to 2 mm in size, ARI, USA, and electromagnetic drive mirrors for eyepiece SVG displays, Microvion, USA. 1 is an electromagnetic force driving mirror for a typical representative laser scanner. The electromagnetic force driving mirror for the laser scanner includes a reflection mirror (1) having a reflective metal layer at the center of the cantilever portion, a coil lead portion (2) through which current flows around the driving mirror, and a driving torsion bar (4) on both sides of the driving mirror. The
도 1과 도 2를 참조하면, 상기 종래의 전자력 구동 거울은 SOI 웨이퍼(10)를 사용하였다. 상기 SOI 웨이퍼는 화학기계적 연마 (Chemical mechanical Polishing)를 하여 제작되어진 제1실리콘 웨이퍼(7)와 제2실리콘 웨이퍼(9) 중간에 실리콘 산화물(8)과 함께 접착되어져 있다. 상기 SOI 웨이퍼는 CMP의 기계적 회전에 이한 식각 자국이 웨이퍼 표면에 형성되므로 잔류 응력이 증가된다. 그러므로 상기 SOI 웨이퍼는 공정 과정 중이거나 최종 제품 제작이 된 후에도 외부 충격에 의하여 쉽게 파괴가 될 수가 있는 문제점이 있다. 1 and 2, the conventional electromagnetic force driving mirror used an
도 2를 참조하면, 상기 종래의 전자력 구동 거울은 반사 거울(1)과 반사 거울(1) 주위에 전류가 흐르는 코일 도선(2)이 위치하여 있다. 상기 종래의 전자력 구동 거울은 SOI 웨이퍼를 사용하여 제1실리콘 웨이퍼구동 각도를 크게 하려고 코일의 갯수가 증가하면 구동 거울의 필팩터가 줄어들어 광효율이 떨어지게 된다. 캔틸레버(3)가 수kHz 구동시 토션바(4)의 마찰에 의하여 구동하는데 무리가 있으며 내구성이 떨어진다. Referring to FIG. 2, in the conventional electromagnetic force driving mirror, a coil conducting
따라서, 상기 종래의 레이저 스캐너용 구동 거울의 반사 효율을 높이고 동시에 높은 주파수로 구동시 토션바와 지지 앵커와의 마찰을 해소하여 구동 거울의 내구성을 증진시키고자 하는 것이 본 발명에서 이루고자 하는 과제이다. Therefore, it is an object of the present invention to improve the durability of the driving mirror by improving the reflection efficiency of the driving mirror for the conventional laser scanner and at the same time eliminating friction between the torsion bar and the support anchor when driving at a high frequency.
본 발명에서 이루고자 하는 반사 효율 증진은 구동 거울의 후면부에 코일 도선을 위치하여 필팩터(Fill factor)를 높이는 것이다. 이를 위하여 종래의 SOI 웨이퍼 대신 양면 연마된 웨이퍼를 사용하여 반사 거울의 후면부에 코일 도선을 제작하는 것이다. The improvement of the reflection efficiency to be achieved in the present invention is to increase the fill factor by placing the coil conductors on the rear surface of the driving mirror. To this end, coil leads are fabricated on the rear surface of the reflective mirror using a double-side polished wafer instead of a conventional SOI wafer.
본 발명에서 이루고자 하는 구동 거울의 신뢰성 향상은 외부 충격시 쉽게 파괴되지 않는 구동 거울이 제작하는 것이다. 이를 위하여 상기 양면 연마된 웨이퍼 의 연마면 표면에 대하여 플라즈마 처리를 하여 잔류 응력 해소 (Stress relief) 된 웨이퍼를 사용하는 것이다. 또한 구동 거울의 토션바의 마찰력 해소를 위하여 토션바의 구동 부위와 지지 앵커와의 연결 부위에 저마찰력 보호막 박막을 코팅하는 것이다. 따라서 본 발명에서는 토션바의 치수를 조정하여 공진 주파수를 높임과 동시에 토션바에 다이아몬드 코팅을 하여 마찰력을 줄이면서 동시에 거울의 표면도 다이아몬드 코팅을 하여 거울 박막을 보호할 수 있는 구동 거울에 대한 제작이다. The improvement of the reliability of the drive mirror to be achieved in the present invention is to produce a drive mirror that is not easily destroyed during external impact. To this end, the surface of the polished surface of the double-side polished wafer is subjected to plasma treatment to use a stress-relieved wafer. In addition, in order to solve the frictional force of the torsion bar of the driving mirror is to coat a low friction protective film thin film on the connection portion between the driving portion and the support anchor of the torsion bar. Therefore, the present invention is to manufacture the driving mirror that can protect the mirror thin film by adjusting the dimensions of the torsion bar to increase the resonant frequency and at the same time to the diamond coating on the torsion bar to reduce the friction force and also to the diamond coating the surface of the mirror.
본 발명에 의한 레이저 디스플레이용 구동 거울은 양면 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 Plasma 처리를 하여 응력이 해소된 얇은 실리콘 기판(200)을 상하로 관통하여 두 개의 토션바(102)에 의하여 지지된 프레 임(103)과; 상기 두 개의 토션바와 대칭이 되게끔 연결되는 반사거울(101)과; 상기 반사 거울의 후면부에 위치하여 전류가 흐르도록 형성되는 코일 도선(202)과; 상기 토션바(102)의 회전축을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 프레임(103)바깥에 각각 극성이 서로 다른 두 개의 자석을 구비하는 것을 특징으로 한다. The driving mirror for the laser display according to the present invention is supported by two
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 레이저 디스플레이용 MEMS 공진 구동 거울을 도시한 사시도이다. 도 4는 도 3의 AA'를 자른 단면도이다. 양면 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 SF6 Plasma 처리를 하여 응력이 해소된 얇은 실리콘 기판(200)은 예를 들면 일본의 DISCO 사가 제공하는 웨이퍼이다. 구동 거울(101)의 전면은 적색 파장을 쓸 경우 금(Au) 박막, 가시광선 전 영역을 쓸 경우 가시광선에서 반사율이 높은 알루미늄 박막이 500 Å 이상 코팅된다. 상기 구동 거울의 크기는 4 mm × 4mm 로 광고 및 오락용 레이저 디스플레이에 적당한 크기이며, 상기 구동 거울의 필팩터를 높이기 위하여 도 5와 같이 그 후면부에 코일 도선을 두었다. 상기 토션바(102)의 길이는 1 ~ 1.5 mm 이고 그 선폭은 60 ~ 600 μm, 두께는 30 ~ 50 μm 이다. 상기 토션바(102)의 회전축을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 프레임(103) 바깥에 각각 극성이 서로 다른 두 개의 자석(104)이 구비된다. 3 is a perspective view illustrating a MEMS resonance driving mirror for a laser display according to an exemplary embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3. The
도 6은 본 발명에 의한 구동 거울의 캔틸레버 부위 사시도, 도 7은 본 발명에 의한 구동 거울의 캔틸레버 부위에 대한 후면 사시도이다. 본 발명에 의한 구동 거울 후면부의 최외각에 위치한 코일 도선에 전류가 인가되면 로렌츠 힘에 의하여 토션바(102)를 축으로 구동된다. 반대로 전류가 인가되면 반대 방향으로 구동이 된 다. 구동 거울의 성능인 공진 주파수는 다음과 같은 식(1)에 의하여 계산이 된다. Figure 6 is a perspective view of the cantilever portion of the drive mirror according to the present invention, Figure 7 is a rear perspective view of the cantilever portion of the drive mirror according to the present invention. When a current is applied to the coil conductor located at the outermost part of the rear surface of the driving mirror according to the present invention, the
...... 식 (1) Expression (1)
식(1)에서 a>b일 때, 이고 When a> b in formula (1), ego
이다. to be.
여기서 Ks 는 토션바(103)의 용수철 상수, Im 은 구동 거울(101)의 관성 모먼트, Ip는 토션바(103)의 극관성 모먼트 (Polar moment of Inertia), G는 토션바(103)의 토션 모듈러스(Torsion modulus), a는 토션바(103) 선폭의 1/2 이고 b는 토션바 두께의 1/2 이며. ρ는 실리콘의 밀도, tm은 구동 거울의 두께, Lm은 구동 거울(101)의 토션바(103) 와 평형한 방향의 구동 거울(101)의 길이, D는 토션바(103)와 평행한 방향으로의 구동 거울(101)의 길이이다.Where K s is the spring constant of the
다음은 본 발명에 의한 4mm × 4mm 의 구동 거울의 공진주파수를 나타내는 표이다. The following is a table showing the resonant frequency of the drive mirror of 4mm × 4mm according to the present invention.
구동 거울의 최대 구동 각도(θ)는 알짜 토크 (τ, Net Torque)와의 관계식 (2)와 전자력 구동 거울 부위의 각 치수를 모델링하여 다음 표와 같이 얻어졌다. 구동 거울에 같은 토크가 가해졌을 때 구동각도을 모델링하였다.The maximum driving angle (θ) of the driving mirror was obtained by modeling the relationship between the net torque (τ) and each dimension of the electromagnetic force driving mirror, as shown in the following table. The drive angle was modeled when the same torque was applied to the drive mirror.
.......................식 (2) ....................... Equation (2)
본 발명에 의하여 얻어지는 4mm × 4mm 구동 거울의 공진 주파수가 약 4 kHz 일 때 a의 길이가 250 μm, b의 길이가 16 μm, 구동 거울의 두께가 30 μm 일 때 큰 구동 각도가 얻어진다. A large driving angle is obtained when the length of a is 250 μm, the length of b is 16 μm, and the thickness of the drive mirror is 30 μm when the resonant frequency of the 4 mm x 4 mm drive mirror obtained by the present invention is about 4 kHz.
이하에서, 도 8a 내지 도 8m 을 참조하여, 본 발명에 의한 구동 거울의 제조 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, the manufacturing method of the drive mirror by this invention is demonstrated with reference to FIGS. 8A-8M.
본 발명에 의한 구동 거울의 제조 방법은, 잔류 응력 해소된 얇은 웨이 퍼(200)를 제작하는 단계와, 상기 웨이퍼(200) 하부에 절연층을 도포후 코일 도선(을 제작하는 단계와, 상기 웨이퍼(200) 상부 실리콘층을 식각하여 프레임(103), 구동 거울(101), 토션바(102)를 형성하는 단계와, 상기 웨이퍼 상부에 구동 거울 표면에 반사용 금속 박막을 형성한 후 다시싱 (Dicing)하는 단계를 포함한다.The manufacturing method of the driving mirror according to the present invention comprises the steps of manufacturing a
도 8a 의 잔류 응력 해소된 얇은 웨이퍼(200)는 일반 실리콘 웨이퍼의 양면에 대하여 화학 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing) 후 불산(HF)과 HNO3 혼합 용액에서 세정 처리 후 SF3 플라즈마로 실리콘 웨이퍼 표면을 식각 처리하여 기계적 연마면의 잔류 응력을 해소하게 된다. 예를 들면 DISCO (일본) 사의 DISCO Grinding 장비를 사용하여 제작되어진다. The residual stress-releasing
도 8b 내지 8h를 참조하여, 상기 잔류 응력 해소된 얇은 웨이퍼(200) 하부에 절연층을 도포후 코일 도선을 제작하는 단계에 대한 설명이다.Referring to FIGS. 8B to 8H, after the insulating layer is applied to the lower portion of the
도 8b는 상기 얇은 웨이퍼의 뒷면에 제1 절연층(203)인 실리콘 산화막을 도포하는 도면을 나타낸다. 상기 실리콘 산화막은 예를 들면, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 사용하여 증착된다. 도 8c와 같이 상기 절연층(203) 상부에 포토레지스트(205)를 도포하여 패턴을 형성한다. 여기서 포토레지스트는 전극 형성을 위한 리프트업 (Lift-off) 전용의 네거티브 포토레지스트 (Negative photoresist)를 사용한다. 다음에는 도 8d 와 같이 전극용 박막을 Sputtering 또는 Evaporating 방법에 의하여 증착이 된 후, 아세톤 용액에 넣고 초음파 세척을 하는 리프트업 (Lift-off) 공정을 시행하여 도 8e 와 같이 전극 코일(이 형성된다. 그 다음에는 도 8f와 같이 제2 절연층(206)인 실리콘 산화막이 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 사용하여 증착된다. 다음에는 도 8g와 같이 상기 코일 전극(202)을 연결하는 비어 홀 (207)을 뚫고, 상기와 같이 리프트업 공정을 시행하여 도 8h와 같이 연결 전극(208)을 형성한다. FIG. 8B shows a coating of the silicon oxide film, which is the first insulating
도 8i 내지 도 8k 과 같이 상기 웨이퍼(200) 상부 실리콘층을 식각하여 프레임(103), 구동 거울(101), 토션바(102)를 형성하는 단계에 대한 설명이다. 이하 공정의 포토리쏘그래피 방법은 양면 얼라이너(Alignner)를 사용한다.8I to 8K, the method of forming the
먼저 도 8i를 참조하면, 상기 웨이퍼(200) 표면에 실리콘 산화막을 증착한다. 포토레지스트를 도포하여 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝한 후 CHF3 /O2 등의 플라즈마로 식각하여 하드 마스크(209)를 형성한 후 포토레지스트를 제거한다. 상기 하드 마스크는 Deep etch 시 하드마스크 아래의 실리콘의 보호층으로의 역할을 한다. 다음에는 도 8j와 같이 SF6 플라즈마에서 상기 실리콘 층을 식각한 CHF3 /O2 등의 플라즈마로 상기 하드 마스크(209)를 제거하여 프레임(103),구동 거울(101), 토션바(102)의 패턴이 형성된다. 다음에는 도 8k와 같이 다시 웨이퍼의 후면에 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝한 후 CHF3 /O2 플라즈마로 제1, 제2 절연층을 식각하여 상하로 관통된 프레임(103),구동 거울(101), 토션바(102)가 형성된다. First, referring to FIG. 8I, a silicon oxide film is deposited on a surface of the
도 8l 내지 8m 은 상기 웨이퍼 상부에 구동 거울 표면에 반사용 금속 박막을 형성한 후 다시싱 (Dicing)하는 단계에 대한 설명이다.8L to 8M illustrate a step of dicing after forming a reflective metal thin film on the driving mirror surface on the wafer.
도 8l을 참조하면, 구동 거울(101),토션바(102), 프레임(103) 표면에 금 박막 또는 알루미늄 박막을 500 옹스트롬 이상 증착한 후 보호막 코팅 처리된다. 보호막은 실리콘 산화막 또는 반사율 증가 (Enhanced coating) 을 한다. 또는 상기 보호막은 통상의 Diamond MEMS (Micro Electro mechanical Systems) 기술에서 사용되는 저마찰력, 저응력의 유사 다이아몬드를 스퍼터링 방법으로 증착이 되어진다. 도 8m 을 참조하면 웨이퍼의 각 구동 거울 칩에 대하여 레이저 등으로 다이싱(Dicing)하여 구동 칩을 웨이퍼에서 떼어내어 최종의 웨이퍼 레벨의 구동 거울 제품을 완성하게 된다.Referring to FIG. 8L, at least 500 angstroms of a gold thin film or an aluminum thin film are deposited on the surfaces of the driving
본 발명을 통하여 레이저 디스플레이용 MEMS 공진 구동 거울의 크기가 4mm × 4mm 의 큰 구동 거울은 광고 및 오락용 레이저 디스플레이에 유용한 발명으로, 이를 위하여 상기 금 또는 알루미늄 박막으로 이루어진 구동 거울은 공진 주파수가 2 kHz ~ 8 kHz 이며, 이 공진 주파수로 최대의 구동 각도를 얻는다. 구동 거울 두 개로 하나의 구동 거울을 x방향으로, 다른 하나의 구동 거울은 y 방향으로 구동되면 레이저 빛이 화면 주사되어 가시광 영역의 레이저 쇼, 광고용 전광판의 대화면 구현이 가능하게 된다.Through the present invention, a large drive mirror having a size of 4 mm × 4 mm for the MEMS resonant drive mirror for laser display is an invention useful for laser displays for advertisement and entertainment. To this end, the drive mirror made of the gold or aluminum thin film has a resonant frequency of 2 kHz. ~ 8 kHz, the maximum driving angle is obtained at this resonance frequency. When two driving mirrors are driven in the x-direction and the other driving mirror in the y-direction, laser light is scanned on the screen to realize a large screen of a laser show in the visible region and an advertising billboard.
구동 거울의 필팩터가 우수하게끔 코일 전선을 구동 거울 뒷면에 위치하여 거울의 필팩터가 높고 저 응력의 얇은 웨이퍼를 사용하여 제작이 간단하며 뛰어난 내구성을 갖는다. 저응력의 웨이퍼로 제작된 구동 거울은 충격에 강하고 및 휨 현상이 줄어드는 효율성 있다. 구동 거울의 표면 및 토션 바에 보호막 코팅하여 거울박막을 보호하게 되는데, 특히 Diamond MEMS 에서 사용되는 저마찰력, 저응력의 유사 다이아몬드 박막은 거울을 보호하며 구동 토션바의 마찰력이 줄어들게 되어 구동 거울의 내구성이 증진된다.Coil wires are placed on the back of the drive mirror so that the fill factor of the drive mirror is excellent, making the manufacturing process simpler and more durable by using thin wafers with high fill factor of the mirror and low stress. Drive mirrors made of low-stress wafers are impact-resistant and efficient in reducing warpage. The protective film is coated on the surface of the driving mirror and the torsion bar to protect the mirror thin film. In particular, the low friction and low stress pseudo diamond thin film used in Diamond MEMS protects the mirror and reduces the friction of the driving torsion bar. Promoted.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |