KR20180054572A - 튜너블 멤스 에탈론 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에 개구 미러인 제1 미러를 매달기 위한 서스펜션 구조물을 정의하도록 패턴된 기능층, 상기 서스펜션 구조물과 연결된 개구 미러, 및 상기 에탈론의 후면 미러인 제2 미러를 포함하는 후면층을 포함하는 신규한 튜너블 MEMS(Micro-Electro-Mechanical) 에탈론 시스템이 개시된다. 기능층은 후면층 위에 위치할 수 있고, 후면층은 후면층으로부터 개구 미러를 향해 돌출된 스페이서 구조물을 포함하되, 스페이서 구조물은 개구 미러(AM) 및 후면 미러(BM) 사이의 최소 갭을 정의하고 그 들 사이의 접촉을 방지한다. 에탈론의 폭/미러들의 사이의 종횡비는 (예를 들어, 500으로) 높을 수 있으며, 미러들 사이의 최소 갭/거리는 수 십 나노미터 단위 정도로 작을 수 있다. 그에 따라, 어떤 실시 예들에서는 개구 미러 및 후면 미러 사이의 평행관계는 에탈론을 가로지르는 분광 투과율 프로파일의 공간적 변이와 관련된 색 결함을 피하기 위해 조절될 수 있다.
Description
본 발명은 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분광필터에 기초한 튜너블 MEMS의 새로운 구성 및 제조기술에 관한 것이다.
본 명세서에 개시되는 주제 항목과 관련되어 배경 기술로 여겨질 수 있는 참고 문헌들이 아래에 열거되어 있다:
[1] A. Ya'akobovitz, S. Krylov, "Influence of Perforation on Electrostatic and Damping Forces in Thick SOI MEMS structures," J. Micromech. Microeng. 22, pap. 115006, 2012.
[2] C. G. Agudelo, M. Packirisamy, G. Zhu, L. Saydy, "Nonlinear control of an electrostatic micromirror beyond pull-inwith experimental validation," J. MEMS 18, 914-923, 2009.
[3] J. Wei "Wafer Bonding Techniques for Microsystem Packaging," Journal of Physics: Conference Series 34 (2006) 943-948.
[4] A. Engel and R. Friedrichs, "On the electromagnetic force on a polarizable body," Am. J Phys. 70, 428-432, 2002.
[5] S. Schmid, C. Hierold, and A. Boisen, "Modeling the Kelvin polarization force actuation of micro- and nanomechanical systemes," Journal of Applied Physics 107, 054510, 2010.
[6] H. Rader, F. Tyholdt, W. Booij, F. Calame, N. P. Oestboe, R. Bredesen, K. Prume, G. Rijnders, P. Muralt, Taking piezoelectric microsystems from the laboratory to production, J. Electroceram., 19, 2007, 357-362.
위 참고 문헌들에 대해 인지하는 것은 이 참고 문헌들이 본 명세서에 개시된 주제 항목의 특허성에 어떠한 방식으로든 관련되어 있다는 것을 의미하는 것으로 추정되지 않는다.
순차 이미징은 향상된 컬러 충실도(fidelity) 및/또는 초분광(hyper spectral) 컬러 정보를 갖는 컬러풀한 이미지를 찍을 수 있도록 하는 컬러 이미징의 유망한 신규 분야이다.
순차 이미징 기술의 예는, 본 출원의 출원인에게 함께 양도된 WO2014/207742에 예로 기술되어 있다.
일반적으로 순차 이미징은 복수 픽셀 이미지 센서의 시선(line of sight)을 따라 배치된 튜너블 분광 필터(tunable spectral filter)를 이용한다. 이 이미지 센서는 튜너블 분광 필터의 분광 투과율(spectral transmission)이 변하는 동안의 짧은 시간에 일련의 이미지를 얻도록 동작한다. 그에 따라 일련의 이미지 각각은 캡쳐된 장면의 다른 컬러 컨텐츠에 대응되며, 장면은 각 이미지가 찍힐 때 설정된 필터의 분광 투과율의 상태/프로파일에 대응된다.
튜너블 광학 필터에 에탈론(etalon)이 사용될 수 있다. 에탈론은 튜너블 광학 필터이고, 2개의 평행한 미러로 구성된다. 광학 투과율 프로파일은 그 2개의 미러 간 갭(gap)에 의해 결정되며, 그러므로 인가되는 전압을 조절하여 미러 사이의 갭을 조절하고, 그에 따라 순차적으로 분광 투과율 프로파일이 조절된다. 일반적으로 에탈론 필터들은 두 개의 반투명 구성요소들, 예를 들어 개구 미러(aperture mirror)와 후면 미러(back mirror)로 만들어 진다. 개구 미러가 후면 미러로부터 앞 뒤로 움직이며 거리(개구 미러와 후면 미러 사이의 광학 캐비티(optical cavity))를 변화시키는 동안, 후면 미러는, 예를 들어, 고정되어 있을 수 있고, 그 결과 에탈론의 분광 투과율을 조절하게 된다.
에탈론은 광학 통신에서 광학 통신 채널을 따라 전송되는 광학 신호, 예컨대 레이저 빔 같은 광학 신호의 특성을 필터링, 변조 및/또는 제어하기 위하여 널리 사용된다. 그러나, 광학 통신을 고려할 때, 필터는 (예를 들어, 수 나노미터 정도의) 매우 제한된 분광 밴드 내에서 정확하고 효율적으로 동작하는 것이 종종 요구되나, 순차 분광 이미징 응용에 요구되는 많은 경우에는 특정한/넓은 투과율 프로파일을 제공하도록 요구되지는 않는다(WO 2014/207742 참조).
반면에, 순차 분광 이미지 응용, 예컨대 정규(예: RGB) 컬러 이미지 획득 및/또는 고분광 이미징에서는, 에탈론이 넓은 분광 투과율 프로파일과 자유 분광 영역(free spectral range)(이것은 에탈론 미러 간에 거리가 짧게 놓여지는 경우 일수 있음)을 가져야 하는 것뿐만 아니라, 옆으로는 충분히 넓어서 다음에 위치하는 이미지 센서의 시야(field of view) 전체를 커버해야 하는 것이 요구될 수 있다.
그 결과, 순차 분광 컬러 이미징에서 사용되는 튜너블 에탈론은 폭과 미러간 거리의 종횡비(aspect ratio)가 종종 매우 높으며, 미러 간 거리는 (예를 들어, 수 십 나노미터 정도의) 매우 가까운 거리까지 조절 가능해야 한다.
본 발명의 넓은 측면에 따르면, 튜너블 MEMS(Micro-Electro-Mechanical) 에탈론 시스템이 제공되며, 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은:
- 상기 에탈론의 개구 미러가 되는 제1 미러를 받쳐 주기 위한 서스펜션 구조물(예: 스프링 구조 또는 얇은 멤브레인)을 정의하기 위해 패턴된 기능층;
- 상기 서스펜션 구조와 연결된 개구 미러; 및
- 상기 에탈론의 후면 미러인 제2 미러를 포함하는 후면층을 포함한다.
상기 개구 미러가 연결된 상기 기능층은 상기 후면층 위에 위치하고, 상기 후면층은 상기 후면층으로부터 상기 개구 미러를 향해 돌출되어 상기 후면층과 상기 개구 미러간의 충돌을 방지하는 스페이서 구조물 구조를 가질 수 있다.
몇몇 실시 예들에서, 상기 에탈론/미러들의 폭과 그들 간의 최소 갭/거리 간 종횡비는 최소한 500이다. 상기 미러들 간의 갭/거리는 정전식(electrostatic) 액츄에이션, 예컨대 압전(piezo-electric) 액츄에이션 및/또는 켈빈력(Kelvin force) 액츄에이션을 사용함으로써 조절될 수 있다. 상기 미러들 간의 최소한 갭/거리는 수 나노미터(nm) 수준으로 작을 수 있다. 따라서, 몇몇 실시 예들에서 높은 종횡비 및 작은 최소 갭의 결과로, 상기 개구 미러와 상기 후면 미러간 평행관계는 상기 에탈론을 가로지르는 분광 투과 프로파일의 공간적 변이(spatial variation)와 관련된 색 결함(chromatic artifacts)을 피하기 위해 조절되어야 한다.
그래서, 몇몇 실시 예들에서, 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러간 거리는 정전식 힘의 수단에 의해 조절 가능하다. 상기 에탈론 시스템은 상기 기능층 위에 위치한 액츄에이션층을 더 포함하여, 상기 액츄에이션층의 하나 이상의 영역들이 전기적으로 상기 기능층과 절연된다. 개구 미러 및 상기 후면 미러간 거리는, 상기 액츄에이션층의 하나 이상의 영역들과 상기 기능층 간에 전위차를 인가함으로써 그들간에 정전력을 유발시켜 조절하게 된다. 몇몇 실시 예들에서, 상기 액츄에이션층의 하나 이상의 영역은 서로 실제적으로 전기적으로 절연되어 있는 둘 이상의 영역을 포함한다. 따라서, 상기 액츄에이션층의 둘 이상이 영역(예: 일반적으로 3개 영역 이상) 및 상기 기능층 사이에 다른 전위를 인가하면 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러 간 평형관계를 조절할 수 있게 된다.
대안으로 또는 추가적으로, 몇몇 실시 예들에서, 상기 에탈론 시스템은 상기 후면층의 표면상에 놓여져 배치된 켈빈 전극들을 포함할 수 있다. 따라서, 이 전극들에 전압을 인가함으로써 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러 간에, 또는 상기 후면층과 반대쪽에 위치한 상기 개구 미러 및 상기 액츄에이션층 간에 캘린 편광력(Kelvin polarization force)을 유발시킬 수 있다. 켈빈 전극의 배치는 상기 에탈론의 상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간의 거리/갭과 평행관계를 조절할 수 있도록 되어있다. 켈빈 편광력(Kelvin polarization force)을 증가시키기 위해 상기 개구 미러는 고유전(high K) 유전물질과 연결되거나 포함할 수 있다.
또 다른 대안으로 또는 추가적으로, 몇몇 실시 예들에서, 상기 에탈론 시스템은 상기 서스펜션 구조물과 연결된 압전 액츄에이션 구조물을 포함하여, 압전 액츄에이션 구조물을 통해 전압을 인가하면, 상기 서스펜션 구조물에 의해 매달려 있는 상기 개구 미러와 상기 에탈론의 상기 후면 미러 간에 거리를 조절할 수 있다. 상기 서스펜션 구조물의 다른 부분/플렉셔/스프링에 수 개의 압전 액츄에이션 구조물을 위치하여, 상기 에탈론의 상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간의 평행관계가 조절될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 예들에서, 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼 구조로 제조될 수 있다. 예를 들어 상기 기능층은 SOI 웨이퍼의 박스층(box layer)에 의해 상기 에탈론의 액츄에이션층으로부터 절연될 수 있다.
상기 정전식 액츄에이션이 사용되는 실시 예들에서, 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러 간의 거리/갭 및 평행관계는 액츄에이션층의 둘 이상의 영역들과 상기 기능층 간에 전위차를 인가함으로써 조절될 수 있고, 따라서 그들 간에 정전력을 유발할 수 있으며, 여기서 액츄이션층의 둘 이상의 영역들은 SOI 웨이퍼 구조의 핸들층에 패턴된 트렌치에 의해 서로 실질적으로 절연되어 있다.
몇몇 실시 예들에서, 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은 글래스-온-실리콘(Glass-on-Silicon) 기술로 제조될 수 있다. 상기 기능층은 SOI의 층을 패터닝함으로써 SOI 웨이퍼 구조로부터 제조될 수 있다. 그리고 액츄에이션층은 상기 개구 미러 위에 위치에 형성된 캐비티(cavity)를 갖는 글래스 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 예들에, 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은 풀 글래스(full glass) 구조로 구성될 수 있다. 상기 기능층은 상기 개구 미러를 갖는 상기 서스펜션 구조를 수용/정의하기 위해 패턴된 글래스 기판을 포함한다. 상기 후면층은 상기 기능층의 글래스기판에 부착된 제2 글래스기판을 포함한다. 상기 기능층은 공기밀봉에 의해 제2 글래스기판과 연결된 주변 프레임 영역을 정의하기 위해 패턴될 수 있다.
몇몇 실시 예들에서 상기 글래스 기능층은 상기 주변 프레임 영역 내부에 싸여진 멤브레인 영역을 갖도록 패턴된 연속적인 층의 형태일 수 있다. 상기 멤브레인은 상기 개구 미러를 정의하는 개구 영역을 둘러싼다. 상기 얇은 멤브레인은 상기 개구 미러를 받치는 플렉셔로 구성된다. 또한, 개구 영역을 둘러싸는 상기 얇은 멤브레인은 (공기/습도에) 밀봉될 수 있고, 그래서 상기 기능층 및 상기 후면층 간의 상기 개구 미러를 둘러싸는 공간을 밀봉하게 된다.
다른 대안으로 또는 추가적으로, 상기 글래스 기능층은 상기 주변 프레임 영역을 연결하는 굽힘 빔 스프링 플렉셔(bending beam spring flexure), 및 상기 개구 미러를 포함하며, 상기 굽힘 빔 스프링 플렉셔는 다음 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. (a) 상기 스프링 플렉셔를 형성하기 위한 형상의 상기 기능층의 글래스 기판의 패턴된 영역; 및 (b) 주변 프레임 영역에 연결된 압축응력된 폴리이미드(Pre-stressed polyimide).
본 발명의 다른 면에 따르면, 이미징 시스템은, 다수의 감광의 픽셀을 포함하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서를 향한 광 진행의 광학적 경로에 배치된 본 발명에 따라 구성된 튜너블 MEMS 에탈론을 포함한다.
몇몇 실시 예들에서, 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템의 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러의 폭은 충분히 넓어서 상기 센서의 모든 픽셀로 향하는 광학적 경로에 개구 미러 및 후면 미러가 모두 개재될 수 있다. 또한, 상기 미러들 간의 튜너블 갭, 거리의 최소 거리는 시각적 분광 체계에서 셋 이상 컬러의 순차 컬러 이미징을 수행하기에 적합한 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템의 FWHM 및 FSM 전송 프로파일 특성을 제공할 만큼 충분히 작다.
몇몇 실시 예들에서 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은 기존 RGB 공간의 컬러에 대응하는 분광 컨텐츠를 갖는 광을 이미지 센서로 통과시키기 위해 튜너블되도록 구성 및 동작할 수 있다.
다음에서, 이미징 시스템(예: 순차 분광 이미징 시스템 및/또는 초분광 이미징 시스템)과 통합되는/사용되는 MEMS 에탈론 시스템/디바이스의 동작 원리, 구조 및 제조 과정이 설명된다.
위 고려사항들 때문에 기존 에탈론, 예컨대 광학 통신용 에탈론은 순차 이미징 획득에 적합하지 않다. 일반적으로 기존 에탈론의 협분광 투과율 프로파일 및 작은 자유 분광 영역 때문이다. 다른 한편으로는, 기존 에탈론 구성은, 이미징 응용에 요구되는 상대적으로 넓은 분광 투과 프로파일과 넓은 자유 분광 영역을 갖는 튜너블 에탈론을 만들기에 적합하지 않다. 이는 기존 구성이 에탈론 미러 간 짧은 간격(예: 수십 나노미터)과 상대적으로 넓은 미러의 폭(예: 밀리미터)을 갖는 에탈론에 적합하지 않기 때문이다. 사실, 기존의 튜너블 에탈론을 위한 구성은 미러들을 근접하게 배치할 수 있는 것에 대한 제한성 때문에 제한된 분광 밴드 튜너빌러티를 갖는 에탈론 제작 및/또는 미러 폭과 미러 간격 간의 종횡비가 상대적으로 작은 에탈론 제작에 더 적합하고, 그렇지 않으면 에탈론 미러의 비평형 설정 때문에 중대한 색수차(chromatic aberration)(에탈론의 측면 방향으로의 색 투과율의 변화)가 발생한다.
실로, 에탈론 동작에 대한 일반적 원리들은 잘 알려져 있다. 그러나, 순차 분광 이미징 응용에 사용되는데 장애가 되는 기존 에탈론 구성에 대한 몇 가지 제한 요소들이 있다. 그와 같은 제한 요소 중 하나는 튜닝 범위 및 에탈론 미러들 사이 거리의 분해능(resolution)과 관련 있으며, 이것은 기존의 튜너블 에탈론 설정들에서 제한된다. 아래에서 더 설명되겠지만, 이 이슈는 신규한 액츄에이션 구성을 제공함으로써 본 발명의 특정 실시 예들에서 해결될 수 있다. 기존 에탈론 구성의 다른 제한 요소는 그런 에탈론에 사용되는 하이엔드 액츄에이터(엑츄에이션 메커니즘, 피드백 메커니즘)가 비싸며 대량생산에 적합하지 않다는 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 에탈론은 MEMS에 기초하며, 상대적으로 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.
핵심적인 문제는 왜곡된 투과율 스펙트럼으로 표현되는 되는 제조 편차이다. 그러므로, 합리적인 제조 공정상의 허용 오차를 추산하게 하는 광학기계모델(opto-mechanical model)에 기초하여 개발된 본 발명에 따른 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스의 실시 예들은 광학 왜곡을 수치화하고 그로 인해 얻어진 신호를 교정한다.
여기에 개시된 특허 대상을 잘 이해하기 위해, 실제 어떻게 동작하는지 예를 들기 위해, 도면들을 참조하여 실시 예들이 설명되나, 이 예에 한정되지 않는다.
도 1은 실질적으로 평행한 미러들/반사면들을 포함하는 튜너블 에탈론 디바이스(100)를 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 정전식으로 액츄에이트된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따라 SOI(Silicon-on-Insulator) 기법으로 제조된 액츄에이션 및 기능층을 갖는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템/디바이스를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3a 내지 도 3c의 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 SOI 기법으로 구성되며 개구 미러 틸트의 정전식 액츄에션 제어를 제공하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 시스템/디바이스(500)를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템 및 실리콘-온-글래스(Silicon-on-Glass, SOG) 기법을 이용한 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템 및 실리콘-온-글래스(Silicon-on-Glass, SOG) 기법을 이용한 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템에서 켈빈력에 의해 액츄에이트된 개구 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 두 가지 실시 예들에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스에서 압전 액츄에이션에 의해 액츄에이트된 개구 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 두 가지 실시 예들에 따른 글래스로 만들어진 밀봉된 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 몇 실시 예들에 따라 구성된 두 가지 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 광 경로상에 위치한 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 포함하는 순차 컬러 이미징 시스템의 블럭도이다.
도 1은 실질적으로 평행한 미러들/반사면들을 포함하는 튜너블 에탈론 디바이스(100)를 보여주는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 정전식으로 액츄에이트된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따라 SOI(Silicon-on-Insulator) 기법으로 제조된 액츄에이션 및 기능층을 갖는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템/디바이스를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3a 내지 도 3c의 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 제조하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 SOI 기법으로 구성되며 개구 미러 틸트의 정전식 액츄에션 제어를 제공하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 시스템/디바이스(500)를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템 및 실리콘-온-글래스(Silicon-on-Glass, SOG) 기법을 이용한 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템 및 실리콘-온-글래스(Silicon-on-Glass, SOG) 기법을 이용한 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템에서 켈빈력에 의해 액츄에이트된 개구 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 두 가지 실시 예들에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스에서 압전 액츄에이션에 의해 액츄에이트된 개구 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 두 가지 실시 예들에 따른 글래스로 만들어진 밀봉된 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 몇 실시 예들에 따라 구성된 두 가지 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 광 경로상에 위치한 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 포함하는 순차 컬러 이미징 시스템의 블럭도이다.
도 1은 실질적으로 평행한 미러들/반사면들을 포함하는 튜너블 에탈론 디바이스(100)를 설명하기 위한 도면으로, 미러들/반사면들은 각각 개구 미러(AM) 및 후면 미러(BM)로 도시되어 있다. 미러들은 서로 간에 움직일 수 있어서 그들 간의 갭(gap) 거리 g가 특정 최소 갭 거리(gMn)에서 최대 갭 거리(gMx) 사이에서 조정될 수 있다.
본 발명의 특정 실시 예들에서, 미러들 사이 최소 갭 거리(gMn)는 미러들 사이에 손상을 유발할 수 있는 접촉을 방지하기 위한 스탑퍼에 의해 정의된다.
본 발명의 MEMS 에탈론 시스템/디바이스는 이미징 응용에 적합한 투과율 특성에 의해 설정될 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 MEMS 에탈론 시스템/디바이스는 (예를 들어, 적외선 IR로부터 확장되는; 예를 들어, 근적외선 NIR로부터의) 스펙트럼의 장파장 대역 및 스펙트럼의 단파장 대역의 자외선 및/또는 초자외선(ultra-violet, UV)까지의 넓은 분광 밴드에 대해 튜너블한 광역 동적 필터로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 MEMS 에탈론 시스템/디바이스는 넓은 분광 투과율 프로파일(예를 들어, 사진 촬영/이미징 응용에 적합한 60-120 nm 정도의 스펙트럼 투과율 프로파일의 최대반값폭(full width half maximum, FWHM))을 갖도록 구성될 수 있고, 또한 양호한 컬러 분리를 위해 30nm 정도 또는 그 보다 큰 수준의 연속적 피크 사이에서 상대적으로 넓은 자유 분광 영역을 가질 수 있다.
이미징 응용에 적합하도록 원하는 투과율 특성(분광 투과 밴드, FWHM 및 FSR)을 얻기 위해서, 본 발명의 MEMS 에탈론은 개구 미러가 후면 미러로부터 거리가 gMn 에서 gMx가 되도록 움직일 수 있도록 구성되며, 여기서 최소 갭 거리(gMn)은 수십 나노미터(nm) 또는 그보다 작은 수준일 수 있고, 그들 간의 최대 갭 거리(gMx)는 2 마이크론까지 될 수 있어(예: gMx의 일반적인 값은 300 내지 400 nm 정도) 최소 갭 거리(gMn) 보다 크기가 한 단위 크다. 아래에서 더 설명되겠지만, 본 발명의 다양한 실시 예들에서, 미러 간에 요구되는 작은 최소 갭(gMn) 및/또는 최대 갭 거리와 최소 갭 거리 사이의 큰 비율(gMx/gMn)을 지원하는 다른 액츄에이션 설정이 사용된다.
개구 미러 및 후면 미러의 반사/투과 정도는 원하는 에탈론의 분광 투과율 특성에 따라 선택되고, 일반적으로는 어느 정도 반-반사(semi-reflective) 이다. 본 발명의 몇몇 실시 예에서, 후면 미러와 가능하다면 개구 미러도 글래스 층/기판 위에 형성된 티타늄 옥사이드(Titanium Oxide) 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 어떤 실시 예에서는, 후면 미러는 고정적이고 개구 미러는 후면 미러를 향해 및/또는 후면 미러로부터 움직이도록 설계되어 그들 사이의 갭을 변경시키고, 그로 인해 에탈론의 분광 투과 밴드 프로파일을 조절하게 된다.
본 발명의 몇몇 실시 예에서는, 특히 이미징 응용인 경우에, 미러들(BM, AM)의 측면 차원/폭(A)은 충분히 커서 (예를 들어, 수 백 마이크로미터에서 수 밀리미터까지의 단위 정도) 상대적으로 넓은 복수 픽셀 이미지 센서에 광 경로가 형성될 수 있어야 한다. 반면, 미러간 최소 갭(gMn)은 충분히 작아서(예를 들어, 수십nm) 에탈론의 원하는 분광 투과율 특성을 가질 수 있어야 한다. 이것은, 미러간 광학 캐비티의 큰 종횡비(예: 옆으로 폭 A와 최소 갭 거래 gMn 간)를 만들며, 이는 곧, 에탈론의 폭/측면의 공간적 방향을 따른 색 공간 투과 밴드(chromatic spatial transmission band)의 공간 왜곡을 방지/감소시키기 위해, 미러들 간에 정확한 각 얼라인먼트가 유지되는 것을 요구한다. 이를 위해, 아래 개시될 도 5a 내지 도 5c 및 도 8a 내지 도 9c를 참조하여 개시되는 본 발명의 다양한 실시 예는, 다양한 액츄에이션 기법과 제조기법(정전식 및/또는 다른 기법들)을 사용하며, 이것은 미러들(BM, AM) 간의 각 얼라인먼트를 정확하게 설정할 수 있게 한다.
이를 위해, 본 발명의 넓은 태양에 따르면, 제공되는 MEMS 에탈론 시스템/디바이스는:
- 상기 에탈론의 개구 미러인 제1 미러를 매달기 위한 서스펜션 구조물을 정의하는 기능층;
- 상기 서스펜션 구조물과 연결된 개구 미러; 및
- 상기 에탈론의 후면 미러인 제2 미러를 포함하는 후면층을 포함한다.
MEMS 에탈론 시스템/디바이스는 또한 개구 미러에 연결/부착된 MEMS 액츄에이션 매커니즘을 포함한다. MEMS 액츄에이터는 개구 미러를 제어가능한 방법으로 이동시킬 수 있으며, 개구 미러와 후면 미러 간의 갭 거리(및 그에 따른 광학 캐비티)를 변경할 수 있고, 따라서 에탈론 디바이스의 튜너블 분광 필터링 기능을 제공한다.
본 발명에서, 디바이스에 대한 여러 아키텍쳐와 액츄에이션 패러다임이 개시된다. 아래의 모든 실시 예들의 공통적 특징은 개구 미러가 MEMS 액츄에이션 조립체에 부착되어 있다는 점이다. MEMS 액츄에이터를 사용하는 것은 저비용으로 시스템의 대량생산을 가능하게 하고, 소비자 가전 제품들에 구현되기 적합하도록 한다.
도 2a 및 도 2b는, 예시적인 방법으로, 본 발명의 실시 예에 따른 정전식으로 액츄에이트되는 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스(200)를 개략적으로 도시한다. 본 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스(200)는 인접한 갭 전극(평행 전극판)에 의해 동작된다. 이 디바이스는 액츄에이션층/기판(AL), 개구 미러(AM)가 부착된 마운팅 링/프레임(MF)을 매달기 위한 서스펜션 구조물을 정의하는 기능층(FL) 및 에탈론(200)의 후면 미러(BM)를 포함한다.
개구 미러(AM)가 부착되어 있는 기능층(FL)은 후면층(BL) 위에 위치하고, 후면층은 후면층으로부터 개구 미러를 향해 돌출된 스페이서 구조물(스탑퍼)(ST)을 포함하되, 스페이서 구조물은 개구 미러(AM) 및 후면 미러(BM) 사이의 접촉을 방지하고, 이 예시에서는 미러들 사이의 기 설정된 최소 갭 거리(gMn)를 유지한다.
서스펜션 구조물(SS)은 일반적으로 개구 미러(AM) 및/또는 개구 미러(AM)의 마운팅 프레임/링(MF)을 지탱하기 위한 플렉셔(flexure)를 포함한다. 플렉셔는, 예를 들어 벤딩 스프링 또는 꼬여진 스프링 또는 그 스프링들의 조합 또는 개구 미러를 지탱하기 위해 채택된 얇은 도넛모양의 멤브레인의 형태로 패턴된 기능층의 일 영역일 수 있다. 이 예에서 서스펜션 구조물(SS)은 마운팅 링(MF)을 기능층(FL)의 앵커에 부착하는 여러 개의 서스펜션 스피링/플렉셔를 포함한다. 캐비티/윈도우(W)는 광이 그것을 통과하도록 액츄에이션 기판(AL)안에 제공된다.
본 예시에서, 정전식 액츄에이션이 사용된다. 다음에서 정전식 액츄에이션이라는 용어는 "근접한 갭"의 정전식 액츄에이션을 나타내기 위해 사용되는데, 이것은 기능층(FL)(예: 개구 미러(AM)를 이동시키는 마운팅 링/프레임(MF))의 하나 이상의 영역들(예: 전극들)로부터 전기적으로 절연된 액츄에이션층/기판(AL)의 하나 이상의 영역들(예: 전극들 (EL)) 간의 평행 판 정전력에 의해 제공된다. 액츄에이션층은 기능층과 전기적으로 절연되고, 전극들(EL)은 액츄에이션과 기능층들 자체의 영역들 또는 그것에 연결된 금속판의 영역들일 수 있다.
이 예시에서, 액츄에이션층(AL)은 기능층 위에, 후면 미러(BL)의 반대쪽에 위치한다. 따라서, 본 발명의 몇몇 실시 예들에 따르면, 정전식 액츄에이션은 개구 미러(AM)의 마운팅 링/프레임(MF)의 하나 이상의 영역들과 액츄에이션 기판의 하나 이상의 영역들 사이에 전압을 인가함으로써 수행되며, 액츄에이션 기판은 개구 미러 및 후면 미러 간 갭(g)을 정의하는 광학 캐비티(OC)의 반대쪽에 위치한다. 이는 미러들(MF, BL)을 지탱하는 층들 간에 정전력이 인가되는 경우에 비해, 미러들 간의 거리를 보다 더 잘 지킬 수 있게 한다.
도 2a에 도시된 초기 액츄에이트되지 않은 구성에서, 개구 미러는 후면 미러(BM)와 근접하게 위치한다. 정밀한 최소 갭 거리(gMN)는 이동 제한기(스탑퍼, ST)에 의해 정의된다. 스탑퍼(ST)의 추가적 기능은 외부 충격 또는 진동에 의해 개구 미러가 원하지 않게 이동하는 것을 방지하는 것이다.
도 2b에 도시된 액츄에이트 상태에서, 마운팅 링(MF)과 개구 미러(AM)는 후면 미러(BM)로부터 멀리 위치하게 된다. 이는 액츄에이팅 전극으로 작용하는 액츄에이션 기판(AL)의 하나 이상의 영역들/전극들(EL)과 마운팅 링(MF)의 하나 이상의 영역들(EL) 사이에 전압(V)을 인가함으로써 획득 된다.
몇몇 실시 예들에서 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 아래에 더 설명되듯이, 액츄에이션층(AL)의 하나 이상의 영역들/전극들(EL)은 실질적으로 서로 간에 전기적으로 절연된 둘 이상의 영역들을 포함한다. 그에 따라, 액츄에이션층(AL)의 둘 이상의 영역들과 기능층(FL) 사이에 다른 전위를 인가하면 개구 미러(AM)와 후면 미러(BM) 간의 평행관계를 조절할 수 있게 된다. 예를 들어, 액츄에이션층(AL)의 둘 이상의 영역들(EL)은 개구 미러와 후면 미러 간의 평행관계가 2개 축들에 대하여 2 차원적으로 조절되도록 배치된, 적어도 3개 영역들을 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 어떤 실시 예들에 따라, (예를 들어, SOI 웨이퍼 구조로부터) 실리콘-온-절연체(Silicon-on-Insulator, SOI) 기법에 의해 제조되는 액츄에이션 및 기능 층들(AL 및 FL)을 포함하는 MEMS 에탈론 시스템/디바이스(300)의 개략적인 도면이다. SOI 웨이퍼 구조는:
- 실리콘(Si) 물질/기판을 포함하는 핸들 층(HANDLE);
- 상기 디바이스와 상기 핸들층 사이를 전기적으로 절연하는 절연 물질(도 3a 내지 도 3c에는 미도시)인 매립된 실리콘 다이옥사이드(buried silicon dioxide, BOX) 층; 및
- 실리콘(Si) 물질/기판을 포함하는 디바이스 층(DEVICE)을 포함한다.
MEMS 에탈론의 기능층(FL)은 SOI 웨이퍼의 디바이스층(DEVICE)을 패터닝하고, MEMS 기능층(FL)의 서스펜션 구조물(SS)의 마운팅 프레임(MF) 및 플렉셔를 분리하기 위한 BOX 층의 몇 영역들을 릴리징함으로써 생성된다.
가능한 구성중 하나로, 마운팅 링(MF)과, 유연한 벤더 또는 비틀림 스프링으로 구현되는 서스펜션 스프링(SS)이 SOI 웨이퍼의 디바이스 층 위에 형성되며, 그 동안 기판은 웨이퍼의 핸들 층이다.
도 3a 내지 도 3c의 실시 예에 따른 MEMS 에탈론 시스템/디바이스(300)의 특정 구성 요소들은 도면에서 자명하게 설명되고 있어서(도 1 및 도 2a 및 도 2b에 사용된 도면 부호와 동일한 부호 사용), 여기에 추가 상세 설명은 하지 않는다.
도 3a에 도시된 디바이스의 다양한 구현들에서, 개구 미러를 지탱하는 마운팅 프레임(MF)이 다른 기법들, 예컨대 정전식 액츄에이션(도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명된 바와 같이) 및/또는 압전 액츄에이션(도 9a 내지 도 9c를 참조하여 설명된 바와 같이), 및/또는 켈빈력 액츄에이션(도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명된 바와 같이) 기법으로 액츄에이트된다.
정전식 액츄에이션은 단순함, 저전력 소비, 전극물질 선택에 있어서의 유연함 및 제조 공정에서 넓은 호환성때문에, MEMS 디바이스에서 가장 널리 사용되는 것 중 하나이다. 정전식 액츄에이션이 사용된 도 3a 내지 도 3c의 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스의 예로, MEMS 에탈론 시스템(300)의 액츄에이션층(AL)은 SOI 웨이퍼의 핸들층(HANDLE)을 패터닝하고, 기능층(FL)의 서스펜션 구조물(SS)의 마운팅 프레임(MF) 및 플렉셔를 릴리즈하기 위해 액츄에이션층(AL) 및 기능층(FL) 사이의 BOX 층의 몇몇 영역을 제거함으로써 형성된다. 액츄에이션층(AL)은 기능층(FL) 위에 위치하며(Z축을 기준으로), 그들 사이에 남겨진 BOX 층의 영역에 의하여 기능층(FL)으로부터 절연된다. 액츄에이션층(AL) 및 기능층(FL)은 액츄에이팅시키기 위해, 마운팅 프레임(MF) 상에 정전력을 인가하기 위하여 전압이 인가될 수 있는 전극들을 포함하거나 전극들로 작용할 수 있다.
정전식 액츄에이션의 중요한 문제점중 하나는 이른바 풀-인 불안정성(pull-in instability)이 존재한다는 것이며, 이는 고정 전극(예를 들어, 액츄에이션층(AL)) 쪽으로 접근하는 전극(예를 들어, 여기에서는 기능층(FL)의 마운팅 프레임(MF))의 안정적 편차 길이를 그들 사이 초기 갭의 1/3로 제한한다. 순차 이미징 응용에서 요구되는 안정적 모션 범위는 gMx가 300 내지 400 nm 단위 정도인 반면, 최소 요구되는 갭 거리(gMn)은 수십 nm이다. 그 결과, 요구되는 안정적 편차는 초기 갭의 1/3보다 훨씬 더 크며, 근접한 갭 전극에 의한(즉, 미러들 사이의 광학 캐비티(OC) 내부에 위치한 전극에 의한) 후면 미러 쪽으로의 직접적인 액츄에이션은 가능하지 않다. 도 2a, 도 2b 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 튜너블 MEMS 에탈론 시스템/디바이스(200)의 정전식 구성은 추가적인 평명/층인 핸들/기판 층(HANDLE)을 사용함으로써 이러한 문제를 극복하는데, 핸들/기판 층(HANDLE)은 광학 캐비티의 높이를 증가시켜 후면 미러로부터 개구 미러를 잡아당기기 위한 액츄에이팅 전극으로 동작하거나 포함하는 액츄에이션층(AL) 으로 사용된다. 이를 위해 (기존 디바이스들의 일부에서 후면 미러 층(BL)이 정전식 전극으로 사용되는 것 대신에) 액츄에이션층(AL)이 전극으로 사용된다.
그래서, 본 발명의 정전식 액츄에이션 구성에서, 핸들층(HANDLE) 및 마운팅 링/프레임(MF) 간의 초기 갭은 개구 미러(AM)의 요구되는 최대 갭(gMx) 보다 훨씬 (적어도 4~5배) 크다. 그러므로, gMn부터 gMx까지의 범위 내의 개구 미러의 편차는 액츄에이터의 안정적 범위에 있게 되고, 풀-인 불안정성은 제거된다.
튜너블 에탈론 MEMS 디바이스, 예를 들어 도 2 내지 도 3c에 도시된 디바이스(200, 300)와 같은 디바이스의, SOI 기술에 의한, 가능한 제조 공정은 도 4a 내지 도 4d를 통해 자명하게 설명된다. 명확하게 하기 위해, 튜너블 MEMS 디바이스의 개구 미러의 정전식 액츄에이션은 도면들에 설명되어 있다. 이 도면들에 설명된 제조 공정의 간략한 설명은 다음과 같이 제시된다:
도 4a는 SOI 웨이퍼의 디바이스층 및 핸들층으로부터 각각 기능층 및 액츄에이션층를 제조하는 SOI 제조 공정을 설명한다. (a)에서 실리콘으로부터 핸들층, 박스층 및 디바이스층을 포함하는 SOI 웨이퍼가 제공된다. (b)에서 서스펜션 구조물(SS) 및 마운팅 프레임/링(MF)을 정의하기 위해 디바이스층이 패터닝된다(예: 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE)). (c)에서, 액츄에이션 기판(AL)을 통해 광 전송이 이루어지도록 하는 캐비티/윈도우(W) 및 디바이스층의 뒷면에 컨택 패드를 위한 핸들층에서의 개구부를 정의하기 위해 핸들층이 패터닝된다(예: DRIE에 의해). (d)에서, 서스펜션 구조물(SS) 및 마운팅 프레임/링(MF) 영역 이 액츄에이션 기판(AL)로부터 릴리즈되도록 BOX 층의 영역들이 제거된다.
도 4b는 개구 미러(AM)의 제조 공정을 나타낸다. (e)에서 반투과 미러(예: 증착된 광학 티타늄 옥사이드 층을 갖음)가 일시적으로 케리어 기판에 부착되어 제공된다. 예를 들어, 반투과 미러는 케리어 글래스 기판의 최상부에 코팅(예: 200μm 두께)된 글래스 층을 포함한다. (f)에서, 반투과 미러(예: 글래스)는 개구 미러(AM)를 정의하기 위해, 또한 가능하다면 후면 미러(BL) 및 기능층(FL) 사이에 공간을 두기 위한, 나중에 사용되는 측부 스페이서(SR)를 정의하기 위해(도 4d의 (l) 단계 참조) 패턴/절삭된다. 대안으로, 또는 추가적으로, 몇몇 경우에 기성품 글래스(off-the-shelf processed glass)가 개구 미러를 위해 사용될 수 있다.
도 4c는 후면층(BL) 및 후면 미러(BM)의 제조공정을 나타낸다. (g)에서, 시작 기판(예: 글래스 기판/웨이퍼)이 제공된다. (h)에서 후면층(예: 티타늄 옥사이드층 TiO2)이 시작 기판 상에 놓여진다. (i)에서, 스탑퍼(ST)(예: 앞에서 스페이서/변형 제한기로 언급됨)가 후면 미러(BM) 영역 밖의 후면층(BL)의 주변 영역에 위치한다(예: 후면층의 측부 또는 최상부에 놓여진다.). 스탑퍼(ST)는 정확하게 두께를 제어하고 요구되는 차원으로 패터닝하기 위해, 예컨대 원자증착기술(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 배치될 수 있다. (j)에서, 시작 기판의 표면이 주변 영역(PHR)에서 애칭되어 후면 미러(BM) 영역 밖의 후면층(BL)와 스탑퍼(ST)를 둘러사는 주변 영역(PHR)을 낮춰, 주변 캐비티를 정의한다. 주변 캐비티는 본딩되는 영역과 미러 표면 간 높이 차이를 만들기 위해 요구되며, 본딩 후 스프링에 작은 초기 스트레스를 주기 위해 사용된다. 또한 솔더 물질/패드(SDR)은 애칭된 영역위에 올려진다.
도 4d는, 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(예컨대 도면부호 300)을 만들기 위해, 도 4b에서 제조된 개구 미러(AM) 및 도 4c에서 제조된 후면층(BL)이 도 4a에서 제조된 기능층의 양측면으로부터 연결되는 조립체 공정을 설명한다. (k)에서, 도 4b에서 제조된 개구 미러(AM)의 글래스층이 기능층(FL)의 마운팅 프레임에 붙여지고, 개구 미러의 글래스 층의 케리어 기판이 제거된다. (l)에서 뒷면의 메탈 컨택 패드(BCP)가 기능층(FL)의 뒷면에 붙여지고(예: 섀도우 마스크에 의해), 기능층은 솔더(SDR)를 통해 후면 미러층(BL)에 붙여진다.
후면 미러(BM)와 스탑퍼(ST)를 둘러싸는 주변영역(PHR)에서 낮아진 주변 캐비티 때문에, 주변 캐비티를 정의하기 위해 조립 공정동안 (i) 스텝에서 서스펜션 구(SS)(예: 스프링/멤브레인)는 기 로드되며, 스페이서/스탑퍼(ST)를 누르게 된다. 따라서, 튜너블 MEMS 디바이스(도 2a에 예가 도시된 바와 같이) 액츄에이트 되지 않은 "off" 상태에서, 서스펜션 구조물(SS)의 스프링/멤브레인이 스탑퍼(ST)에 닿고 개구 미러와 후면 미러 간의 갭이 최소 갭이 된다. "Z" 방향으로 개구 미러(AM)의 정전식 액츄에이션은 기능층(FL)과 핸들/액츄에이션층(FL)을 액츄에이팅 전극으로 사용하고, 그들 간에 전압을 연결함으로써(예: 전압원을 컨택 패드 CP, BCP에 연결) 이루어진다.
다양한 기술들이 도 4d의 (k)와 (i) 스텝에 설명된 디바이스 요소들을 부착/본딩하는데 사용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 양극 산화 본딩(anodic bonding), 직접 본딩(direct bonding), 공정 본딩(eutectic bonding), 및/또는 접착 본딩(adhesive bonding)일 수 있다. 특히, 도 4d의 특정 예에서 (k) 동안, 개구 미러(AM) 글래스를 마운팅 프레임/링(MF)에 착하는 것은 양극 산화 본딩으로 이루어질 수 있으며, 기능층(FL)을 후면 미러 층(BL)과 부착하는 것은 공정 본딩에 의할 수 있다.
위에서 설명되었듯이, 정확한 순차 색상 이미징 응용을 위해, 에탈론의 공간/측면 색 수차를 줄이거나 제거하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 필요 조건 중 하나는, 개구 미러(AM)가 후면 미러(BM)에 비해 높은 각 얼라인먼트(예: 평행)가 되도록 위치될 수 있다는 것이다. 이것은 종횡비(예: 미러들의 측면 차원/폭 과 그들간의 최소 갭 거리(gMn))가 큰 경우(예: 종횡비 500 보다 큰 경우)에 특히 중요하다.
예를 들어, 본 발명의 어떤 실시 예들에서, 디바이스는 액츄에이션층(AL) 상에 제조된 복수 전극 영역들의 배열을 포함하여, 개구 미러가 Z 방향을 따른 위-아래의 자유도(degree of freedom, DOF)로 액츄에이트될 수 있고, 또한 틸트될 수 있다(예: X 및 Y의 2개 축에 대하여). 그래서 추가적인 각 자유도를 갖게 되고, 개구 미러(AM) 및 후면 미러(BM) 사이의 각 얼라인먼트를 조절할 수 있게 된다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각, 본 발명의 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 시스템/디바이스(500)의 2개의 측면도로서, 도 3a 내지 도 4d를 참조하여 설명한 SOI 기술이 적용된 것을 자세히 설명한다.
이 실시 예에서, SOI 웨이퍼의 핸들층으로부터 만들어진 액츄에이션층(AL)은 BOX 층에 의해 기능층과 절연된다. 액츄에이션층(AL)에서, SOI 웨이퍼의 핸들층으로부터 만들어진 복수(둘 이상) 전극 영역들(EL)은 핸들층 안에 트렌치(TR)를 패터닝함으로써 정의된다. 하나 이상의 전극 영역들(일반적으로 4개 영역)은 핸들층 안에 트렌치들에 의해 서로간에 절연된다. 따라서, 개구 미러(AM) 및 후면 미러(BM) 간의 거리 갭과, 개구 미러(AM)의 틸트 역시, 액츄에이션층(AL) 및 기능층(FL)의 둘 이상의 전기적 영역들(EL) 간에 전위차를 인가함으로써 조절된다.
도 4a 내지 도 4d에 설명된 SOI에 기초한 제조 공정에 따라 본 예시의 디바이스가 제조되었다. 튜너블 에탈론 시스템/디바이스(500)는 SOI 웨이퍼의 핸들층으로부터 만들어진 복수(4개) 전극 영역(EL)을 포함한다. 절연 트렌치(들)은 SOI 웨이퍼의 핸들층 안으로 에칭되어(깊은 반응성 이온 에칭에 의해), 전극들(EL) 간에 전기적 절연을 제공한다. 에칭은 SOI 웨이퍼의 절연 BOX 층에서 멈춰진다. 따라, 핸들층의 전극 영역들(EL)은 전기적으로 절연되면서, SOI의 BOX층에 의해 그것에 부착되어 있기 때문에, 기계적으로는 SOI 웨이퍼의 디바이스층과 연결된다.
이 예시에서, "가드 링" 구조(GR)은 SOI의 핸들층 상에 제조/제공된다. "가드 링" 구조는 전극 영역들(EL)을 둘러싸며 기계적 손상, 다이싱 공정동안 사용되는 유체로부터 손상되는 것을 막는다. 전극들은, 도 4d의 (i) 스텝에서 설명된, SOI의 핸들층의 후면상의 전극 영역에 형성된 후면 컨택 패드(BCP)와 유사하게 컨택 패드를 이용하여 와이어 연결된다.
도 6a은 본 발명에 따른 다른 실시 예에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템(600)을 나타낸다. 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(500) 및 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스/시스템(600)에서, 정전식 액츄에이션은 개구 미러(AM)의 갭 위치(위-아래 이동)과 그것의 틸트를 제어하는데 사용되어, 후면 미러(BM)에 대한 개구 미러(AM)의 평행관계를 제어하도록 한다.
이 예에서, 튜너블 에탈론 디바이스는 실리콘-온-글래스(Silicon-on-Glass, SOG) 기술을 이용하여 제조될 수 있다. SOG 기술은 예컨대 [2] [3]에 설명된 기술이다.
이를 위해, 이 예에서 액츄에이션층(AL)은 SOI 구조의 핸들층으로부터 만들어지는 대신, 도 3a 내지 도 5c에 설명된 예시와 같이, 글래스 기판으로부터 만들어진다. 더욱 상세하게는, 액츄에이션층(AL)의 글래스 기판은 개구 미러(AM) 위의 위치에서 캐비티를 그 위에 형성하기 위해 패턴된다. 하나 이상의 전극들은 전원과 연결하기 위해 액츄에이션층(AL)의 캐비티 안의 하나 이상의 영역에 형성된다. 기능층(FL)은 SOI 웨이퍼의 실리콘 다바이스층 상에 형성되며, 여기서, SOI 웨이퍼는 실리콘 디바이스층, BOX 층 및 실리콘 핸들층을 포함한다. 기능층(FL)은 유연한 지지 구조(SS)와, 개구 미러(AM)를 이동하는 마운팅 프레임(MF)상에 형성된다. SOI의 핸들층은 그 안에 개구 윈도우를 정의하기 위해 패턴되며, 이것은 개구 미러와 후면 미러 사이에 광 경로를 만들어 준다. SOI의 핸들층(그리고 가능하게는 BOX 층) 측부가 기능층과 후면층(FL, BL) 사이에 측부 경사 공간(SR)로 작용한다.
여기서, 둘 이상의 전극(EL)은, 일반적으로는 4개 메탈 패드는, 글래스 액츄에이션층(AL) 상에 형성된다 (예: 메탈 리프트 오프에 의해). 또한 컨택 패드(CP)는 기능층(FL)의 실리콘 기판 상에 형성된다(예: 액츄에이션층(AL)의 글래스층 안에 만들어진 비아를 통해). 도 5a 내지 도 5c의 실시 예들에서, 둘 이상의 전극들(EL) 및 컨택 패드(CP) 간에 전압을 인가하는 것은, 개구 미러(AM)의 갭 위치(위-아래 이동) 및 개구 미러(AM)의 틸트를 제어하는데 이용되는 정전식 액츄에이션을 제공한다.
도 6b 내지 도 6e는 도 6a에 설명된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스를 제조하는데 이용될 수 있는 공정 흐름의 예를 상세히 설명하기 위한 도면으로, 액츄에이션 전극들(EL)은 글래스 웨이퍼 상에 액츄에이션 전극들(EL)이 형성되어 있다. 글래스 액츄에이션층(AL) 및 글래스 후면층(BL)은 양극 산화 본딩에 의해 MEMS 기능층(FL)에 연결된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스(700)가 도 7a에 도시되어 있다. 이 예에서, 튜너블 에탈론 디바이스(700)는 MEMS 기능층(FL)을, 위에서부터 그리고 밑으로부터 후면층(BL)으로 액츄에이션층(AL)을 연결하기 위해, 실리콘-온-글래스(Silicon-on-glass, SOG) 기술 및 더블 양극 산화 본딩(double anodic bonding)이 사용된다. 액츄에이션층(AL) 은 도 6a에서와 유사하게, 글래스 기판으로부터, 액츄에이션층(AL)의 글래스 기판 내 만들어진 캐비티 안에 하나 이상의 영역에 배치된 금속 전극들(EL)과 함께, 그리고 전원을 연결하기 위한 전기적 연결과 함께 구성된다.
기능층(FL)은 SOI 웨이퍼의 실리콘 디바이스층에 형성된다. 기능층(FL)은 유연한 지지 구조(SS) 및 개구 미러(AM)가 위치하는 마운팅 프레임(MF)을 정의하기 위해 패턴된다(예: 픽-앤-플레이스(Pick-and-Place) 기술에 의해). 마운팅 프레임(MF) (실리콘 물질)은 기능층(FL)의 전극 기능을 한다. 따라서 개구 미러(AM)의 틸트와, 개구 미러(AM) 및 후면 미러 간의 갭은 기능층(FL)과 하나 이상의 영역들/전극들(EL) 사이에 전위차를 인가함으로써 조절된다.
SOI의 핸들층(그리고 가능하다면 BOX층)은 제거된다(예: 그라인딩, 에칭 및/또는 화학적 기계적 폴리싱). 기능층(FL) 및 후면층(BL)은 글래스 스페이서(측부 스페이서)(SR)에 의해 서로 분리되어 있고, 글래스 스페이서(측부 스페이서)(SR)는 글래스 후면층(BL)과 기능층(FL) 사이에서 양극 산화 본딩에 의해 기능층(FL)에 연결되어 있다. 글래스 액츄에이션층(AL)과 기능층(FL)은 양극 산화 본딩을 통해 서로 연결된다. 도 7b 내지 도 7e는 도 7a에 도시된 튜너블 MEMS 디바이스(700)를 제조하는데 사용될 수 있는 공정 흐름의 예를 보여준다.
도 6a 및 도 7a에 도시된 튜너블 MEMS 디바이스의 구성은 웨이퍼 레벨 실링 및 패키징과 호환된다. 다시 말해서, 디바이스층(예: 액츄에이션층(AL), 기능층(FL) 및 후면층(BL))은 웨이퍼 레벨에서 본딩되고, 본딩은 디바이스의 움직이는 부분(예: 기능층(FL))을 가두는 실링된 체적(volume)을 정의한다. 이런 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스가 실링되는 경우에, 글래스 비아를 통해서 실링된 체적 내부에 위치한 전극들과 외부 컨택 패드들 간에 전기적 컨택이 제공되도록 제조되어야 한다.
도 4a 내지 도 7e에는 디바이스의 액츄에이션층(AL)의 영역에 위치한 평행판 전극과 마운팅 프레임(MF)에 정전식 액츄에이션을 사용하는 실시 예에 따른 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스가 설명되어 잇다. 위에서 언급했듯이, 이 실시 예들의 공통적 특징은 평행판 정전식 액츄에이션이 MEMS 기능층(FL)의 마운팅 프레임(MF)(그 위에 개구 미러(AM)가 놓여진)과 후면층(BL)(그 위에 후면 미러(BM)가 놓여진) 사이에서 동작하는 것이 아니라, 대신에 평행판 전극(EL)이 별도 층, 마운팅 프레임(MF)에 대하여 후면층(BL)으로부터 반대쪽에 위치한 액츄에이션층(AL) 상에 배치된다. 이것은 미러들(AM, BM) 간에 최소 갭 거리(gMn)가 평행판 전극이 에탈론의 두 미러들 평면 상에 위치하는 경우보다 더 작도록 한다. 또한, 모든 실시 예에서 스탑퍼(ST)는 후면층(BL) 및 개구 미러(AM)를 갖는 마운팅 프레임(MF)를 수용하는 서스펜션 구조물(상에 배치되어, 액츄에이트되지 않은 상태에서 마운팅 프레임(MF) 및/또는 개구 미러(AM)가 스탑퍼(ST)에 닿게 되고, 그로인해 후면 미러(BM)로부터 최소 갭 거리(gMn)가 되도록 배치된다.
개구 미러(AM)에 평행판 정전력을 인가하는 방식에 기초한 디바이스 설계의 주요 어려운 점 중 하나는, 개구 미러(AM)가 유전층으로 만들어진다는 것이다. 정전식으로 액츄에이트되기 위해, 도전성 구조/요소(예: 도전선 마운팅 프레임(MF) 및/또는 개구 미러 상에 배치되는 도전성(예: 메탈)층)가 개구 미러(AM)에 연결되어야 한다. 추가로, 이 층은 전압원에 연결되어야 하고, 이것이 이동가능한 개구 미러에는 어려운 점이다. 이것은 위에서 설명한 실시 예들에서 SOI 웨이퍼의 Si 층 내부에 패턴된 마운팅 프레임 상에 개구 미러를 위치시킴으로써 해결된다.
본 발명에서 사용될 수 있는 개구 미러(AM)를 액츄에이팅하는 다른 방법은 켈빈 분극력(Kelvin polarization force) (예: [4] [5] 및 그 내부의 참조문헌들 참조)을 이용하는 것이다. 예컨대 글래스로 만들어진 개구 미러(AM) 같은 유전체에 작용하는 켈빈 분극력은 개구 미러에 연결된 추가적인 도전성 구조를 요하지 않는다.
켈빈 분극력은 균일하지 않은 전기장 내에 위치하는 유전체에 작용하는 정전력이다. 이 힘은 전기장의 기울기(gradient)에 따른 방향으로(낮은 전기장에서 높은 전기장 방향으로) 유전체에 인가된다.
개구 미러를 액츄에이팅시키기 위해 켈빈 분극력을 이용하는 이점은, 평행판 정전식 액츄에이션과는 달리, 유전체와 전극들 간 컨택이 전기적 쇼트를 유발하지 않는다는 점이다. 켈빈력은 전극들을 적절히 위치시킴으로써 광범위하게 적용될 수 있다. 더불어, 풀-인 불안정성에 덜 취약하며, 전극들의 구성을 적절히 설계하면 넓은 안정적 이동 범위를 제공할 수 있다. 따라서, 개구 미러에 켈빈 분극력을 인가하기 위한 전극들은 후면층(BL)(예: 후면 미러(BM) 상에 또는 그것을 둘러쌈) 또는 후면 액츄에이션층 상에 배치될 수 있다.
개구 미러가 켈빈력에 의해 액츄에트된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스(800)의 본 발명에 따른 실시 예가 도 8a 내지 도 8c에 설명되어 있다.
일반적으로, 도 8a 내지 도 8c는 개구 미러(AM)와 평행한 평면(예컨대 후면층(BL)의 평면) 상에 켈빈력 전극들(KFL)을 배치함으로써 개구 미러(AM)를 액츄에이션하는 원리를 보여준다. 이 원리들은 다음에서 더 상세히 설명된다. 그런 이유로, 당업자는, 켈빈력에 의해 개구 미러(AM)의 액츄에이션을 가능하게 하기 위해, 위에서 설명된 도 3a 내지 도 7e의 모든 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스에서 개구 미러(AM)에 평행한 평면 상에 켈빈력 전극(KFL)을 구현하는 방법을 쉽게 이해할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 8a를 보면 평면(예로 후면층(BL) 상의 예시적인 켈빈력 전극(KFL) 배치가 도시되어 있다.
켈빈력 액츄에이션 접근의 구조에서, 전극들/도전성 요소들은 개구 미러(AM)와 연결되거나 그 위에 형성될 필요가 없다. 대신에, 다수 전극들 쌍을 포함하는 전극 배치(KFL)가 개구 미러(AM)과 실실적으로 평행한 평면에 형성된다. 각 쌍의 두 전극들은 다른 두 개의 전압에 연결된다. 이 방식은 도 8b에 도시되어 있다. 전압 차이가 각 인접한 전극들 간에 인가된다. 켈빈력은 기판을 향하는 방향으로 작용하며, 전압의 제곱 및 개구 미러(AM) 물질의 유전 상수에 비례한다.
몇몇 실시 예들에서, 켈빈력을 증가시키기 위해, 액츄에이트되는(움직이는) 부분(예: 개구 미러(AM) 및/또는 서스펜션 구조물(SS) 같이 그것에 연결되는 요소들)은 고유전 상수(소위 high k dielectrics)를 갖는 층에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, 개구 미러는 다음의 물질 중 어떤 것과 연결되거나 어떤 것에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, hafnium oxide(k=25), titanium dioxide(k=50) 또는 PbMgNbO3+PbTiO3 (k=22,000)이다. 고유전 물질을 사용하면, 켈빈력 특성을 유전 상수의 값까지 증가시킬 수 있다. 우리는, 고유전 물질을 증착하는 것이 추가적인 공정 스텝을 요구하지만, 전압원에 움직이는 부분을 연결할 필요성이 제거되는 이점이 있다는 것을 강조한다.
켈빈력을 이용하는 방식에 몇 가지 이점이 있다. 하나는 개구 미러(AM) 및 전극들(이 경우에 개구 미러가 유전체이기 때문에) 사이의 컨택 때문에 전기적 쇼트가 발생할 수 있는 가능성을 제거한다. 또한, 이 실시 예들에서, 켈빈력이 개구 미러의 유전체에 작용하기 때문에, 큰 마운팅 프레임(MF)을 사용할 필요가 없게 된다(추가적인 전극 면적이 필요하지 않기 때문).
이 방식은 후면 미러를 향한 방향 또는 위 방향으로 개구 미러를 액츄에이션하기 위해 사용될 수 있다. 미러의 DOF 틸트를 제어하기 위해, 전극 그룹은 세 개 이상의 섹터 모양의 세그먼트로 세분화되고, 각 세그먼트는 전압원과 독립적으로 연결될 수 있다(도 8c 참조).
정전식 평행판 전극들 및 켈빈력 전극들에 의해 액츄에이션되는 것 이외에, 다른 가능한 개구 미러(AM)의 액츄에이션 구성은 압전 액츄에이션에 의할 수 있다. 이런 관점에서, 도 3a 내지 도 7e에서 설명된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스의 액츄에이션 실시 예들은 압전층을 이용하여 구현될 수 있다. 압전 액츄에이션으로 구현되는 실시 예들에서, 도 4a 내지 도 7e에 도시된 액츄에이션층(AL)은 불필요하여 제거될 수 있다.
예를 들어, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따라 압전 액츄에이션이 적용된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스(900A 및 900B)의 측면을 나타내는 도면이다. 이 예들에서, 디바이스 900A 및 900B는, 도 4a 내지 도 7e를 참조하여 설명한 디바이스(400, 500, 600 및 700)의 기능층(FL) 및 후면층(BL)과 유사한 기능층(FL) 및 후면층(BL)을 포함한다. 그러나, 이 경우 전극들(EL)을 갖는 액츄에이션층(AL)은 필요 하지 않고, 그러므로 이 도면들에서는 도시되지 않았다. 대신에, 압전 액츄에이터(PZA)(본 문서에서는 압전 액츄에이션 구조물로 불릴 수 있다.)는 지지 구조(SS)의 플렉셔(FLX)에 연결된다. 이 예에서, 압전 액츄에이터(PZA)들은 바이몰프(Bi-morph) 설정에서 플렉셔(FLX)들과 각각 연결되고, 그에 따라 그 곳의 압전 물질에 전압을 인가하면, 압전 물질을 수축 및/또는 추출(contracts and/or extracts)하고 그 결과 (서스펜션 구조를 변형하며) 플렉셔를 구부리고, 후면 미러(BM)를 향하여 및/또는 그쪽으로부터 개구 미러(AM)를 액츄에이팅한다. 이것은 개구 미러(AM)와 후면 미러(BM) 사이의 거리를 조절하도록 한다.
예시된 디바이스(900A 및 900B)는, 디바이스(900A)에서 플렉셔(FLX)는 스프링/벤딩빔 형태이고(도 9c의 디바이스(900A)의 MEMS 기능층(FL) 설명 참조), 디바이스(900B)에서, 플렉셔(FLX)는 마운팅 프레임(MF)을 둘러싸는 멤브레인 형태이다. 스프링/벤딩핌 타입의 플렉셔는 상대적으로 낮은 강성(stiffness)을 갖고 상대적으로 낮은 전압으로 액츄에이트되기 때문에 이롭다. 추가로, 빔타입 구조를 사용하는 것은 디바이스의 풋프린트가 더 작게 된다. 다시 말해서, 구성되는 멤브레인은, 높은 강성과 풋프린트를 위한 큰 전압을 요구하는 반면, 동일 구조가 서스펜션과 실링층으로 동시에 사용되는 이점이 있다.
이 실시 예에서 압전 액츄에이션에 사용되는 물질은 티탄산 지르콘산 연(lead zirconium titanate)이고, 이하 PZT로 설명한다. 상기 물질은 (예를 들어, 펄스 레이저 스퍼터링[6] 뿐 아니라 졸-겔 증착 또는 RF 스퍼터링에 의해) Si 또는 글래스 물질 기판/웨이퍼의 최상부에 증착될 수 있다. 상기 PTZ는 두 전극들(EP) 사이에 놓여 그곳에 전압을 인가할 수 있도록 한다. 본 발명의 MEMS 디바이스의 다양한 실시 예의 압전 액츄에이션으로 사용될 수 있는 다른 압전 물질은 예컨대 아연 옥사이드 및/또는 알루미늄 나이트라이드를 포함할 수 있다.
위에서 설명한 압전 액츄에이션 기술의 이점은 압전 액츄에이팅층/물질의 전기적 컨택이 (기능층 위) 튜너블 MEMS 디바이스의 최상부에 위치하는 것이다. 이것은 관통 비아 필요없이, 디바이스를 전압원에 쉽게 연결할 수 있게 하여, 디바이스의 패키징을 간소화 한다.
도 8a 내지 도 9c에 설명된 켈빈력 액츄에이션 및 압전 액츄에이션은 튜너블 MEMS 에탈론의 MEMS 기능층(FL)이 절연 물질, 예컨대 글래스로 만들어지는 경우에도 이용될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시 예들에 따라, 층들이 완전히 글래스로 만들어진 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스 1000A, 1000B의 예를 각각 나타낸다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 글래스 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스는 층간 열적 불일치(thermal mismatch)가 낮거나 없다. 이것은 다양한 열적 조건에서 디바이스의 정확하고 강건한 동작을 제공한다. 실제로, 글래스층들은 전기적으로 직접적으로 액츄에이션될 수 없다. 그러나, 도 8a 내지 도 8c 및 도 9a 내지 도 9c에서 설명되었듯이, 켈빈력 액츄에이션 또는 압전 액츄에이션은, 예컨대 글래스 기능층(FL) 같은 유전 물질로 이루어진 MEMS 기능층(FL)의 액츄에이션에 사용될 수 있다.
디바이스(1000A 및 1000B)에서, 기능층은 프레임(MF), 서스펜션 구조물(SS)(즉, 플렉셔 (FLX)) 및 개구 미러(AM)를 수용/정의하기 위해 패턴되는 글래스 기판을 포함한다. 후면층(BL)도 글래스 기판을 포함하거나, 글래스 기판에 의해 형성될 수 있다.
본 예시에서, 후면층(BL)의 글래스 기판은 실링 물질에 의해 기능층(FL)의 글래스 기판에 부착되는데, 여기서 실링 물질은 디바이스의 내부에 진공(공기밀폐) 실링, 및/또는 습기 및/또는 오염 실링을 제공한다. 이를 위하여, 어떤 경우, 디바이스가 진공 실링되도록 구성될 수 있다. 진공에서 동작되지 않으나, 습기 및/또는 다른 오염에 대해서는 실링이 되는 다른 경우에는, 기능층이 균열, 먼지 및 작은 캐비티 내에 트랩되어 기계적 움직임을 방해할 수 있는 다른 오염물을 방지하기 위해 습기에 대하여 보호될 수 있다.
대안으로, 실링 물질 대신에, 후면층(BL)을 기능층(FL)에 부착하기 위해 다른 기법이 사용될 수 있다.
이것은 도 10a 및 도 10b의 구체적 예시인 전체 글래스 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스들(1000A 및 1000B)에 있어서, 플렉셔(FLX)는 작은 두께(t)의 멤브레인 타입 스프링으로서 개구 미러(AM)를 마운팅 프레임(MF)에 완전히 둘러싸고 연결한다.
멤브레인 타입 스프링을 갖는 전체가 글래스로 된 디바이스의 주요 이점 중 하나는, 웨이퍼 레벨에서 (진공) 실링이 될 수 있다는 것이다(따라서 추가적인 패키징이 필요하지 않다). 도 10c는 그러한 실링을 제공하는 디바이스(1000A, 1000B)의 기능층(FL)의 평면도를 나타낸다. 기능층(FL)은 얇은 멤브레인 영역(SS)이 프레임(MF)의 주변 영역 안에서 감싸지도록 패턴된 연속적인 시트/층이며, 개구 미러(AM)가 지지되고 있는 개구 영역을 감싼다. 얇은 멤브레인은 공기 밀폐되어 있을 수 있고, 기능층과 후면층 사이의 개구 미러를 감싸는 공간을 실링할 수 있다.
이런 관점에서, 웨이퍼 레벨 실링은 MEMS 기능층(FL)이 실리콘으로 구성되는 본 발명의 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스의 실시 예들(300, 500, 600, 700 및 800)에서도 실현될 수 있음이 이해되어야 한다. 이를 달성하기 위해, 이 디바이스들의 지지 구조(SS)의 플렉셔(스프링)는 (예를 들어, 마운팅 프레임(MF) 및 개구 미러(AM) 사이 모든 면에서 연결되는 연속적인 층/시트의 형태로 되어 있는) 멤브레인 타입 스프링으로 구성되어야 한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 디바이스(1000A)에서 압전 액츄에이터(PZA)(예: 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 위에서 설명된 예들)는 멤브레인 타입 플렉셔(FLX)를 액츄에이트 시키는데 사용된다. 이 경우, 플렉셔(FLX)는 멤브레인 타입일 때, 기능층은 후면층과 연결됨으로써, 개구 미러(AM)가 멤브레인 플렉셔(FLX)로부터 후면 미러(BM)를 향해 돌출된다. 압전 액츄에이터(PZA)는 돌출된 반대면에서 멤브레인 플렉셔(FLX)의 표면에 연결되어, 액츄에이터의 압전 물질(PZT)을 통해 전압을 인가하면 멤브레인을 변형시키고, 개구 미러(AM)와 에탈론의 후면 미러(BM) 사이의 갭 거리를 조정하게 된다.
도 10b에 도시된 디바이스(1000B)에서, 켈빈 분극력/전극들(KFL)(예: 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명된 예들)은 멤브레인 타입의 플렉셔(FLX)를 액츄에이트하는데 사용된다. 이런 경우에, 기능층(FL)은 후면층(BL)에 연결됨으로써 개구 미러(AM)가 멤브레인 플렉셔(FLX)로부터 후면층(BL)의 반대 방향으로 돌출된다. 켈빈 분극력/전극(KFL)은 후면층(BL)의 표면에 위치하여 전극들(KFL)을 적절한 전압들에 연결시키며, 켈빈 분극력을 기능층(FL) 및 후면층(BL)의 연속적인 표면에 인가하여, 개구 미러(AM)과 후면 미러(BM) 간의 거리를 조절하게 된다. 켈빈 분극력의 전극들은 개구의 반대면에도 위치할 수 있고 반사 판으로부터 떨어진 방향의 플렉셔를 액츄에이트할 수 있다.
도 10d는 도 10a 및 도 10b에 도시된 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스를 제조하기 위한 공정(1000D)의 예를 나타낸다. 스텝 (4)는 구체적으로 디바이스(1000A)의 압전 액츄에이션 제조에 관한 것이다.
전체가 글래스로 만들어진 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스는, 벤딩 빔 스프링(예: 서스펜션 구조물(SS)는 도 3b에 도시된 구조와 유사한 구조이나 글래스 물질로 만들어짐)으로 구현되는 서스펜션 구조물(SS)의 플렉셔(FLX)로 또한 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 방식으로 구성된 MEMS 기능층(FL)은 도 10e에 개략적으로 설명되어 있다. 도 10f는 도 10a 및 도 10b에 도시된 예와 같지만, 벤딩 빔 스프링으로 구현된 서스펜션 구조물(SS)의 플렉셔(FLX)를 갖는 튜너블 에탈론 MEMS 디바이스의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 미러 사이의 캐비티의 실링이 필요한 경우, 캡 웨이퍼 층(CAP)이 기능층과 위로부터 연결되어 사용되어야 한다. 이것은 스텝 (4)에 예로 설명되어 있다.
주목해야 할 점은 특정 실시 예에서 벤딩 빔 플렉셔의 제조(도 10f의 동작 (2)와 같이)는 멤브레인 타입 스프링의 제조(도 10d의 동작 (2)와 같이)보다 더 쉽고 덜 어렵다는 것이다. 이것은, 전자의 경우에 글래스에 대한 처리가 글래스 전체 두께에 걸쳐 이루어지고, 기계 가공 또는 에칭 깊이의 제어(멤브레인 두께의 제어)할 필요가 없기 때문이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시 예들에 따라 구성된 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(1100A 및 1100B)의 구성을 설명한다. 디바이스(1100A 및 1100B)는 글래스층들(후면층, 기능층 및 가능하다면 캡층도 글래스로 만들어진다.)으로 만들어진다. 이 예에서, 기능층(FL)의 서스펜션 구조물(SS)는 폴리이미드 물질(예: 압축응력 받은 폴리이미드 물질)로 만들어져 기능층(FL) 및 개구 미러(AM)를 연결하는 스프링 플렉셔를 포함한다. 이 구체적인 예시에서, 스프링 플렉셔는 멤브레인 타입 스프링 형상으로 이루어진 압축응력된 폴리이미드로 만들어 진다. 디바이스(1100A)에서, 기능층(FL)은 캡 층(CAP)으로 그 위로부터 커버되며 액츄에이션은 캡층(CAP)의 정전식 전극들(EL)을 통해 수행될 수 있다. 디바이스(1100B)에서, 액츄에이션은 후면층(BL) 위에 켈빈력 전극들의 배치로 이루어진다.
디바이스(1100A 및 1100B)의 구성은, 기 제조된 임베디드 도전층들을 갖는 기성품 폴리이미드 플렉셔의 가용성 때문에 매우 낮은 비용으로 생산능력을 가지고 제조될 수 있다는 장점이 있다.
도 12에 블록 다이어그램으로 개략적으로 도시된 예는, 본 발명의 실시 예에 따른 순차 이미징 시스템(1200)을 나타낸다. 시스템(1200)은 이미지 센서(130) (예컨대 복수 픽셀 단색 센서), 및 위에서 설명된 본 발명에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(120)를 포함한다. 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(120)는 튜너블 분광 필터(12)를 포함하고, 센서(130) (예: 도면에 Z축으로의 단면도임)으로 향하는 일반적인 광 전송 경로에 위치한다. 선택적으로 광학 시스템(140) (예: 이미징 렌즈(들))은 센서(130)의 광학 경로에 배치된다.
컬러 이미지 획득은 예를 들어, 본 출원의 출원인에게 양도되어 참고 목적으로 본 명세서에 통합된, 특허 출원 공개 제WO 2014/207742호에 설명된 바와 유사한 방식으로 디바이스(1200)에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른, 이미징 시스템(1200)에 사용되는, 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(120)는 높은 컬러 충실도를 갖는 순차 컬러 이미징에 적합한 분광 필터 프로파일을 제공하도록 구성된다.
더 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 에탈론(120)의 후면 미러 및 개구 미러(AM, BM)의 물질 및 그들 간의 튜너블 거리/갭(g)은 에탈론(120)의 분광 필터 프로파일이 컬러 이미지의 이미징에 적합한 가시영역 및 가능하게는 IR, near-IR 영역(예를 들어, 초분광 컬러 공간 또는 RGB 공간에 대응하는 색상)에서의 분광 범위에서 튜너블하도록 구성된다. 또한 에탈론(120)의 개구 미러(AM 및BM) 및 그들간의 튜너블 거리/갭은 에탈론의 전송 프로파일 특성(예: FWHM 및 FSM)이 순차 컬러 이미징에 적합하도록 구성된다. 예를 들어, 미러(AM 및 BM)의 물질 및 그들간의 튜너블 거리/갭(g)는 에탈론의 분광 투과율 프로파일의 FWHM가 충분히 넓어서 종래의 RGB 공간 컬러의 FWHM와 매치되도록 선택되고, 분광 투과율 프로파일의 연속적 전송 피크들간의 FSR는 충분히 커서 컬러 섞임을 피할 수 있다(센서가 민감한 다른 컬러/분광 영역의 센서로 동시 전송되는 것을 피함). 더불어, 에탈론(120)은 상대적으로 옆으로 넓어서 (미러간 갭(g)에 비해), 광학 시스템(140) 사이의 광 경로 사이에 센서(130)의 모든 픽셀을 개재할 수 있으며, 다시 말해서 미러간 갭은 충분히 작아서 에탈론(120)의 원하는 분광 특성 프로파일 및 에탈론의 튜너빌러티를 공급할 수 있도록 충분히 작다. 이는, 위에서 하나 이상의 실시 예들에서 설명된 본 발명에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스를 이용함으로써 이뤄질 수 있다.
시스템(1200)은 또한 선택적으로 이미지 센서(130) 및 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(120)에 연결되고 센서로부터 다른 컬러(다른 분광 프로파일)에 대응하는 단색 프레임들의 순차 획득에 의해 컬러 이미지를 캡쳐하도록 구성된 제어 시스템(컨트롤러)(110)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 셋 이상의 분광 필터링 커브/프로파일로 입사광을 순차적으로 필터링하기 위해 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스(120)를 순차적으로 동작시켜 컬러 이미지를 생성/캡쳐하도록 채용될 수 있고, 셋 이상의 분광 커브 각각에 의해 필터링된 광의 셋 이상의 이미지(단색 이미지들/프레임들)를 얻기 위해 센서(130)를 동작시키도록 채용될 수 있다. 튜너블 분광 필터(120)는 타임 슬롯 구간들에 대응될 수 있도록 각 분광 필터 커브들을 유지할 수 있게 동작되며, 그 타임 슬롯 구간 동안 센서(130)는 해당 타임 슬롯들 내에 부합하는 개별 통합 시간을 가지는 각 단색 이미지들을 캡쳐하도록 동작된다. 따라서, 캡쳐된 단색 이미지들 각각은 다른 분광 필터 커브 각각에 의해 필터링되고 정해진 통합 시간동안 센서(130)에 의해 캡쳐된 광에 대응한다. 상기 컨트롤러는 셋 이상의 단색 이미지들을 나타내는 리드아웃 데이터를 센서로부터 수신하여 처리하고, 컬러 이미지를 나타내는 데이터(즉, 이미지의 각 픽셀에서 적어도 세 개의 컬러의 세기에 관한 정보를 갖는 이미지)를 생성하도록 설정된다.
Claims (34)
- 에탈론의 개구 미러인 제1 미러를 매달기 위한 서스펜션 구조물을 정의하도록 패턴된 기능층;
상기 서스펜션 구조물과 연결된 개구 미러; 및
상기 에탈론의 후면 미러인 제2 미러를 포함하는 후면층을 포함하는 튜너블 MEMS(Micro-Electro-Mechanical) 에탈론 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 개구 미러가 연결된 상기 기능층은 상기 후면층 위에 위치하고,
상기 후면층은 상기 후면층으로부터 상기 개구 미러를 향해 돌출되어 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러 사이의 충돌을 방지하는 스페이서 구조물을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 후면층은 글래스 층(웨이퍼)을 포함하고,
상기 후면 미러는 상기 글래스 층 상의 영역에 증착된 티타늄 옥사이드(Titanium Oxide)를 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
상기 서스펜션 구조물은 상기 개구 미러를 지탱하기 위한 플렉셔(flexure)를 포함하고,
상기 플렉셔는 스프링 또는 상기 개구 미러를 지탱하도록 형성된 얇은 도넛 형상의 멤브레인 형태로 패턴된 상기 기능층의 영역을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간의 거리는 정전력 수단에 의해 조절가능하며,
상기 개구 미러가 연결된 상기 기능층은 상기 후면층 위에 위치하며,
상기 에탈론 시스템은
상기 기능층 위에 위치하는 액츄에이션층을 더 포함하여, 상기 액츄에이션층의 하나 이상의 영역은 상기 기능층과 전기적으로 절연되고,
상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간의 거리는, 상기 액츄에이션층의 상기 하나 이상의 영역 및 상기 기능층 사이에 전위를 인가하여 그들 사이에 상기 정전력을 유발시킴으로써 조절되는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 액츄에이션층의 상기 하나 이상의 영역은 서로 간에 실질적으로 전기적으로 절연된 둘 이상의 영역을 포함하여, 상기 액츄에이션층의 상기 둘 이상의 영역 및 상기 기능층 사이에 인가되는 다른 전위가, 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러간 평행관계를 조절할 수 있도록 하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템 - 제6항에 있어서,
상기 둘 이상의 영역은 상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간에 2개 축에 대해 평행관계를 조절할 수 있도록 하는 적어도 세개의 영역을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
켈빈 전극들(Kelvin electrodes)은 후면층의 표면 상에 위치 및 배열되어
상기 전극에 전압을 인가하여 상기 개구 미러 및 상기 후면층 사이, 또는 상기 개구 미러 및 상기 후면층과 반대의 상기 개구 측에 위치한 상기 액츄에이션층 사이에 켈빈 분극력을 유도하고, 그에 따라 상기 개구 미러 및 상기 에탈론의 후면 미러 간에 거리 및 평행관계를 조절하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 개구 미러는 고유전 물질을 포함 및/또는 고유전 물질과 연결되어, 상기 켈빈 분극력을 증가시키는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
압전 액츄에이션 구조물은 상기 서스펜션 구조물과 연결되어
상기 압전 액츄에이션 구조물을 통해 전압을 인가하는 것은 상기 서스펜션 구조물을 변형시키고, 그에 따라 상기 서스펜션 구조물에 매달린 개구 미러와 상기 에탈론의 상기 후면 미러 간의 거리를 조절하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층은 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼 구조물로부터 형성되며, 상기 SOI 웨이퍼 구조물은,
- 실리콘 물질을 포함하는 핸들층;
- 절연 물질을 포함하는 박스층; 및
- 실리콘 물질을 포함하는 디바이스층
을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 기능층 상에 위치한 액츄에이션층을 포함하고,
상기 기능층 및 상기 액츄에이션층은, 상기 SOI의 상기 디바이스층 및 상기 핸들층을 각각 패터닝하고 상기 기능층의 상기 서스펜션 구조물과 상기 액츄에이션층 사이의 박스층의 절연 물질을 제거함으로써 상기 SOI 웨이퍼 구조물로부터 제조되는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 기능층은 상기 박스층에 의해 상기 액츄에이션층으로부터 절연되며,
상기 개구 미러 및 상기 후면 미러 간의 상기 거리는 상기 액츄에이션층의 둘 이상의 영역 및 상기 기능층 간에 다른 전위를 인가하여 그들 사이에 상기 정전력을 유발시킴으로써 조절되고, 상기 둘 이상의 영역은 상기 SOI 웨이퍼 구조물의 상기 핸들층에 패턴된 트렌치들에 의해 서로간에 실질적으로 전기적으로 절연되는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 액츄에이션층은 상기 개구 미러 상에 위치하는 개구 윈도우를 정의하기 위해 패턴되어, 상기 개구 윈도우를 통해 상기 개구 미러로 광 경로를 형성하도록 하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 기능층은 상기 SOI 웨이퍼 구조물로부터 상기 SOI의 층을 패터닝함으로써 형성되고,
상기 액츄에이션층은 상기 개구 미러 위의 위치에 형성된 캐비티(cavity)를 갖는 글래스 기판을 포함하며,
상기 액츄에이션층의 상기 하나 이상의 영역은, 상기 캐비티 안에 배치되고 전압원과 연결을 위한 전기적 연결을 갖도록 구성된 하나 이상의 전극을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 SOI 웨이퍼의 상기 핸들층 및 상기 박스층은, 상기 기능층과 상기 후면층 사이의 스페이서로 동작하도록, 상기 기능층과 상기 후면층 사이에 공간을 형성하는 측부 스페이서를 정의하도록 패턴된 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 SOI 웨이퍼의 상기 핸들층 및 상기 박스층은 제거(에칭/폴리싱)되고, 상기 후면층에 본딩된 글래스 스페이서에 의해 상기 기능층 및 상기 후면층이 서로 간에 떨어져 있는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구 미러는:
- 글래스층 및 케리어층을 포함하는 기판 웨이퍼 상의 글래스를, 상기 글래스층에 상기 개구 미러를 정의하기 위하여 패터닝하고;
- 기판/케리어 웨이퍼 상의 상기 패턴된 글래스를 상기 기능층에 부착하여, 상기 글래층에 정의된 상기 개구 미러가 상기 기능층의 상기 서스펜션 구조물에 부착되도록 하고; 및
- 기판 웨이퍼 상의 상기 케리어층을 제거(예를 들어, 에칭/폴리싱)함으로써
제조되는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구 미러는 픽-앤-플레이스(pick and place) 기법에 의해 상기 서스펜션 구조물에 연결되는 미러 엘리먼트를 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층은 상기 서스펜션 구조물을 수용하도록 패턴된 글래스 기판을 포함하고,
상기 후면층은 상기 기능층의 상기 글래스 기판에 부착된 제2 글래스 기판을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제20항에 있어서,
상기 기능층은 공기밀폐 실링에 의해 상기 제2 글래스 기판에 연결된 주변 프레임 영역을 정의하도록 패턴된 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 기능층은 상기 주변 프레임 영역 내부에 싸여진 얇은 멤브레인 영역을 갖도록 패턴된 연속적인 층의 형태이며,
상기 멤브레인은 상기 개구 미러를 정의하는 개구 영역을 둘러싸고, 그것에 의해 상기 개구 미러는 매달려 지며,
상기 얇은 멤브레인은 상기 개구 미러를 매다는 상기 서스펜션 구조물의 플렉셔(flexure)로 구성되고, 공기밀폐되어, 상기 기능층 및 상기 후면층 간의 상기 개구 미러를 둘러싸는 공간을 밀봉하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제22항에 있어서,
상기 기능층은 후면층과 연결되어, 상기 개구 미러가 상기 멤브레인 영역으로부터 상기 후면 미러를 향해 돌출되고,
압전 액츄에이션 구조물은 돌출된 반대면에서 상기 멤브레인 영역의 표면에 연결되어, 상기 압전 액츄에이션 구조물을 통한 전압 인가는 상기 멤브레인 영역을 변형시키고, 그에 따라 상기 멤브레인에 매달려진 상기 개구 미러와 상기 에탈론의 후면 미러 간의 거리를 조정하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제23항에 있어서,
상기 기능층은 후면층과 연결되어, 상기 개구 미러가 상기 멤브레인 영역에서 상기 후면 미러의 반대 방향으로 돌출되고,
켈빈 전극들이 상기 후면층의 표면에 배치 및 배열되어, 상기 켈빈 전극에의 전압 인가는 상기 개구 미러와 상기 후면층 사이에 켈빈 분극력을 유발하여 그에 따라 상기 개구 미러와 상기 에탈론의 상기 후면 미러간의 거리를 조절하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 기능층은 상기 주면 프레임 영역과 상기 개구 미러를 연결하는 벤딩 빔 스프링 플렉셔(bending beam spring flexure)를 포함하고,
상기 벤딩 빔 스프링 플렉셔는 다음 중 적어도 하나를 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템.
(a) 스프링 플렉셔를 형성하기 위한 형상으로 상기 기능층의 상기 글래스 기판의 패턴된 영역
(b) 상기 주변 프레임이 연결된 압축응력된 폴리이미드(pre-stressed polyimide). - 제25항에 있어서,
상기 압전 액츄에이션 구조물은 상기 스프링 플렉셔와 연결되어,
상기 압전 액츄에이션 구조물을 통한 전압 인가는 상기 스프링 플렉셔를 변형하여 상기 스프링 플렉셔에 매달린 상기 개구 미러와 상기 에탈론의 상기 후면 미러 간의 거리를 조절하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제25항 또는 제26항에 있어서,
상기 켈빈 전극은 상기 후면층의 표면에 위치 및 배열되어 상기 켈빈 전극에 전압 인가는 상기 개구 미러 및 상기 후면층 간에 켈빈 분극력을 유발하고, 그에 따라 상기 개구 미러와 상기 에탈론의 후면층 간에 거리를 조절하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
캡 플레이트로 동작하고 공기 밀폐 실링에 의해 위에서부터 상기 주변 프레임 영역에 연결되어 그로 인해 상기 캡 플레이트와 상기 후면층 사이의 상기 개구 미러를 감싸는 공간을 실링하는 제3 글래스 기판을 포함하는 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 제28항에 있어서,
상기 개구 미러와 상기 후면 미러간 거리는, 정전식 수단에 의해 조절가능하고;
상기 캡 플레이트는, 액츄에이션층으로 동작하고, 상기 캡 플레이트의 하나 이상의 영역에 놓여지고 상기 기능층으로부터 전기적으로 절연된 하나 이상의 전극을 포함하며;
상기 개구 미러와 상기 후면 미러 간 상기 거리는, 상기 액츄에이션층의 상기 하나 이상의 영역과 상기 스프링 플렉셔와 연관된 도전성 전극 사이의 전위차를 인가함으로써 조절 가능한 튜너블 MEMS 에탈론 시스템. - 복수의 감광 픽셀을 갖는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로 향하는 광 진행의 광 경로를 따라 위치한 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른 튜너블 MEMS 에탈론 시스템을 포함하는 이미징 시스템. - 제30항에 있어서
상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템의 상기 개구 미러 및 상기 후면 미러의 폭은 상기 미러들이 상기 센서의 모든 픽셀로 향하는 상기 광 경로 안에 개재되도록 넓고,
상기 미러들 간의 튜너블한 갭 거리의 최소 거리는 시각 분광 체계(visual spectral regime)에서 셋 이상 컬러의 순차 컬러 이미징을 수행하기 위해 적합한 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템의 FWHM 및 FSM 투과율 프로파일 특성을 제공할 정도로 작은 이미징 시스템. - 제31항에 있어서, 상기 폭과 상기 최소 거리 간의 종횡비는 적어도 500인 이미징 시스템.
- 제31항 또는 제32항에 있어서,
상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템은 기존 RGB 공간의 컬러들에 따른 분광 컨텐츠로 광을 상기 이미지 센서로 통과시키기 위해 튜닝되도록 구성되고 동작하는 이미징 시스템. - 제30항 또는 제31항에 있어서,
상기 이미지 센서 및 상기 튜너블 MEMS 에탈론 디바이스에 전기적으로 연결된 제어 시스템을 포함하고, 다음의 동작을 수행하도록 구성되어 동작하는 이미징 시스템.
- 셋 이상의 분광 필터링 커브/프로파일을 갖는 입사하는 광을 순차적으로 필터링하기 위해 상기 튜너블 MEMS 에탈론 시스템을 동작시키고,
- 상기 셋 분광 커브 각각에 의해 필터링된 광의 셋 이상의 이미지를 획득하기 위해 상기 이미지 센서를 동작시키고,
- 상기 이미지 센서로부터 상기 셋 이상의 이미지를 나타내는 리드아웃 데이터를 수신하고,
- 상기 셋 이상 이미지의 상기 리드아웃 데이터를 처리하여 컬러 이미지를 나타내는 데이터를 생성함.
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