KR20160007958A - 마이크로 미러 제조방법 - Google Patents

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KR20160007958A
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Abstract

본 발명은 소자영역과 상기 소자영역 주변의 주변영역을 포함하는 디바이스 기판에 대해, 전방면으로부터 요입된 제2트렌치를 상기 소자영역의 토션영역에 형성하는 단계와; 상기 제2트렌치가 형성된 디바이스 기판과 베이스 기판을, 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면이 마주보도록 접합하여, 미러기판을 형성하는 단계와; 상기 미러기판의 베이스 기판에 대해, 상기 소자영역에 대응되는 부분을 제거하여 제1트렌치를 형성하는 단계와; 상기 제1트렌치가 형성된 상기 미러기판의 디바이스 기판을 가공하여 상기 소자영역에 미러부와 토션바를 포함하는 구동소자를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 미러 제조방법을 제공한다.

Description

마이크로 미러 제조방법{Method of manufacturing micro mirror}
본 발명은 마이크로 미러의 제조방법에 관한 것이다.
광소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입출력단 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 다양한 기술들이 대두되고 있는데, 바코드 스캐너(barcode scanner)나 기초적인 수준의 스캐닝 레이저 디스플레이(scanning laser display) 등과 같이 광원에서 출사된 광을 스캐닝하여 사용하는 기술을 대표적인 예로 들 수 있다.
특히, 최근에는 높은 공간 분해능(High Spatial Resolution)의 광 스캐닝을 이용한 시스템이 개발되고 있으며, 이러한 시스템으로는 레이저 스캐닝(laser scanning)을 사용한 고해상도의 원색 재현력이 뛰어난 투사 방식 디스플레이 시스템(projection display system)이나 HUD(Head Up Display), 레이저 프린터 등이 있다.
이러한 광 스캐닝 기술은 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(Scanning Speed)와 주사 범위(Scanning Range; 각변위; Angular displacement, Tilting Angle)를 가지는 스캐닝 미러가 요구되는데, 기존의 광 스캐닝은 갈바닉 미러(galvanic mirror)나 회전형 폴리곤 미러(rotating polygon mirror) 등 구동 되는 미러의 반사면과 입사광이 이루는 입사 각도를 조절하여 구현된다.
갈바닉 미러를 사용하는 경우 수 내지 수십 헤르쯔(Hz) 정도의 주사 속도를 구현할 수 있으며, 폴리곤 미러를 사용하는 경우 수 킬로헤르쯔(kHz) 정도의 주사 속도를 구현하는 것이 가능하다. 즉, 폴리곤 미러의 경우 고속으로 회전하는 모터에 폴리곤 미러가 장착되어 있는 형태를 취하기 때문에, 주사 속도는 폴리곤 미러의 회전 각속도에 비례하며 이는 가동부 모터의 회전 속도에 의존하므로 통상의 모터 회전 속도의 한계로 인하여 주사 속도를 증가시키는데 한계가 있으며, 전체 시스템의 부피와 전력 소모를 감소시키기 어려운 단점이 있다. 또한, 구동 모터부의 기계적 마찰 소음을 근본적으로 해결하여야 하며, 복잡한 구조로 인해 원가 절감을 기대하기 어렵다.
반면, 마이크로 미러(micro mirror)를 사용한 광 스캐닝 장치의 경우 양방향 주사가 가능하고, 수십 kHz에 이르는 빠른 주사 속도를 구현할 수 있다. 이와 같은 마이크로 미러는 일반적으로 로렌츠힘(Lorentz Force)을 구동력으로 사용하게 된다.
마이크로 미러는 1축 또는 2축 스캐닝 구동을 하게 된다. 여기서, 2축 스캐닝 구동의 마이크로 미러와 관련하여, 기판의 중심부에 위치하는 미러부와, 미러부를 바깥에서 둘러싸는 김블로 칭하여지는 가동프레임이 구성된다. 여기서, 미러부와 가동프레임은 제1방향을 따라 연장된 토션바를 통해 연결되고, 가동프레임은 기판의 주변부와 제2방향을 따라 연장된 토션바를 통해 연결된다.
미러부는 이와 연결된 토션바를 축으로 하여 가동프레임에 대해 1축으로 회전하고, 가동프레임은 이와 연결된 토션바를 축으로 하여 기판 주변부에 대해 1축으로 회전하게 된다. 이처럼, 회전축이 서로 수직한 2개의 토션바를 사용함에 따라, 마이크로 미러는 2축의 광 스캐닝을 수행할 수 있게 된다.
가동프레임이 구비되지 않고 미러부가 기판 주변부에 토션바를 통해 직접 연결된 마이크로 미러의 경우에는, 1축의 광 스캐닝이 수행될 수 있다.
한편, 위와 같은 구성을 갖는 마이크로 미러는, 절연막을 사이에 두고 핸들(handle) 기판과 디바이스층이 양측에 형성된 기판인 미러기판을 사용하여, 통상적인 반도체 제조 공정을 통해 제조된다.
이와 관련하여, 미러기판을 준비한 후, 핸들 기판에 대해 식각 공정을 진행하여 기판 주변부의 내측에 위치하는 내부 영역에 대해 제1트렌치를 형성하게 된다. 다음으로, 제1트렌치가 형성된 영역의 디바이스층에 식각 공정을 진행하여, 토션바가 형성될 영역에 대응하여 제2트렌치를 형성하게 된다.
다음으로, 토션바 및 미러부가 형성되는 영역에 도전 패턴 등을 형성하고, 그 후에 미러부와 가동프레임 주변 중 토션바가 형성되지 않은 영역의 디바이스층을 제거하여 오픈(open)부를 형성한다.
위와 같은 공정을 통해 광 스캐닝 동작을 하는 마이크로 미러를 제조하게 된다.
그런데, 종래의 마이크로 미러를 제조하는 공정에 따르면, 주요 구성 중 하나인 토션바를 형성함에 있어 그 두께 공차가 커 수율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
이와 관련하여, 종래의 제조 방법에 따르면, 미러기판에 대해 기판의 두께 방향으로 수회의 식각 공정을 진행함으로써 토션바를 형성하게 되는데, 이처럼 수회의 식각 공정에 의해 토션바의 두께 공차는 커지게 된다.
그런데, 토션바는 광 스캐닝 동작의 핵심적인 구성 요소로서 토션바의 동작 특성은 실질적으로 두께에 의존하게 된다. 이러한바, 종래의 제조 방법에 의하면 토션바의 두께 공차가 커지게 되고, 이로 인해 결과적으로 제품 수율의 저하가 유발된다.
본 발명은 토션바의 두께 공차를 최소화하여 제품 수율을 향상시킬 수 있는 마이크러 미러 제조방법을 제공하는 것에 과제가 있다.
전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 소자영역과 상기 소자영역 주변의 주변영역을 포함하는 디바이스 기판에 대해, 전방면으로부터 요입된 제2트렌치를 상기 소자영역의 토션영역에 형성하는 단계와; 상기 제2트렌치가 형성된 디바이스 기판과 베이스 기판을, 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면이 마주보도록 접합하여, 미러기판을 형성하는 단계와; 상기 미러기판의 베이스 기판에 대해, 상기 소자영역에 대응되는 부분을 제거하여 제1트렌치를 형성하는 단계와; 상기 제1트렌치가 형성된 상기 미러기판의 디바이스 기판을 가공하여 상기 소자영역에 미러부와 토션바를 포함하는 구동소자를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 미러 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 미러기판을 형성하는 단계는, 적어도 하나에 실리콘 절연막이 형성된 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면에 대해, ?(wet) 공정과 플라즈마 처리 공정을 진행하는 단계와; 상기 플라즈마 처리된 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면을, 상기 적어도 하나의 실리콘 절연막을 사이에 두고 맞붙인 후 상온이나 상기 상온보다 높은 제1온도에서 가접합을 하는 단계와; 상기 가접합 단계 후에, 상기 제1온도보다 높은 600도 이상의 제2온도에서 가열하여 상기 디바이스 기판과 상기 베이스 기판을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1트렌치를 형성하기 전에, 상기 미러기판의 베이스 기판의 전방과 디바이스 기판의 후방을 일정 두께 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 식각된 베이스 기판의 전방면과 디바이스 기판의 후방면에 절연막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미러기판의 후방면의 절연막 상에 전류 패스를 형성하는 도전 패턴을 형성하는 단계와; 상기 제1트렌치를 통해 노출된 디바이스 기판 전방의 매몰절연막 상에, 상기 소자영역의 미러영역에 대응하여 반사막을 형성하는 단계와; 상기 미러영역 주변의 오픈영역에 대해, 상기 제1트렌치를 통해 노출된 디바이스 기판을 제거하여 오픈부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미러기판의 디바이스 기판 후방면의 토션영역에 대해, 압전물질을 도핑하여 토션 센싱부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 구동소자는, 상기 소자영역의 중심영역에 위치하는 미러부와, 상기 미러부 주변을 둘러싸는 가동프레임과, 제1방향을 따라 연장되어 상기 미러부와 가동프레임을 연결하는 제1토션바와, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 연장되어 상기 가동프레임과 상기 주변영역에 대응되는 상기 미러기판의 주변부를 연결하는 제2토션바를 포함할 수 있다.
상기 제1토션바에 대응되는 상기 제2트렌치와, 상기 제2토션바에 대응되는 상기 제2트렌치의 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로 미러를 형성함에 있어, 상대적으로 얇은 두께의 디바이스 기판에 대해 해당 기판에 형성될 구동소자들에 대응하도록 특히 토션바에 대응하도록 트렌치를 형성하여 선가공하고, 선가공된 디바이스 기판을 베이스 기판에 접합한 후에 구동소자를 형성하기 위한 후처리 공정을 진행하게 된다.
이처럼, 토션바가 형성될 디바이스 기판 부분에 트렌치를 미리 형성함으로써, 토션바의 두께 제어가 보다 손쉽게 이루어질 수 있게 되어 토션바의 두께 공차를 최소화할 수 있게 된다. 따라서, 제품 수율이 상당한 정도로 개선될 수 있게 된다.
또한, 회전축이 서로 다른 토션바에 대해 그 두께를 달리하여 형성하는 경우에, 이에 대한 대응이 보다 손쉽게 이루어질 수 있게 된다. 즉, 두께를 달리 형성하더라도, 토션바의 두께 제어가 용이한 바, 두께가 다른 토션바의 형성시 두께 공차는 종래에 비해 더욱더 향상될 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명의 경우에는 반도체 제조에 통상적으로 사용되는 SOI 형태의 기판을 미러기판으로 사용할 수 있다. 이에 따라, 마이크로 미러를 제조함에 있어, 별도의 특별한 공정 설계가 요구되지 않고 기존의 실리콘 가공 파운드리(foundry) 설비를 사용할 수 있게 되므로, 양산이 매우 용이하고 제조 단가가 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 스캐닝 장치의 마이크로 미러를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 절단선 II-II를 따라 도시한 단면도.
도 3a 내지 3h는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 미러 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 스캐닝 장치의 마이크로 미러를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 II-II를 따라 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 광 스캐닝 장치의 마이크로 미러(100)는, 마이크로 미러(100)의 외부에 위치하며 자기장을 형성하는 자기장발생부(미도시)에서 형성된 자기장과 상호 작용하는 전기장을 형성하고, 이로 인해 발생되는 로렌쯔힘을 가동력으로 사용하여 마이크로 스캐닝 동작을 하는 구성에 해당된다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 2축 구동의 마이크로 미러(100)를 예로 들어 설명한다. 물론, 본 발명의 실시예는 1축 구동의 마이크로 미러에 대해서도 적용될 수 있음은 자명하다.
도 1 및 2를 참조하면, 마이크로 미러(100)는 평면적으로 볼 때 2축 스캐닝 구동을 수행하는 소자들이 형성되는 소자영역(EA)과, 소자영역(EA) 주변을 둘러싸는 주변영역(SA)을 포함할 수 있다.
소자영역(EA)에는 2축 스캐닝 구동을 수행하는 소자들로서 미러부(210)와, 가동프레임(220)과, 토션바(230)를 포함할 수 있다.
미러부(210)는 입사되는 광을 반사하는 미러 기능을 수행하는 구성으로서, 이는 가동프레임(220)과 탄성체(230)를 통해 연결될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 미러부(210)와 가동프레임(220)을 연결하는 토션바(230)를 제1토션바(231)라고 한다.
제1토션바(231)는 미러부(210)의 서로 마주보는 양측으로부터, 이들 양측 각각에 대응하는 가동프레임(220)의 내부 양측으로 연장되도록 형성되어 있다.
한편, 미러부(210)와 가동프레임(220) 사이의 영역으로서, 제1토션바(231)가 형성된 영역을 제외한 영역에는, 마이크로 미러(100)의 평면에 수직한 방향을 따라 개방된 오픈부(OP)가 형성된다. 설명의 편의를 위해, 제1토션바(231) 주변의 오픈부(OP)를 제1오픈부(OP1)라고 한다.
제1토션바(231)는 제1방향으로서, 예를 들면, x축 방향을 따라 연장될 수 있다. 이에 따라, 미러부(210)는 제1토션바(231)를 통해, x축을 회전축으로 하여 회전 운동을 할 수 있게 된다.
가동프레임(220)은 미러 주변부(240)와 토션바(230)를 통해 연결될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 가동프레임(220)과 미러 주변부(240)를 연결하는 토션바(230)를 제2토션바(232)라고 한다.
여기서, 미러 주변부(240)는, 마이크로 미러(100)의 소자영역(EA) 주변의 주변영역(SA)에 위치하는 구성에 해당된다.
제2토션바(232)는 가동프레임(220)의 서로 마주보는 외부 양측으로부터, 이들 양측 각각에 대응하는 미러 주변부(240)의 내부 양측으로 연장되도록 형성되어 있다.
한편, 가동프레임(220)과 미러 주변부(240) 사이의 영역으로서, 제2토션바(232)가 형성된 영역을 제외한 영역에는, 마이크로 미러(100)의 평면에 수직한 방향을 따라 개방된 오픈부(OP)가 형성된다. 설명의 편의를 위해, 제2토션바(232) 주변의 오픈부(OP)를 제2오픈부(OP2)라고 한다.
제2토션바(231)는 제1방향과 수직하게 교차하는 제2방향으로서, 예를 들면, y축 방향을 따라 연장될 수 있다. 이에 따라, 가동프레임(220)은 제2토션바(232)를 통해, y축을 회전축으로 하여 회전 운동을 할 수 있게 된다.
이처럼, 가동프레임(220)은 y축을 회전축으로 하여 회전 운동을 하게 됨으로써, 이와 같은 가동프레임(220)의 회전 운동에 의해 이와 연결된 미러부(210) 또한 y축 방향의 회전 운동을 할 수 있게 된다.
따라서, 결과적으로 미러부(210)는 서로 수직한 회전축을 갖는 제1 및 2토션바(231, 232)에 의해, x축 및 y축의 2축 스캐닝 동작을 수행할 수 있게 된다.
한편, 마이크로 미러(100)에는, 자기장과 상호 작용을 하기 위한 전기장 발생을 위해 전류 패스(path)로서 도전 패턴(121)이 형성된다.
미러 주변부(240)에는 전류가 입력되는 입력단자와 전류가 출력되는 출력단자가 구성될 수 있다. 도전 패턴(121)의 일끝단에 위치하는 입력단자를 통해 입력된 전류는, 미러 주변부(240)로부터 가동프레임(220)과 미러부(210)를 거쳐 재차 미러 주변부(240)로 돌아 나와, 도전 패턴(121)의 타끝단에 위치하는 출력단자로 출력된다.
특히, 미러부 및 가동프레임(210, 220) 각각에서는 도전 패턴(121)이, 예를 들면, 루프 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 로렌쯔힘이 발생하여 미러부 및 가동프레임(210, 220)이 동작할 수 있게 된다.
그리고, 미러부(210)에는 입사되는 광을 반사하는 특성을 갖는 반사막(121)이 형성될 수 있다.
또한, 토션바(230)에는 회전 정도 즉 토션 정도를 센싱하기 위한 토션 센싱부(141)가 형성될 수 있다. 토션 센싱부(141)는, 예를 들면, 압전효과(piezoelectric effect)를 갖는 압전소자를 사용하여 구성될 수 있다. 토션 센싱부(141)는 토션 정보를 나타내는 전기적 신호를 발생시키게 되며, 이와 같이 발생된 전기적 신호를 전달하는 신호배선이 미러 주변부(240)로 연장되도록 형성될 수 있고, 별도의 센싱 출력 단자를 통해 외부로 해당 전기적 신호가 출력될 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 마이크로 미러(100)의 단면 구조에 대해 도 2를 더욱 참조하여 설명한다.
마이크로 미러(100)는, 입사된 광이 반사되어 방출되는 방향을 기준으로 전방에 위치하는 핸들 기판 즉 베이스 기판(110a)과, 베이스 기판(110a)의 후방에 위치하는 기판 즉 디바이스 기판(110b)을 포함할 수 있다. 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b) 사이에는 절연 특성을 갖는 적층막으로서 매몰절연막(116)이 형성될 수 있다.
베이스 기판(110a)은 마이크로 미러(100)의 전체적인 골격을 형성하고 구동 소자들의 지지체로서 기능하게 된다. 디바이스 기판(110b)은 실질적으로 구동 소자들이 형성되는 구조물로서 기능하게 된다.
베이스 기판(110a)은 반도체 물질로 이루어지며, 특히 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 디바이스 기판(110b)은 반도체 물질로 이루어지며, 특히 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.
매몰절연막(120)은 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b) 사이에 위치하며, 이를 통해 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b)이 서로 접합될 수 있게 된다. 이와 관련하여, 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b) 중 적어도 하나의 기판면에 절연막이 형성된 상태에서, 절연막이 내면에 위치하도록 하여 이들을 서로 합착한 후, 일정 온도 이상에서 열처리를 하게 되게 된다. 이에 따라, 베이스기판(110a)와 디바이스 기판(110b)은 매몰절연막(116)을 매개로 하여 서로 접합될 수 있게 된다.
설명의 편의를 위해, 위와 같이 접합된 베이스 기판 및 디바이스 기판(110a, 110b)은 미러기판(110)이라 한다. 여기서, 기판이 실리콘으로 이루어진 미러기판(110)은 소위 SOI(silicon on insulator) 기판이라고 불리워지며, 본 발명의 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, SOI 기판을 사용한 경우를 예로 든다.
미러기판(110)의 소자영역(EA)에는, 전술한 구동 소자들로서 미러부(210)와, 가동프레임(220)과, 토션바(230)가 형성된다. 특히, 이와 같은 구동 소자들은 디바이스 기판(110b)에 구성되며, 소자영역(EA)에 대응하는 베이스기판(110a) 부분은 제거되어 제1트렌치(Tr1)가 형성된다. 이와 같은 제1트렌치(Tr1)를 통해, 전술한 구동 소자들은 전방측으로 노출된 상태를 갖게 된다.
소자영역(EA)의 중심영역에는 미러부(210)가 구성되는데, 미러부(210)는 이의 구조체로서 기능하는 디바이스 기판(110b)과, 디바이스 기판(110b)의 일면으로서 전방면에 위치하는 반사막(131)을 포함할 수 있다. 한편, 미러부(210)의 디바이스 기판(110b)의 타면으로서 후방면 상 즉 절연막(117) 외면 상에 도전 패턴(121)이 형성될 수 있다.
소자영역(EA)에서 미러부(210)의 주변을 따르는 프레임영역에는 가동프레임(220)이 구성된다. 가동프레임(220)은 이의 구조체로서 기능하는 디바이스 기판(110b)을 포함할 수 있고, 디바이스 기판(110b)의 후방면에는 도전 패턴(121)이 형성될 수 있다.
한편, 소자영역(EA)의 중심영역과 이를 둘러싸는 프레임영역 사이에는 제1토션바(231)와 제1오픈부(OP1)가 구성된다.
제1토션바(231)는 제1방향을 따라 소자영역(EA)의 중심영역의 양측에서 외측으로 연장된 영역 즉 제1토션영역에 형성되며, 제1토션바(231)는 이의 구조체로서 기능하는 디바이스 기판(110b)을 포함할 수 있고, 디바이스 기판(110b)의 후방에는 도전 패턴(121)이 형성될 수 있다. 제1토션바(231)의 도전 패턴(121)은, 미러부(210)의 도전 패턴(121)과 가동프레임(220)의 도전 패턴을 연결하게 된다.
더욱이, 제1토션바(231)에는, 디바이스 기판(110b)의 후방면에서 내부로 압전물질이 도핑된 형태의 토션 센싱부(141)가 형성될 수 있다.
한편, 제1토션바(231)의 디바이스 기판(110b) 부분의 두께(t3)는, 미러부 및 가동프레임(210, 220)의 디바이스 기판(110b) 부분의 두께(t2)에 비해 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1토션바(231)의 디바이스 기판(110b) 부분에 대해 전방면에서 후방면 방향으로 부분적 식각을 진행할 수 있으며, 이에 의해 제1토션바(231)의 디바이스 기판(110b) 부분에는 내부로 요입된 제2트렌치(Tr2)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1토션바(231)는 디바이스 기판(110b)의 두께(t2)에 비해 얇은 두께(t3)를 가질 수 있다.
제1오픈부(OP1)는, 중심영역과 프레임영역 사이의 영역 중 제1토션영역을 제외한 영역인 제1오픈영역에 형성된다. 즉, 제1오픈영역은 디바이스 기판(110b)이 상하로 제거됨으로써, 디바이스 기판(110b)이 관통된 상태의 제1오픈부(OP1)가 형성된다.
한편, 소자영역(EA)에서 프레임영역의 주변을 따르는 주변영역(SA)에는 미러 주변부(240)가 구성된다. 미러 주변부(240)는 이의 구조체로서 기능하는 디바이스 기판(110b) 및 그 전방의 베이스 기판(110a)을 포함할 수 있고, 디바이스 기판(110b)의 후방면에는 도전 패턴(121)이 형성될 수 있다. 더욱이, 디바이스 기판(110b)에는 도전 패턴(121)의 끝단에 위치하여 전류가 입력되고 출력되는 입력단자와 출력단자가 구성될 수 있다.
한편, 소자영역(EA)의 프레임영역과 이를 둘러싸는 주변영역(SA) 사이에는 제2토션바(232)와 제2오픈부(OP2)가 구성된다.
제2토션바(232)는 제2방향을 따라 소자영역(EA)의 프레임영역의 양측에서 외측으로 연장된 영역 즉 제2토션영역에 형성되며, 제2토션바(232)는 이의 구조체로서 기능하는 디바이스 기판(110b)을 포함할 수 있고, 디바이스 기판(110b)의 후방면에는 도전 패턴(121)이 형성될 수 있다. 제2토션바(232)의 도전 패턴(121)은, 가동프레임(220)의 도전 패턴(121)과 미러 주변부(240)의 도전 패턴(121)을 연결하게 된다.
더욱이, 제2토션바(232)에는, 디바이스 기판(110b)의 후방면에서 내부로 압전물질이 도핑된 형태의 토션 센싱부(141)가 형성될 수 있다.
한편, 제2토션바(232)의 디바이스 기판(110b) 부분의 두께(t3)는, 미러부 및 가동프레임(210, 220)의 디바이스 기판(110b) 부분의 두께(t2)에 비해 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1토션바(231)와 마찬가지로, 부분적 식각을 진행하여 내부로 요입된 트렌치(Tr2)가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 제1 및 2토션바(231, 232)가 동일한 두께(t3)를 갖는 경우를 예로 든다. 이와 달리, 구동 특성에 따라, 제1 및 2토션바(231, 232)가 서로 다른 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 및 2토션바(231, 232) 각각을 정의하는 제2트렌치(Tr2)를 서로 다른 두께로 형성할 수 있다.
제2오픈부(OP2)는, 프레임영역과 주변영역(SA) 사이의 영역 중 제2토션영역을 제외한 영역인 제2오픈영역에 형성된다. 즉, 제2오픈영역은 디바이스 기판(110b)이 상하로 제거됨으로써, 제1오픈부(OP1)과 동일하게 디바이스 기판(110b)이 관통된 상태의 제2오픈부(OP2)가 형성된다.
한편, 전술한 바와 같은 구성을 갖는 마이크로 미러(100)를 형성함에 있어, 본 발명의 실시예에서는, 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b)을 접합하기 전의 단계에서 토션바(231, 232)에 대응하는 제2트렌치(Tr2)를 형성하게 된다.
즉, 구동 소자를 형성하기 위한 공정 전에, 디바이스 기판(110b)에 토션바(231, 232) 형성을 위한 제2트렌치(Tr2)를 미리 형성하게 된다. 이에 따라, 토션바(231, 232)의 두께 제어가 보다 용이하게 되어, 토션바(231, 232)의 두께 공차가 최소화될 수 있게 된다. 따라서, 제품 수율이 효과적으로 향상될 수 있게 된다.
이하, 전술한 바와 같은 특징을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 미러(100)의 제조 방법에 대해 도 3을 더욱 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 3h는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 미러 제조 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 기판 양면으로서 전방면 및 후방면에 절연막(111)이 형성된 디바이스 기판(110b)를 준비한다. 여기서, 디바이스 기판(110b)이 실리콘 물질로 이루어진 경우, 해당 기판(110b)에 대해 제1산화 공정을 진행할 수 있으며, 이에 따라 해당 기판(110b)의 양면에는 실리콘산화막으로 이루어진 절연막(111)이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3b에 도시한 바와 같이, 마스크 공정을 진행하여, 디바이스 기판(110b)의 전방면에 위치하는 절연막(111)을 패터닝하게 된다. 이와 같은 마스크 공정은, 포토마스크와 포토레지스트를 사용한 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 진행된다. 이와 같은 패터닝된 절연막(111)은, 제1 및 2토션바(231, 232)가 형성될 영역 즉 제1 및 2토션영역에 대응하여 제거된다.
이와 같이 패터닝된 절연막(111)을 식각 마스크로 하여 식각 공정을 진행하게 된다. 여기서, 식각 공정으로서 방향성을 갖는 식각 공정이 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 물에 희석된 KOH를 에칭 용액으로 사용한 습식 식각이 사용될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같은 식각 공정 즉 제1식각 공정은 디바이스 기판(110b)을 두께 방향으로 일부분 제거하는 것으로서, 제1식각 공정에 의해 디바이스 기판(110b)의 전방면에는 내부로 요입된 트렌치(Tr2)로서 제2트렌치(Tr2)가 제1 및 2토션영역에 형성된다.
다음으로, 도 3c에 도시한 바와 같이, 제2트렌치(Tr2)가 형성된 디바이스 기판(110b)에 대해, 제2트렌치(Tr2)를 덮는 절연막(112)을 형성한다. 이와 관련하여, 디바이스 기판(110b)에 대해 제2산화 공정을 진행함으로써, 제2트렌치(Tr2)를 덮는 산화 실리콘으로 이루어진 절연막(112)이 형성될 수 있게 된다.
결과적으로, 제2산화 공정에 의해 디바이스 기판(110b)의 전방면 전체는 실질적으로 산화실리콘으로 이루어진 절연막(111, 112)으로 덮여질 수 있게 된다.
다음으로, 도 3d에 도시한 바와 같이, 베이스 기판(110a)과 디바이스 기판(110b)을, 제2트렌치(Tr2)가 형성된 전방면이 베이스 기판(110a)에 접촉하는 형태로, 서로 맞붙인 후 접합할 수 있다.
이와 관련하여 예를 들면, SDB(silicon direct bonding) 방법에 의해 두 기판(110a, 110b)은 서로 접합될 수 있다. 즉, 두 기판(110a, 110b) 중 적어도 하나 이상의 기판에 대해 실리콘 산화물로 이루어진 절연막을 형성하고, 그 후에 두 기판(110a, 110b)의 표면을 ?(wet) 공정과 플라즈마 처리 공정을 수행하여 친수성으로 만들어 준다. 그 후에, 두 기판(110a, 110b)의 위치를 정렬(align)하여 맞붙인 후, 일차적으로 상온이나 상온 보다 높은 소정의 온도 즉 제1온도로 상승시켜 가접합을 하고, 그 후에 제1온도보다 높은 제2온도로서 예를 들면 600도 이상의 고온에서 소정 시간 가열함으로써, 기판 상호간의 실리콘 산화물의 확산을 통해 접합이 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 접합 전의 베이스 기판(110a)의 전방면과 후방면에는 산화 공정을 통해 절연막(113)이 형성될 수 있다.
위와 같은 공정을 통해, 절연막을 사이에 두고 접합된 베이스 기판 및 디바이스 기판(110a, 110b) 즉 미러기판(110)이 형성된다.
여기서, 베이스 기판 및 디바이스 기판(110a, 110b)의 접합면에 위치하는 절연막을 매몰절연막(116)이라고 한다.
위와 같은 공정을 통해, 내부에 제2트렌치(Tr2)가 미리 형성된 미러 기판(110)이 형성된다.
다음으로, 도 3e에 도시한 바와 같이, 미러기판(110)에 대해 전방면 및 후방면으로부터 일정 두께 만큼 전체적으로 제거하는 식각 공정이 수행된다. 즉, 미러기판(110)을 구성하는 디바이스 기판(110b)에 대해 후방면으로부터 일정 두께 만큼 제거하고, 또한 베이스 기판(110a)의 전방면으로부터 일정 두께 만큼 제거한다. 이와 같이 두께 감소를 위한 식각 공정으로서 CMP(chemical mechanical polishing) 공정이 사용될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
이와 관련하여 예를 들면, 식각 공정이 진행된 후의 미러기판(110)의 베이스 기판(110a)은 대략 400um의 두께를 갖게 되며, 디바이스 기판(110b)은 대략 80um의 두께를 갖게 되는데, 이에 한정되지는 않는다.
이처럼, 미러기판(110)에 대한 전체적인 식각 공정을 통해 미러기판(110)은 제1두께(t1)를 갖게 된다. 이와 같은 미러 기판(110)의 제1두께(t1)는 실질적으로 마이크로 미러(100)의 두께에 해당된다.
한편, 위와 같은 공정을 통해 생성된 미러 기판(110)에 있어, 디바이스 기판(110b)은 제2두께(t2)를 갖게 되며, 이와 같은 제2두께(t2)는 실질적으로 구동소자들 중 미러부(210)와 가동프레임(220)의 두께에 해당된다.
특히, 제2트렌치(Tr2)가 형성된 영역 즉 제1 및 2토션영역의 디바이스 기판(110b)은 제3두께(t3)를 갖게 되며, 이와 같은 제3두께(t3)는 실질적으로 제1 및 2토션바(231, 232)의 두께에 해당된다.
위와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 상대적으로 두꺼운 두께의 미러기판(110)에 대해 다수의 마스크 공정을 진행하여 구동소자를 형성하기 전에, 상대적으로 얇은 두께의 디바이스 기판(110b)에 대해 구동소자들 특히 제1 및 2토션바(231, 232)의 두께에 부합하는 두께를 갖도록 선가공하게 된다.
다음으로, 도 3f에 도시한 바와 같이, 미러 기판(110)의 전방면 및 후방면에 대해 절연막(117)을 형성하는 공정을 진행하게 된다. 이와 같은 절연막(117)은, 예를 들면 제3산화 공정을 진행함으로써 미러 기판(110)의 전방면 및 후방면 즉 베이스 기판(110a)의 전방면과 디바이스 기판(110b)의 후방면에 형성될 수 있다.
한편, 절연막(117)은 다중층 구조를 가질 수 있는데, 예를 들면, 위와 같은 제3산화 공정을 통해 산화실리콘막을 형성하고, 그 외면에 질화실리콘막을 더욱 형성하여, 이중층 구조의 절연막(117)을 미러기판(110)의 전방면 및 후방면에 형성할 수 있다.
다음으로, 도 3g에 도시한 바와 같이, 미러기판(110)에 대해 마스크 공정을 진행하여, 미러기판(110b)의 전방면에 위치하는 절연막(117)을 패터닝하게 된다. 이와 같은 마스크 공정은, 포토마스크와 포토레지스트를 사용한 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 진행된다. 이와 같은 패터닝된 절연막(117)은, 소자영역(EA)에 대응하여 제거된다.
이와 같이 패터닝된 절연막(117)을 식각 마스크로 하여 식각 공정을 진행하게 된다. 여기서, 식각 공정으로서 방향성을 갖는 식각 공정이 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 예를 들면 물에 희석된 KOH나 TMAH(tetramethylammonium hydroxide)를 에칭 용액으로 사용한 습식 식각이 사용될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 다른 예로서, 실리콘 딥에칭 (즉, silicon deep RIE) 공정에 의해 트렌치를 형성할 수도 있다.
이와 같은 식각 공정 즉 제2식각 공정은 실질적으로 소자영역(EA)의 베이스 기판(110a) 부분을 두께 방향으로 모두 제거하는 것으로서, 제2식각 공정에 의해 소자영역(EA)의 매몰절연막(116)이 전방 방향으로 노출될 수 있게 된다. 즉, 소자영역(EA)의 디바이스 기판(110b)의 전방면에 형성된 절연막(116)이 노출될 수 있게 된다.
이에 따라, 미러기판(110)에는 소자영역(EA)에 해당되는 베이스 기판(110a)이 제거되어 내부로 요입된 형상의 제1트렌치(Tr1)가 형성된다.
다음으로, 도 3h에 도시한 바와 같이, 미러기판(110)의 후방면 상으로서 디바이스 기판(110b) 후방의 절연막(117) 상에 전류 패스를 위한 도전 패턴(121)을 형성하게 된다. 이와 같은 도전 패턴(121)은 마스크 공정을 통해 형성될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
도전 패턴(121)은 소자영역 및 주변영역(EA, SA)에 형성되며, 주변영역(SA)에는 도전 패턴(121)의 끝단에 연결된 입력단자 및 출력단자가 형성될 수 있다.
전술한 바와 같은 공정을 통해, 소자영역(EA)의 프레임영역에는 도전 패턴(121)이 형성된 가동프레임(220)이 형성될 수 있다.
특히, 소자영역(EA)의 제1 및 2토션영역에는 도전 패턴(121)이 형성된 제1 및 2토션바(231, 232)가 형성될 수 있다.
한편, 전술한 도전 패턴(121)의 형성 전에, 제2트렌치(Tr2)가 형성된 영역 즉 제1 및 2토션바(231, 232)가 형성될 제1 및 2토션영역에 대해, 절연막(117) 내측의 디바이스 기판(110b) 후방면에 불순물인 압전물질을 도핑하는 공정을 진행하여, 해당 영역에 압저항체를 형성할 수 있다. 즉, 디바이스 기판(110b)의 후방면으로부터 일정 두께만큼 압전물질을 도핑함으로써, 제1 및 2토션영역에 압저항체로 이루어진 토션 센싱부(141)가 형성될 수 있다.
그리고, 미러부(210)가 형성되는 소자영역(EA)의 중앙영역에는, 디바이스 기판(110b)의 전방의 매몰절연막(116) 상에 광 반사를 위한 반사막(131)을 형성하게 된다. 이와 같은 반사막(131)은 마스크 공정을 통해 형성될 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 반사막(131)으로서는 고반사 특성을 갖는 물질로서, Al과 같은 금속물질이나 유전체가 사용될 수 있다.
여기서, 반사막(131)을 형성하는 공정은 도전 패턴(121)을 형성하는 공정 전에 수행될 수도 있다.
전술한 바와 같은 공정을 통해, 소자영역(EA)의 중앙영역 즉 미러영역에는 도전 패턴(121)과 반사막(131)이 형성된 미러부(210)가 형성될 수 있다.
다음으로, 소자영역(EA) 중 제1 및 2오픈영역에 대응되는 디바이스 기판(110b) 부분에 대해 해당 부분이 관통되도록 식각 공정을 진행하여 제1 및 2오픈부(OP1, OP2)를 형성하게 된다.
전술한 바와 같은 공정을 통해, 미러부(210)와 가동프레임(220)과 제1 및 2토션바(231, 232)를 포함하는 마이크로 미러(100)가 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 미러를 형성함에 있어, 상대적으로 얇은 두께의 디바이스 기판에 대해 해당 기판에 형성될 구동소자들에 대응하도록 특히 토션바에 대응하도록 트렌치를 형성하여 선가공하고, 선가공된 디바이스 기판을 베이스 기판에 접합한 후에 구동소자를 형성하기 위한 후처리 공정을 진행하게 된다.
이처럼, 토션바가 형성될 디바이스 기판 부분에 트렌치를 미리 형성함으로써, 토션바의 두께 제어가 보다 손쉽게 이루어질 수 있게 되어 토션바의 두께 공차를 최소화할 수 있게 된다. 따라서, 제품 수율이 상당한 정도로 개선될 수 있게 된다.
또한, 회전축이 서로 다른 토션바에 대해 그 두께를 달리하여 형성하는 경우에, 이에 대한 대응이 보다 손쉽게 이루어질 수 있게 된다. 즉, 두께를 달리 형성하더라도, 토션바의 두께 제어가 용이한 바, 두께가 다른 토션바의 형성시 두께 공차는 종래에 비해 더욱더 향상될 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명의 경우에는 반도체 제조에 통상적으로 사용되는 SOI 형태의 기판을 미러기판으로 사용할 수 있다. 이에 따라, 마이크로 미러를 제조함에 있어, 별도의 특별한 공정 설계가 요구되지 않고 기존의 실리콘 가공 파운드리(foundry) 설비를 사용할 수 있게 되므로, 양산이 매우 용이하고 제조 단가가 절감될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.
100: 마이크로 미러 110: 미러기판
110a: 베이스 기판 110b: 디바이스 기판
116: 매몰절연막 210: 미러부
220: 가동프레임 231: 제1토션바
232: 제2토션바 240: 미러 주변부

Claims (8)

  1. 소자영역과 상기 소자영역 주변의 주변영역을 포함하는 디바이스 기판에 대해, 전방면으로부터 요입된 제2트렌치를 상기 소자영역의 토션영역에 형성하는 단계와;
    상기 제2트렌치가 형성된 디바이스 기판과 베이스 기판을, 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면이 마주보도록 접합하여, 미러기판을 형성하는 단계와;
    상기 미러기판의 베이스 기판에 대해, 상기 소자영역에 대응되는 부분을 제거하여 제1트렌치를 형성하는 단계와;
    상기 제1트렌치가 형성된 상기 미러기판의 디바이스 기판을 가공하여 상기 소자영역에 미러부와 토션바를 포함하는 구동소자를 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로 미러 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러기판을 형성하는 단계는,
    적어도 하나에 실리콘 절연막이 형성된 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면에 대해, ?(wet) 공정과 플라즈마 처리 공정을 진행하는 단계와;
    상기 플라즈마 처리된 상기 디바이스 기판의 전방면과 상기 베이스 기판의 후방면을, 상기 적어도 하나의 실리콘 절연막을 사이에 두고 맞붙인 후 상온이나 상기 상온보다 높은 제1온도에서 가접합을 하는 단계와;
    상기 가접합 단계 후에, 상기 제1온도보다 높은 600도 이상의 제2온도에서 가열하여 상기 디바이스 기판과 상기 베이스 기판을 접합하는 단계를 포함하는
    마이크로 미러 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1트렌치를 형성하기 전에, 상기 미러기판의 베이스 기판의 전방과 디바이스 기판의 후방을 일정 두께 식각하는 단계
    를 포함하는 마이크로 미러 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 식각된 베이스 기판의 전방면과 디바이스 기판의 후방면에 절연막을 형성하는 단계를 포함하는
    마이크로 미러 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 미러기판의 후방면의 절연막 상에 전류 패스를 형성하는 도전 패턴을 형성하는 단계와;
    상기 제1트렌치를 통해 노출된 디바이스 기판 전방의 매몰절연막 상에, 상기 소자영역의 미러영역에 대응하여 반사막을 형성하는 단계와;
    상기 미러영역 주변의 오픈영역에 대해, 상기 제1트렌치를 통해 노출된 디바이스 기판을 제거하여 오픈부를 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로 미러 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 미러기판의 디바이스 기판 후방면의 토션영역에 대해, 압전물질을 도핑하여 토션 센싱부를 형성하는 단계
    를 포함하는 마이크로 미러 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동소자는, 상기 소자영역의 중심영역에 위치하는 미러부와, 상기 미러부 주변을 둘러싸는 가동프레임과, 제1방향을 따라 연장되어 상기 미러부와 가동프레임을 연결하는 제1토션바와, 상기 제1방향과 교차하는 제2방향을 따라 연장되어 상기 가동프레임과 상기 주변영역에 대응되는 상기 미러기판의 주변부를 연결하는 제2토션바를 포함하는
    마이크로 미러 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1토션바에 대응되는 상기 제2트렌치와, 상기 제2토션바에 대응되는 상기 제2트렌치의 두께는 동일하거나 상이한
    마이크로 미러 제조방법.
KR1020140086855A 2014-07-10 2014-07-10 마이크로 미러 제조방법 KR101870413B1 (ko)

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