KR20230129558A - 감소된 크로스토크를 갖는 mems 미러 어레이들 및 제조방법들 - Google Patents
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Abstract
감소된 크로스토크를 갖는 MEMS 미러 어레이를 위한 방법들, 장치들 및 제조 방법들이 설명된다. MEMS 미러 어레이는 복수의 반사 표면들을 가지며, 각각의 반사 표면은 공진 주파수를 갖고, 또한 인접한 반사 표면들은 동일한 공진 주파수를 갖지 않는다.
Description
상호 참조
이 출원은 "MEMS MIRROR ARRAYS WITH REDUCED CROSSTALK AND METHODS OF MANUFACTURE" 라는 제목으로 2021년 1월 20일 에 출원된 미국 가출원 제 63 /139,516 호 의 이익을 주장하고, 이 출원은 원용에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
배경
미세 전자기계 시스템들 (microelectromechanical systems; MEMS) 및 어레이들은 액추에이터(actuator)의 스트로크 범위보다 상당히 더 큰 갭들로 설계된 평행-플레이트 액추에이터들을 포함할 수 있다. 두 전극 플레이트들 사이에 전압이 인가될 때, 전극 플레이트들 사이에 인력이 생성되어 플레이트를 회전시킨다. 최대 회전은 두 전극 플레이트들 사이의 갭(gap)에 의해 결정된다. 플레이트들 사이의 이격이 클수록, 편향은 더 커진다. 따라서, 전극들이 서로 너무 가깝게 (예를 들어, 갭의 약 1/3 미만) 접근하면, 전극들이 함께 스냅(snap)될 수 있는 불안정성 포인트에 도달하기 때문에, 갭은 전형적으로 전극 플레이트들의 물리적 이동을 위해 절대적으로 필요한 것보다 훨씬 더 크다.
평행-플레이트 액추에이터에 의해 생성된 힘은 (전압/갭)2 에 비례한다. 따라서, 갭이 증가함에 따라, 전압은 또한 동일한 힘을 달성하기 위해 거리의 제곱과 함께 증가한다. 이러한 구조의 이동으로, 전극 플레이트들이 서로 평행하게 유지되지 않게 되어, 전극 플레이트들 사이의 갭이 감소하게 된다. 따라서, 전극 플레이트들을 소정 거리 이동시키는데 필요한 전압은 높고 비선형적이며 지속적으로 변화한다. 큰 갭의 사용은 어레이에서의 인접한 액추에이터들 사이의 크로스토크(crosstalk)를 초래할 수도 있다.
부가적으로, 미러 어레이들은 하나의 미러가 작동되고 하나 이상의 인접한 (adjacent) 미러들이 또한 이동할 때 크로스토크를 겪을 수 있다. 발생할 수 있는 크로스토크의 예가 도 1에 도시되고 아래에서 논의된다.
어레이들에서 인접한 미러들 사이의 크로스토크를 감소시키는 어레이들을 제조하는 방법들 및 MEMS 미러 어레이들이 필요하다.
요약
어레이들에서의 인접한 미러들 사이의 크로스토크를 감소시키는 MEMS 미러 어레이들 및 제조 방법들이 개시된다. 추가적으로, 어레이에서의 인접한 미러들 사이의 결합(coupling)은 미러들의 정상 동작을 변경하지 않으면서 감소된다.
본 개시의 일 양태는 MEMS 어레이들에 관한 것이다. MEMS 어레이들은 제 1 스테이지, 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 (pivotally coupled) 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면 (reflective surface) - 제 1 스테이지 반사 표면은 제 1 공진 주파수를 가짐 -; 제 2 스테이지, 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 스테이지 반사 표면 - 제 2 스테이지 반사 표면은 제 2 공진 주파수를 가짐 -; 및 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼(base wafer) - 제 1 스테이지는 베이스 웨이퍼 상에서 제 2 스테이지에 인접함 - 를 포함한다. 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들(flexures)을 이용하여 제 1 프레임에 피벗식으로 결합되도록 동작가능할 수 있고, 제 2 스테이지는 한 쌍의 제 2 스테이지 플렉셔들을 이용하여 제 2 프레임에 피벗식으로 결합된다. 또한, 제 1 스테이지 플렉셔들 및 제 2 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 회전을 실질적으로 (substantially) 제한하도록 동작가능할 수 있으며, 단일 축은 제 1 스테이지 플렉셔들 및 제 2 스테이지 플렉셔들 중 하나 이상의 플렉셔들의 길이를 따라 존재한다. 플렉셔들은 또한 복수의 토션 빔(torsion beam)들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 구성들에서, 복수의 토션 빔들은 서로 실질적으로 평행하게 위치될 수 있다. 적어도 일부 구성들에서, 토션 빔들은 토션 빔 길이를 갖고, 복수의 토션 빔들은 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않다. MEMS 어레이는: 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - 를 더 포함할 수 있다. 부가적으로, MEMS 어레이는 제 3 스테이지, 제 3 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 3 프레임, 및 제 3 스테이지 반사 표면을 더 포함할 수 있고, 제 3 스테이지 반사 표면은 제 3 공진 주파수를 갖고, 제 3 스테이지는 제 1 면(side) 상의 제 1 스테이지 및 그 제 1 면에 수직인 제 2 면 상의 제 2 스테이지에 인접하게 베이스 웨이퍼 상에 위치된다. 적어도 일부 구성들에서, MEMS 어레이는 제 4 스테이지, 제 4 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 4 프레임, 및 제 4 스테이지 반사 표면을 더 포함하고, 제 4 스테이지 반사 표면은 제 4 공진 주파수를 가지며, 또한, 제 4 스테이지는 제 1 스테이지, 제 2 스테이지 및 제 3 스테이지 중 적어도 하나에 인접하여 베이스 웨이퍼 상에 위치된다. 본딩 요소(bonding element)에 의해 베이스 웨이퍼에 고정되는 디바이스 웨이퍼가 또한 제공될 수 있다. 일부 구성들에서, 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙(support webbing)과 접촉하는 지지 앵커(support anchor)를 더 포함하고, 또한, 지지 앵커와 지지 웨빙 사이의 접촉(contact)은 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠(dampen)시키도록 동작가능하다.
본 개시의 다른 양태는 미세 전자기계 (microelectromechanical; MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 그 제조 방법은: 기판의 제 1 면 (side) 상에 유전체 재료(dielectric material)의 층을 형성하는 단계; 유전체 재료를 포함하는 수직 격리 트렌치들(vertical isolation trenches)을 기판의 제 1 면 상에 형성하는 단계; 기판의 제 1 면 반대편의 기판의 제 2 면 상에 마스킹 층을 패터닝하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 비아들(vias)을 형성하는 단계; 기판의 제 1 면을 금속화(metallizing)하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 제 2 금속 층을 디포짓하여 반사 표면을 형성하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 제 2 트렌치들을 형성하여 구조체들(structures)을 정의(define)하는 단계; 기판의 제 2 면을 깊게 에칭하여 좁은 블레이드들을 형성하는 단계; 좁은 블레이드들을 형성한 후에 베이스 웨이퍼를 기판의 제 2 면에 본딩(bonding)하는 단계; 및 기판의 제 1 면 상의 제 2 트렌치들을 통해 에칭하여 구조체들을 분리하여 전기적 격리를 제공하는 단계를 포함하며, 미세 전자기계 어레이는 제 1 스테이지, 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면 - 제 1 스테이지 반사 표면은 제 1 공진 주파수를 가짐 -, 그리고, 제 2 스테이지, 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 스테이지 반사 표면 - 제 2 스테이지 반사 표면은 제 2 공진 주파수를 가짐 - 을 갖는다. 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다. 부가적으로, 유전체 재료는 이산화규소(silicon dioxide)일 수 있다. 부가적으로, 방법은 기판의 제 1 면을 금속화한 후에 기판의 제 1 면 상에 패시베이션 유전체 층(passivation dielectric layer)을 형성하는 단계 및 기판의 제 1 면에 리드 웨이퍼(lid wafer)를 부착하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 리드 웨이퍼는 또한 유리로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 MEMS 어레이에 관한 것이며, 이 MEMS 어레이는: 제 1 스테이지, 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면; 및 제 1 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼를 포함하며, 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙과 접촉하는 지지 앵커를 추가로 포함하고, 또한, 지지 앵커와 지지 웨빙 사이의 접촉은 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠시키도록 동작가능하다. 일부 구성들에서, 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들로 제 1 프레임에 피벗식으로 결합된다. 또한, 제 1 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 회전을 실질적으로 제한하도록 구성될 수 있으며, 단일 축은 플렉셔들의 길이를 따라 존재한다. 플렉셔들은 또한 서로 실질적으로 평행한 토션 빔들을 포함하는 복수의 토션 빔들을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 토션 빔들 각각은 토션 빔 길이를 갖고, 복수의 토션 빔들은 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않다. 제 1 스테이지에 결합되는 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - ; 및 제 1 스테이지에 결합되는 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - 가 제공될 수 있다. 또한, 디바이스 웨이퍼는 본딩 요소에 의해 베이스 웨이퍼에 고정될 수 있다.
원용에 의한 통합
본 명세서에 언급된 모든 간행물들, 특허들 및 특허 출원들은 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 원용에 의해 통합되는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 표시되는 것처럼 동일한 정도로 원용에 의해 본원에 통합된다.
US 3,493,820 A 2/3/1970 Rosvold; US 4,104,086 A 8/1/1978 Bondur 외; US 4,421,381 A 12/20/1983 Ueda 외; US 4,509,249 A 4/9/1985 Goto 외; US 4,519,128 A 5/28/1985 Chesebro 외; US 4,553,436 A 11/19/1985 Hansson; US 4,571,819 A 2/25/1986 Rogers 외; US 4,670,092 A 6/2/1987 Motamedi; US 4,688,069 A 8/18/1987 Joy 외; US 4,706,374 A 11/17/1987 Murakami; US 4,784,720 A 11/15/1988 Douglas; US 4,855,017 A 8/8/1989 Douglas; US 4,876,217 A 10/24/1989 Zdebel; US 5,426,070 A 6/20/1995 Shaw 외; US 5,536,988 A 7/16/1996 Zhang 외; US 5,563,343 A 10/8/1996 Shaw 외; US 5,610,335 A 3/11/1997 Shaw 외; US 5,628,917 A 5/13/1997 MacDonald 외; US 5,719,073 A 2/17/1998 Shaw 외; US 5,726,073 A 3/10/1998 Zhang 외; US 5,770,465 A 6/23/1998 MacDonald 외; US 5,846,849 A 12/8/1998 Shaw 외; US 5,847,454 A 12/8/1998 Shaw 외; US 5,068,203 A 11/26/1991 Logsdon 외; US 5,083,857 A 1/28/1992 Hornbeck; US 5,097,354 A 3/17/1992 Goto; US 5,172,262 A 12/15/1992 Hornbeck; US 5,198,390 A 3/30/1993 MacDonald 외; US 5,203,208 A 4/20/1993 Bernstein; US 5,226,321 A 7/13/1993 Varnham 외; US 5,235,187 A 8/10/1993 Arney 외; US 5,316,979 A 5/31/1994 MacDonald 외; US 5,393,375 A 2/28/1995 MacDonald 외; US 5,397,904 A 3/14/1995 Arney 외; US 5,399,415 A 3/21/1995 Chen 외; US 5,427,975 A 6/27/1995 Sparks 외; US 5,428,259 A 6/27/1995 Suzuki; US 5,449,903 A 9/12/1995 Arney 외; US 5,454,906 A 10/3/1995 Baker 외; US 5,488,862 A 2/6/1996 Neukermans 외; US 5,501,893 A 3/26/1996 Laermer 외; US 5,611,888 A 3/18/1997 Bosch 외; US 5,611,940 A 3/18/1997 Zettler; US 5,629,790 A 5/13/1997 Neukermans 외; US 5,637,189 A 6/10/1997 Peeters 외; US 5,645,684 A 7/8/1997 Keller; US 5,673,139 A 9/30/1997 Johnson; US 5,703,728 A 12/30/1997 Smith 외; US 5,759,913 A 6/2/1998 Fulford Jr 외; US 5,798,557 A 8/25/1998 Salatino 외; US 5,804,084 A 9/8/1998 Nas외; US 5,853,959 A 12/29/1998 Brand 외; US 5,915,168 A 6/22/1999 Salatino 외; US 5,920,417 A 7/6/1999 Johnson; US 5,933,746 A 8/3/1999 Begley 외; US 5,969,848 A 10/19/1999 Lee 외; US 5,998,816 A 12/7/1999 Nakaki 외; US 5,998,906 A 12/7/1999 Jerman 외; US 5,999,303 A 12/7/1999 Drake; US 6,000,280 A 12/14/1999 Miller 외; US 6,020,272 A 2/1/2000 Fleming; US 6,044,705 A 4/4/2000 Neukermans 외; US 6,072,617 A 6/6/2000 Henck; US 6,075,639 A 6/13/2000 Kino 외; US 6,097,858 A 8/1/2000 Laor; US 6,097,859 A 8/1/2000 Solgaard 외; US 6,097,860 A 8/1/2000 Laor; US 6,101,299 A 8/8/2000 Laor; US 6,121,552 A 9/19/2000 Brosnihan 외; US 6,753,638 A 2/2/2001 Adams 외; US 7,098,571 A 8/29/2006 Adams, 외; US 7,261,826 B2 8/28/2007 Adams 외; US 2008/190198 A1 8/14/2008 Prandi 외; US 2008/ 284028 A1 11/20/2008 Greywall; US 2009/196623 A1 8/6/2009 Detry; US 2010/ 263998 A1 10/21/2010 Anderson 외; US 2011/018095 A1 1/27/2011 Booth Jr., 외; US 2011/ 140569 A1 6/16/2011 Moidu; US 2012/133023 A1 5/31/2012 Booth Jr., 외; US 2014/ 014480 A1 1/16/2014 Anderson 외; WO 2001/ 057902 A2 8/9/2001 Adams 외; WO 1994/018697 A1 8/18/1994 Shaw 외; WO 1997/ 004283 A2 2/6/1997 Miller 외; 및 WO 1999/ 036941 A2 7/22/1999 Adams 외.
도면들의 간단한 설명
본 발명의 신규한 특징들은 첨부된 청구항들에서 특히 설명된다. 본 발명의 원리가 이용된 예시적인 실시양태들을 제시하는 하기의 상세한 설명, 및 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 특징들 및 이점들의 더 나은 이해가 얻어질 것이다.
도 1은 MEMS 어레이의 미러에서 램핑 업(ramping up)하는 작동 전압 및 인접한 미러에서의 바람직하지 않은 발진들을 도시한다.
도 2는 미러 어레이의 일부를 도시한다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 종래 기술의 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 4는 지지 앵커들을 갖는 융합 본딩된 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 5는 어레이에서의 현재 주파수 분포를 도시한다.
도 6은 어레이에서의 제안된 주파수 분포를 도시한다.
도 7은 어레이에서의 제 2 제안된 주파수 분포를 도시한다.
도 8a는 전체 로딩 및 주파수(f0)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8b는 부분 로딩 및 주파수(f1)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8c는 부분 로딩 및 주파수(f2)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8d는 부분 로딩 및 주파수(f3)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 9a는 실리콘 웨이퍼의 단면을 도시한다.
도 9b는 마스킹 층, 내광성 층(photo-resistant layer), 및 웨이퍼의 실리콘 표면에 대한 개구부를 갖는 웨이퍼의 일부를 나타낸다.
도 9c는 실리콘 웨이퍼에 형성된 격리 트렌치를 도시한다.
도 9d는 실리콘 웨이퍼의 상부 표면 상에 그리고 격리 트렌치의 측벽들 및 바닥 상에 유전체 층을 갖는 웨이퍼의 일부를 도시한다.
도 9e는 유전체층의 평탄화 후의 웨이퍼의 일부를 도시한다.
도 9f는 웨이퍼의 상부 상의 격리 트렌치들 및 웨이퍼의 하부 상의 블레이드들에 대한 마스킹 층을 도시한다.
도 9g는 웨이퍼의 상부 상의 금속화를 도시한다.
도 9h는 웨이퍼의 상부 상의 트렌치들을 도시한다.
도 9i는 딥 실리콘 에칭(deep silicon etching)으로부터 발생하는 블레이드들을 도시한다.
도 9j는 블레이드들을 포함하는 웨이퍼에 결합된 베이스 웨이퍼를 도시한다.
도 9k는 릴리스 에칭이 구조체의 부분들을 분리한 후 및 리드 웨이퍼의 부착 후의 웨이퍼를 도시한다.
도 10a-c는 본딩 이전의 다른 변형을 도시한다.
본 발명의 신규한 특징들은 첨부된 청구항들에서 특히 설명된다. 본 발명의 원리가 이용된 예시적인 실시양태들을 제시하는 하기의 상세한 설명, 및 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 특징들 및 이점들의 더 나은 이해가 얻어질 것이다.
도 1은 MEMS 어레이의 미러에서 램핑 업(ramping up)하는 작동 전압 및 인접한 미러에서의 바람직하지 않은 발진들을 도시한다.
도 2는 미러 어레이의 일부를 도시한다.
도 3은 도 2의 선 3-3을 따라 취한 종래 기술의 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 4는 지지 앵커들을 갖는 융합 본딩된 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 5는 어레이에서의 현재 주파수 분포를 도시한다.
도 6은 어레이에서의 제안된 주파수 분포를 도시한다.
도 7은 어레이에서의 제 2 제안된 주파수 분포를 도시한다.
도 8a는 전체 로딩 및 주파수(f0)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8b는 부분 로딩 및 주파수(f1)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8c는 부분 로딩 및 주파수(f2)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 8d는 부분 로딩 및 주파수(f3)를 갖는 개별 미러를 도시한다.
도 9a는 실리콘 웨이퍼의 단면을 도시한다.
도 9b는 마스킹 층, 내광성 층(photo-resistant layer), 및 웨이퍼의 실리콘 표면에 대한 개구부를 갖는 웨이퍼의 일부를 나타낸다.
도 9c는 실리콘 웨이퍼에 형성된 격리 트렌치를 도시한다.
도 9d는 실리콘 웨이퍼의 상부 표면 상에 그리고 격리 트렌치의 측벽들 및 바닥 상에 유전체 층을 갖는 웨이퍼의 일부를 도시한다.
도 9e는 유전체층의 평탄화 후의 웨이퍼의 일부를 도시한다.
도 9f는 웨이퍼의 상부 상의 격리 트렌치들 및 웨이퍼의 하부 상의 블레이드들에 대한 마스킹 층을 도시한다.
도 9g는 웨이퍼의 상부 상의 금속화를 도시한다.
도 9h는 웨이퍼의 상부 상의 트렌치들을 도시한다.
도 9i는 딥 실리콘 에칭(deep silicon etching)으로부터 발생하는 블레이드들을 도시한다.
도 9j는 블레이드들을 포함하는 웨이퍼에 결합된 베이스 웨이퍼를 도시한다.
도 9k는 릴리스 에칭이 구조체의 부분들을 분리한 후 및 리드 웨이퍼의 부착 후의 웨이퍼를 도시한다.
도 10a-c는 본딩 이전의 다른 변형을 도시한다.
상세한 설명
I. 미세
전자기계 (
Microelectromechanical
; MEMS) 어레이들
미세 전자기계(MEMS) 어레이들이 개시된다. MEMS 어레이들은: 제 1 스테이지(예를 들어, 스테이지(802)), 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임(예를 들어, 프레임(804)), 및 제 1 스테이지 반사 표면(예를 들어, 미러) - 제 1 스테이지 반사 표면은 제 1 공진 주파수(예를 들어, 공진 주파수(502))를 가짐 -; 제 2 스테이지, 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 스테이지 반사 표면 - 제 2 스테이지 반사 표면은 제 2 공진 주파수(예를 들어, 공진 주파수(604))를 가짐 -; 및 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼(예를 들어, 실리콘 웨이퍼(910)) - 제 1 스테이지는 베이스 웨이퍼 상의 제 2 스테이지에 인접함 - 를 포함한다. 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들(예를 들어, 중앙 스테이지 플렉셔들(832, 832'))로 제 1 프레임에 피벗식으로 결합되도록 동작가능할 수 있고, 제 2 스테이지는 한 쌍의 제 2 스테이지 플렉셔들로 제 2 프레임에 피벗식으로 결합된다. 또한, 제 1 스테이지 플렉셔들 및 제 2 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 한 회전을 실질적으로 제한하도록 동작가능할 수 있으며, 단일 축은 제 1 스테이지 플렉셔들 및 제 2 스테이지 플렉셔들 중 하나 이상의 플렉셔들의 길이를 따라 존재한다. 플렉셔들은 또한 복수의 토션 빔들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 구성들에서, 복수의 토션 빔들은 서로 실질적으로 평행하게 위치될 수 있다. 적어도 일부 구성들에서, 토션 빔들은 토션 빔 길이를 갖고, 복수의 토션 빔들은 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않다. MEMS 어레이는: 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들(예컨대, 블레이드(812))의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 -; 및 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - 를 더 포함할 수 있다. 부가적으로, MEMS 어레이는 제 3 스테이지, 제 3 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 3 프레임, 및 제 3 스테이지 반사 표면을 더 포함할 수 있고, 제 3 스테이지 반사 표면은 제 3 공진 주파수를 갖고, 제 3 스테이지는 제 1 면 상의 제 1 스테이지 및 그 제 1 면에 수직인 제 2 면 상의 제 2 스테이지에 인접하게 베이스 웨이퍼 상에 위치된다. 적어도 일부 구성들에서, MEMS 어레이는 제 4 스테이지, 제 4 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 4 프레임, 및 제 4 스테이지 반사 표면을 더 포함하고, 제 4 스테이지 반사 표면은 제 4 공진 주파수를 가지며, 또한, 제 4 스테이지는 제 1 스테이지, 제 2 스테이지 및 제 3 스테이지 중 적어도 하나에 인접하여 베이스 웨이퍼 상에 위치된다. 본딩 요소에 의해 베이스 웨이퍼에 고정되는 디바이스 웨이퍼가 또한 제공될 수 있다. 일부 구성들에서, 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙과 접촉하는 지지 앵커를 더 포함하고, 또한, 지지 앵커와 지지 웨빙 사이의 접촉부는 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠시키도록 동작가능하다.
MEMS 어레이의 또 다른 구성은: 제 1 스테이지, 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면; 및 제 1 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼를 포함하며, 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙과 접촉하는 지지 앵커를 추가로 포함하고, 또한, 지지 앵커와 지지 웨빙 사이의 접촉부는 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠시키도록 동작가능하다. 일부 구성들에서, 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들로 제 1 프레임에 피벗식으로 결합된다. 부가적으로, 제 1 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 회전을 실질적으로 제한하도록 구성될 수 있으며, 단일 축은 플렉셔들의 길이를 따라 존재한다. 플렉셔들은 또한 서로 실질적으로 평행한 토션 빔들을 포함하는 복수의 토션 빔들을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 토션 빔들 각각은 토션 빔 길이를 갖고, 복수의 토션 빔들은 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않다. 제 1 스테이지에 결합되는 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - ; 및 제 1 스테이지에 결합되는 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트 - 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결됨 - 가 제공될 수 있다. 또한, 디바이스 웨이퍼는 본딩 요소에 의해 베이스 웨이퍼에 고정될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 작동 전압(110)이 인가될 때 램프업하는 작동 전압이 도시된다. 작동 전압(110)은 MEMS 어레이에서의 미러 상에서 시간에 걸쳐 램프-업되고, 바람직하지 않은 발진(oscillation)(120)은 인접한 미러에서 검출된다. 인접한 미러들 사이의 크로스토크에 대한 하나의 원인은 MEMS 어레이에서의 각각의 미러에 대한 지지체들의 기계적 결합이다. 인접한(adjacent) 미러 상의 전압 측정 (130) 이 또한 예시된다.
도 2는 종래의 MEMS 미러 어레이(200)의 부분의 상부 층도를 도시한다. MEMS 미러 어레이(200)는 금속 층( 210), 미러 공동(cavity)(212), 및 지지체(220)를 갖는다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, MEMS 어레이(200)는 다수의 스테이지 액추에이터를 갖는다. 어레이에서의 각각의 액추에이터는 중앙 스테이지, 가동 프레임, 및 정지 프레임을 포함한다. 정지 프레임은 중앙 스테이지 및 가동 프레임이 배치되는 공동을 형성할 수 있다. 반사 요소(예를 들어, 미러)는 중앙 스테이지에 결합되고 제 1 중앙 스테이지 플렉셔 및 제 2 중앙 스테이지 플렉셔에 의해 가동 프레임으로부터 현수될 수도 있다. 반사 요소는 수신된 광 빔의 광학 경로와는 상이한 광학 경로를 따라 광 빔을 재지향(redirect)시키기 위해 사용될 수도 있다. 중앙 스테이지 상에 미러를 포함하는 액추에이터는 또한 미러 셀 또는 미러를 갖는 MEM 액추에이터로 지칭된다.
중앙 스테이지의 회전은 가동 프레임의 회전과 독립적일 수 있다. 따라서, 액추에이터는 디커플링된 운동(decoupled motion)을 허용할 수 있다. 예를 들어, 중앙 스테이지는 정지 프레임에 대해 회전할 수 있는 반면, 가동 프레임은 정지 프레임에 대해 평행하고 정지 상태로 유지된다. 또한, 가동 프레임은 중앙 스테이지가 가동 프레임에 대해 평행(및 정지)으로 유지되는 동안 정지 프레임에 대해 회전할 수 있다. 가동 프레임은 제 1 정지 프레임 플렉셔 및 제 2 정지 프레임 플렉셔를 통해 정지 프레임에 결합된다. 또한, 중앙 스테이지 및 가동 프레임은, 예를 들어, 둘 모두가 동시에 그리고 서로 독립적으로 회전할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 중앙 스테이지, 가동 프레임, 및 정지 프레임은 동시에 비평행하고 작동 동안 서로에 대해 디커플링될 수 있다.
제 1 중앙 스테이지 플렉셔 및 제 2 중앙 스테이지 플렉셔는 제 1 단부 바 및 제 2 단부 바를 통해 가동 프레임에 결합된다. 제 1 단부 바 및 제 2 단부 바는 또한 다수의 지지 부재들을 사용하여 가동 프레임의 본체에 부착된다. 지지 부재들은 인장력(tensioning force)을 제공하는 이산화규소 빔들이다. 지지 부재들은 가동 프레임, 중앙 스테이지, 제 1 단부 바, 제 2 단부 바, 및 정지 프레임에 사용되는 재료 시스템(material system)과는 상이한 양을 팽창시킴으로써 인장력을 제공한다. 상이한 팽창의 재료 시스템들이 제 1 중앙 플렉셔 및 제 2 중앙 플렉셔를 장력 내로 넣기 위해 가동 프레임 내에 배치될 수 있다. 특히, 가동 프레임과 제 1 및 제 2 단부 바들에 대해 작용하는 연결 부재들에 의해 제공되는 팽창은 중앙 스테이지 플렉셔와 정지 프레임 플렉셔의 각 쌍에 인장력을 야기한다. 지지 부재들은 압축력들 하에서 플렉셔의 좌굴(buckling)로 인한 위치 왜곡에 대한 잠재성을 최소화하기 위해 인장력을 인가하는 역할을 한다. 일반적으로, 플렉셔들 중 임의의 것이 너무 큰 압축력 하에 있다면, 플렉셔들은 좌굴(buckle)할 수도 있다. 이와 같이, 지지 부재들은 중앙 스테이지 플렉셔들을 잡아당겨 이들을 인장 상태로 배치하기 위해 가동 프레임의 본체와 제 1 및 제 2 단부 바들 사이에 비수직 각도로 결합될 수도 있다. 정지 프레임 플렉셔들이 중앙 스테이지 플렉셔들에 수직이기 때문에, 지지 부재들의 비수직 부착 각도는 가동 프레임의 본체 상에 견인(pull on)을 야기하고, 이에 의해 정지 프레임 플렉셔들의 견인(pull on) 및 인장(tensioning)을 야기한다.
지지 부재들은 가동 프레임의 본체 사이에 결합될 수도 있고, 제 1 및 제 2 단부 바들은 대략 45도 각도로 위치될 수 있다. 대안적으로, 지지 부재들은 가동 프레임의 본체와 제 1 및 제 2 단부 바들 사이에 45도보다 적거나 큰 각도로 결합될 수도 있다.
중앙 스테이지 플렉셔들은 중앙 스테이지가 피벗(pivot)할 수 있게 한다. 중앙 스테이지 플렉셔들은 또한 회전 각도에 비례하는 일부 비틀림 저항을 제공하지만, 다른 모든 방향들보다 실질적으로 더 적은 저항을 제공한다. 다시 말해서, 다른 방향들(예를 들어, 좌우로, 또는 중앙 스테이지의 표면에 수직인 축 주위로)로의 중앙 스테이지의 원하지 않는 비틀림 운동에 대한 실질적인 저항이 있다. 또한, 중앙 스테이지 플렉셔들은 적절한 가요성(flexibility) 및 비틀림 저항(torsion resistance)을 위해 플렉셔들에 충분한 길이를 제공하기 위해 중앙 스테이지에 형성된 대응하는 슬롯 내로 연장된다. 중앙 스테이지 플렉셔들은 대략 100 미크론의 길이, 대략 10 미크론의 높이, 및 대략 1 미크론의 폭을 가질 수도 있으며, 그 결과 10:1 종횡비를 갖는다. 그러한 종횡비는 원하는 동작의 방향으로의 더 큰 순응성(compliance) 및 원하지 않는 방향들에서의 강성(stiffness)을 제공할 수도 있다. 대안적인 실시양태에서, 다른 길이들, 높이들, 폭들, 및 종횡비들이 사용될 수도 있다.
유사하게, 정지 프레임 플렉셔들은 다른 방향들(예를 들어, 좌우로, 또는 가동 프레임의 표면에 수직인 축 주위로)로의 가동 프레임의 바람직하지 않은 비틀림 운동에 대한 저항을 제공하면서 가동 프레임이 피벗할 수 있게 한다. 정지 프레임 플렉셔들은 적절한 가요성 및 비틀림 저항을 위해 플렉셔들에 충분한 길이를 제공하기 위해 가동 프레임 및 정지 프레임 내에 형성된 한 쌍의 대응 슬롯들 내로 연장된다.
중앙 스테이지 플렉셔들 및 정지 프레임 플렉셔들 중 하나 이상은 한 쌍의 토션 빔들을 포함할 수도 있다. 토션 빔들은 길이들을 따라 평행하지 않은 복수의 토션 빔들을 갖는 길이를 가질 수 있다. 다중 토션 빔들의 사용은 단일 빔 플렉셔에 비해, 프레임 또는 스테이지의 원하지 않는 비틀림 운동에 대한 증가된 저항을 제공할 수도 있다. 한 쌍의 토션 빔들은 다양한 구성들을 가질 수도 있다. 토션 빔들은 가동 프레임 근처의 단부들이 실질적으로 평행하고 갭에 의해 이격된 비-평행 빔들일 수도 있다. 토션 빔들 사이의 갭은, 고정 프레임 근처의 빔들의 단부들이 가동 프레임 근처의 빔들의 단부들보다 서로 더 가깝도록 빔들의 길이를 따라 감소한다. 서로에 대한 토션 빔들의 각도 형성은 플렉셔가 불안정한 비틀림 모드들에 저항하는 것을 도울 수도 있다. 대안적인 실시양태에서, 토션 빔들은 고정 프레임 근처의 그들의 단부들이 가동 프레임 근처의 그들의 단부들보다 더 이격되도록 구성될 수도 있다. 또 다른 실시양태에서, 토션 빔들은 갭이 빔들의 길이를 따라 실질적으로 균일하도록 서로 실질적으로 평행할 수도 있다.
도 3은 상부 측 (10) 및 하부 측 (20) 을 가지고 도 2 에서의 라인들 3-3 을 따라 취해진 종래의 MEMS 미러 어레이(200)의 부분 단면 도시하며, 여기서, MEMS 미러 어레이(200) 내의 각 층은 상부 측 (10) 을 향해 배향된 층 상부 면 및 하부 측 (20) 을 향해 배향된 하부 면을 갖는다. 어레이는 어레이를 위한 베이스 웨이퍼인 실리콘 웨이퍼(310), 및 보호 층으로서 작용하는 리드 웨이퍼(350)를 갖는다. 베이스 웨이퍼(310)는 실리콘 웨이퍼(310)를 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩하는 베이스 웨이퍼 층의 어느 한 단부에 프릿 유리 시일(frit glass seal) 인 본딩 요소들(312, 312')의 제 1 쌍을 갖는다. 본딩 요소들(312, 312')은 접합될 때 기밀 밀봉(hermetic seal)을 제공할 수 있다. 본딩 요소들(312, 312')은 전체 미러 어레이가 실리콘 웨이퍼(310) 위에 현수되도록 미러 어레이의 둘레를 따라 위치된다. 제 2 쌍의 본딩 요소들(322, 322')은 디바이스 웨이퍼(320)를 리드 웨이퍼(350)에 본딩한다.
건식 에칭(dry etching)을 이용하여 디바이스 웨이퍼(320)의 상부면(예를 들어, 상부 측(10))에서 구조체 릴리스가 달성되며, 이는 복수의 트렌치들(326)을 천공하고, 프레임(330)과 미러(336)의 가동 요소들을 현수(suspend)한다. 격리 조인트들 (328) 은 또한, 에칭이 격리 조인트 (328) 의 저부에 접근하거나 또는 바로 도달할 때까지 전방을 에칭함으로써 생성된다. 또한, 릴리스 에칭은 예를 들어 프레임(330)의 실리콘을 주변 부재들(338, 338')의 실리콘으로부터 분리함으로써 전기적 격리를 촉진한다. 비아들(324)은 실리콘의 영역들을 금속 인터커넥트들(340)에 접속시키는 역할을 한다. 미러들을 외부 환경으로부터 완전히 밀봉하기 위해, 리드 웨이퍼(350)는, 예를 들어, 프릿 유리 시일인 제 2 쌍의 본딩 요소들( 322, 322')을 통해 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩된다. 리드 웨이퍼(350)는 통상적으로 미러 공동(332)에서 낮은 손실로 입사광이 투과되도록 하고, 미러(336)의 상부 표면으로부터 반사되며, 미러 공동 밖으로 투과되도록 하는 유리이다.
도 4는 지지 앵커들(430)을 갖는 융합 본딩된 MEMS 미러 어레이(400)의 부분 단면을 도시한다. MEMS 미러 어레이(400)는 상부 측(10)과 하부 측( 20)을 가지며, 여기서 MEMS 미러 어레이(400) 내의 각각의 층은 상부 측(10)을 향해 배향된 층 상부 면(10)과 하부 측(20)을 향해 배향된 하부 면을 갖는다. 지지 앵커들(430)의 사용은 각각의 미러 주위의 미러 크로스토크를 제거하거나 실질적으로 제거한다. 지지 앵커들(430), 또는 지지 기둥들은 10-100 ㎛의 높이를 갖는 기둥들 또는 포스트들을 실리콘 웨이퍼(310) 내로 에칭함으로써 생성된다. 실리콘 웨이퍼(310)는 예를 들어 공융 본딩(eutectic bonding), 열압착 본딩, 용융 본딩 또는 양극 본딩(anodic bonding)을 이용하여 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩된다. 본딩 프로세스 동안, 지지 앵커들(430)은 지지 웨빙(334)과 접촉한다. 일부 구성들에서, 지지 앵커들(430)은 지지 웨빙(334)에 본딩된다. 다른 구성들에서, 지지 앵커들(430)은 지지 웨빙(334)과 접촉한다. 지지 앵커들(430)과 지지 웨빙( 334) 사이의 접합 또는 접촉은 미러들(336)로부터 공통 앵커들을 통한 임의의 결합된 기계적 운동을 감쇠시킨다.
미러 셀(도시되지 않음)은 미러 셀의 4개의 블레이드들 및 3개의 매달린 섹션들을 가로질러 절단한다. 본드 및 연마 시퀀스는 보통 웨이퍼의 두께보다 실질적으로 더 적은 값으로 블레이드들의 깊이를 튜닝하기 위해 사용된다. 더 얇은 웨이퍼들은 깨지기 쉽고 상당한 핸들링 손실을 받기 때문에, 베이스 웨이퍼는 핸들링 지지를 제공하기 위해 프로세스 초기에 사용된다. 가동 블레이드들(424)은 프로세스의 시작에서 디바이스 웨이퍼(320) 내로 딥 실리콘 에칭 기법들을 사용하여 패터닝되고 에칭된다. 블레이드 트렌치(426)의 깊이는 조정 가능하고 설계, 스윙, 및 액추에이터 편향 요건들에 의존한다. 블레이드 깊이는 예를 들어 200 um일 수도 있다. 실리콘 웨이퍼(310)는 그 후 마스킹 층(412)의 결합 계면에서 디바이스 웨이퍼(320)에 용융 본딩될 수 있다. 용융 본딩 프로세스(fusion bonding process)는 실리콘을 실리콘 또는 실리콘 산화물에 직접 본딩하고, 강한 본딩을 형성하기 위해 고온 어닐링을 필요로 한다. 리세스(recess)는 가동 블레이드들(424)이 회전하기 위한 공간을 제공하기 위해 실리콘 웨이퍼(310) 내로 에칭된다.
도 5 내지 도 7 은 종래의 MEMS 미러 어레이(200), 및 복수의 미러들(510)을 갖는 MEMS 미러 어레이(400)의 부분에서의 현재 주파수 분포를 예시하고 있다. 인접한 미러들 사이의 결합은 인접한 미러들 사이의 주파수 분리를 증가시킴으로써 감소될 수 있다(디튜닝(detuning)). MEMS 미러 어레이(400)는 어레이에서의 모든 미러들이 동일하도록 제공하며, 이는 도 5에 도시된 바와 같이 모든 미러들이 동일한 주파수(f0)(502)에서 공진하는 결과를 초래한다. 공진시 하나의 미러(502)의 운동은 인접한 미러에서 공진 응답을 여기시킬 수 있다.
인접한 미러들이 도 6 및 도 7의 레이아웃들과 같이 상이한 공진 주파수들을 갖는다면, 기계적 결합은 오프-공진(off-resonance)일 것이고 덜 효율적일 것이다. 도 6 내지 도 7은 3개 이상의 공진 주파수가 사용되는 잠재적인 레이아웃들을 예시한다. 도 6 에서 공진 주파수 (f0) (502) 를 갖는 제 1 미러 (502) 는 일 측에서 공진 주파수(f1) (604) 를 갖는 미러에 인접하고 대향 측에서 공진 주파수(f2) (606) 를 갖는 다른 미러에 인접한다. 제 1 행에서, 공진 주파수(f2)( 606)는 공진 주파수(f1)(604)를 갖는 미러에 인접하고, 그 다음에 공진 주파수(f0)(502)를 갖는 미러가 이어진다. 제 1 행 아래의 제 2 행에서, 공진 주파수(f0)(502)는 공진 주파수(f2)(606)를 갖는 미러에 인접하고, 그 다음에 공진 주파수(f1)(604)를 갖는 미러가 이어진다. 행 내의 그리고 다수의 행들에 걸친 시퀀스는 원하는 만큼 많이 반복된다.
도 7에서, 미러들은 공진 주파수(f0)(502)를 갖는 미러에 인접한 공진 주파수(f3)(708)를 갖는 미러를 교번하는 제 1 행으로 구성된다. 이들 2개의 공진 주파수는 행에 걸쳐 교번 방식으로 반복된다. 제 2 행은 공진 주파수 (f2) (606) 를 갖는 미러에 인접한 공진 주파수 (f1) (604) 를 갖는 미러를 제공한다. 제 3 행은 공진 주파수(f0)(502)를 갖고, 이어서 공진 주파수(f3)(708)를 갖는 미러가 뒤따른다. 반복하는 쌍들의 교대 미러들을 갖는 이들 세 행은 그 다음 반복된다. 결과적인 구성은 도 6의 구성과 유사한 결과를 달성하며, 2개의 공진 주파수들 사이의 더 큰 포지션 거리를 갖는다.
당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 주어진 행은 반드시 (예를 들어, 본 명세서에 예시된 바와 같이) 특정 공진 주파수로 시작할 필요는 없고 본 명세서의 예들은 단지 예시일 뿐이다. 결과적인 구성은 임의의 다른 개별 미러에 인접한 임의의 미러가 동일한 공진 주파수를 갖지 않는 구성이 된다. 또한, 적어도 하나의 이웃 미러가 동일한 공진 주파수를 공유하지 않도록 어레이에서의 미러들이 구성되는 경우, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 추가적인 행들 및 공진 주파수들의 조합들이 이용될 수 있다. 공진 주파수는 강성 및 질량에 비례하기 때문에, 강성 및/또는 질량 중 하나 이상을 변경함으로써 상이한 주파수들을 갖는 미러 설계들이 생성될 수 있다. 강성을 동일하게 유지하고 질량만을 변화시키면, 작동 특성들(이동된 각도 대 인가된 전압)은 어레이의 모든 미러 설계들 사이에서 일관되게 유지될 수 있다.
도 8a 내지 도 8d 는 도 5 내지 도 7 에 예시된 레이아웃들에서 사용되는 공진 주파수들을 갖는 개별 MEMS 미러들이다. 도 8a 는 풀 로딩 및 주파수(f0)를 갖는 개별 MEMS 미러로 간주될 수 있다; 도 8b 는 부분적 로딩 및 주파수(f1)를 갖는 개별 MEMS 미러로 간주될 수 있다; 도 8c 는 부분적 로딩 및 주파수(f2)를 갖는 개별 MEMS 미러로 간주될 수 있다; 도 8d 는 부분적 로딩 및 주파수(f3)를 갖는 개별 MEMS 미러로 간주될 수 있다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 주파수의 할당, 예를 들어 (f1), (f2), 및 (f3) 은 임의적이다.
도 8a 는 풀 로딩 및 주파수(f0)를 갖는 종래 기술의 개별 MEMS 미러를 도시한다. 스테이지 또는 프레임의 각각의 단부에서, 액추에이터(800)는 회전을 가능하게 하는 작동 메커니즘 구조로서 2개의 대응하는 고정 블레이드를 갖는, 도 4의 가동 블레이드(424)와 같은 단일 가동 블레이드를 사용한다. 액추에이터(800)는 스테이지당 2개의 이러한 작동 메커니즘 구조체들 및 프레임당 2개의 이러한 작동 메커니즘 구조체들을 사용한다. 복수의 블레이드가 제공된다. 제 1 블레이드(812)는 중앙 스테이지( 802)에 결합되고, 제 1 블레이드(812)의 대향 단부들 상의 가동 프레임(804)에 결합되는 한 쌍의 제 1 플랭킹(flanking) 블레이드들( 814, 814')에 의해 양 측에 플랭킹된다. 중앙 스테이지(802) 는 제 1 블레이드( 812)가 제 1 플랭킹 블레이드들(814, 814')에 대해 이동하도록 구성되도록 가동 프레임(804)에 피벗식으로 결합된다. 제 1 블레이드(812)와 제 1 플랭킹 블레이드들(814, 814') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 중심 스테이지(802)가 피벗하도록 블레이드 사이에 인력이 발생된다. 예를 들어, 제 1 블레이드( 812)는 활성 전압이 제 1 플랭킹 블레이드들(814, 814') 중 어느 하나에 인가되는 동안 접지 전위로 유지될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 플랭킹 블레이드( 814)에 대한 활성 전압의 인가는 제 1 블레이드(812)를 끌어당길 것이며, 이에 의해 중앙 스테이지(802)가 대응하는 방향으로 회전하게 할 것이다. 유사하게, 제 1 플랭킹 블레이드(814')에 대한 활성 전압의 인가는 제 1 블레이드(812)를 끌어당길 것이고, 스테이지(802)가 제 1 플랭킹 블레이드(814)에 대한 끌어당김으로부터 초래되는 방향과 반대 방향으로 회전하게 할 것이다.
제 2 블레이드(816)는 제 1 블레이드(812)의 위치에 대향하여 중앙 스테이지(802)의 단부 상에서 결합되고, 한 쌍의 제 2 측 플랭킹 블레이드들(818, 818’)은 제 2 블레이드(816)의 대향 단부들 상에서 가동 프레임(800)에 결합된다. 제 2 블레이드(816)는 제 2 측 플랭킹 블레이드들(818, 818')에 대해 이동한다. 중심 스테이지(802)의 원하는 모션을 제공하고 원하지 않는 회전에 저항하기 위해, 작동 전압들은 제 1 블레이드(812) 및 제 2 블레이드(816)에 대해 동시에 인가된다. 제 2 블레이드(816)와 제 2 측 플랭킹 블레이드들(818, 818') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력이 발생되어, 제 1 블레이드에 대해 전술한 것과 유사한 방식으로 중앙 스테이지(802)가 회전하게 된다. 중앙 스테이지( 802)의 각각의 단부 상에서 탠덤(tandem) 방식의 작동 메커니즘들의 사용은 더 균일한 회전을 제공하기 위해 중앙 스테이지(802)의 원하지 않는 비틀림을 최소화한다.
유사한 작동 메커니즘 구조가 가동 프레임(804)의 회전을 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 플랭킹 블레이드(822)는 가동 프레임( 804)에 결합되고, 제 1 측 플랭킹 블레이드들(824, 824')은 제 1 측 블레이드(822)의 대향 단부들 상의 정지 프레임(840)에 결합된다.
가동 프레임(804) 은 제 1 측 블레이드(822)가 제 1 측 플랭킹 블레이드들(824, 824')에 대해 이동하도록 구성되도록 정지 프레임(840)에 피벗식으로 결합된다. 제 1 측 블레이드(822)와 제 1 측 플랭킹 블레이드들(824, 824') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력이 발생되어 가동 프레임(804)이 중앙 스테이지(802)에 대해 전술한 것과 유사한 방식으로 피벗하게 한다.
제 2 측 블레이드(826)는 가동 프레임(804)의 대향 단부 상에 결합되며, 제 2 측 플랭킹 블레이드들( 828, 828')은 제 2 측 블레이드(82)의 대향 단부들 상에서 정지 프레임(840)에 결합된다. 제 2 측 블레이드(826)는 제 2 측 플랭킹 블레이드들(828, 828')에 대해 이동한다. 제 2 측 블레이드(826)와 제 2 측 플랭킹 블레이드들(828, 828') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 가동 프레임(804)의 회전을 용이하게 하는 블레이드들 사이에 인력이 발생된다. 가동 프레임(804)의 각각의 단부 상에서 탠덤 방식으로 작동 메커니즘들의 사용은 보다 균일한 회전을 제공하기 위해 프레임의 원하지 않는 비틀림을 최소화한다.
대안적으로, 중앙 스테이지(802) 또는 프레임은 단지 단일 단부 상에 작동 메커니즘 구조만을 가질 수도 있다. 다른 실시양태에서, 액추에이터(800)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 작동 메커니즘 구조들을 가질 수도 있다.
일 실시양태에서, 중앙 스테이지(802)를 강화하고 상부면 왜곡을 최소화하기 위해 중앙 스테이지(802)의 저면에 결합되는 복수의 세장형 부재(830)(예를 들어, 세장형 부재(830))가 제공될 수 있다. 또한, 중앙 스테이지(802) 상의 세장형 부재들(830)은 디바이스에 걸친 에칭 깊이 변동들을 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 세장형 부재(830)는 본 명세서에서 논의된 블레이드들의 것과 유사하게 구성될 수도 있다. 도 8a는 7개의 세장형 부재들(830)을 도시하며, 여기서 6개의 세장형 부재는 실질적으로 동일한 길이를 가지며 중앙 스테이지(802) 상의 중심을 벗어나 위치되고, 제 7 세장형 부재는 더 짧은 길이를 가지며 중앙 스테이지(802) 상의 중심에 위치된다.
액추에이터(800)의 작동 메카니즘이 회전되도록 중앙 스테이지(802) 의 완전히 아래에 위치되기 때문에, 중앙 스테이지(802)의 상부 표면 영역들 중 어느 것도 작동 메카니즘에 의해 취해질 필요가 없다.
일 실시양태에서, 액추에이터(800)는 아래에서 논의되는 바와 같이 반도체 제조 기법들을 사용하여 웨이퍼 레벨 상에서 제조될 수도 있다. 그러한 실시양태에 대해, 정지 프레임(840)은 예를 들어 실리콘으로 구성된 기판으로 형성될 수도 있다. 모든 블레이드가 상이한 제어 전압에 의해 직접 구동되는 경우, 액추에이터(800)는 접지에 더하여 4개의 전압을 사용할 수도 있다. 이러한 배열로, 다수의 액추에이터들이 어레이를 형성하도록 조합됨에 따라 기판 상의 전도성 경로들의 수가 빠르게 매우 커진다. 본 명세서에서 논의된 블레이드 액추에이터들에 의해 요구되는 저전압들은 제어 회로부가 기판 내로 제조되도록 허용하여, 각각의 블레이드에 대해 별개의 라인들보다는, 제어 신호들만이 라우팅될 필요가 있게 할 수도 있다. 이는 리드 카운트의 상당한 감소를 초래한다. 더 낮은 전압들은 또한 아킹 및 크로스토크를 회피하기 위해 리드들 사이의 간격에 대한 필요성을 감소시킬 수도 있다.
어레이에서 각각의 액추에이터(800)를 위한 중앙 스테이지(802)는 가동 프레임(804) 및 정지 프레임(840)을 갖는다. 정지 프레임( 840)은 중앙 스테이지(802) 및 가동 프레임(804)이 배치되는 공동을 형성할 수 있다. 반사 요소(예를 들어, 미러)는 중앙 스테이지(802)에 결합될 수도 있고, 제 1 중앙 스테이지 플렉셔(832) 및 제 2 중앙 스테이지 플렉셔(832')에 의해 가동 프레임(804)으로부터 현수될 수도 있다. 반사 요소는 수신된 광 빔의 광학 경로와는 상이한 광학 경로를 따라 광 빔을 재지향시키기 위해 사용될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 중앙 스테이지 상에 미러를 포함하는 액추에이터(800)는 또한 미러 셀 또는 미러를 갖는 MEM 액추에이터로 지칭된다.
가동 프레임(804)은 제 1 정지 프레임 플렉셔(834) 및 제 2 정지 프레임 플렉셔(834')를 통해 정지 프레임(840)과 맞물린다. 또한, 중앙 스테이지(802) 및 가동 프레임(804)은, 예를 들어, 둘 모두 단일 축을 중심으로 동시에 그리고 서로 독립적으로 회전할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 중앙 스테이지(802), 가동 프레임(804), 및 정지 프레임(840)은 동시에 비평행하고 작동 동안 서로에 대해 디커플링될 수 있다.
제 1 중앙 스테이지 플렉셔(832) 및 제 2 중앙 스테이지 플렉셔(832')는 제 1 단부 바 및 제 2 단부 바를 통해 가동 프레임(804)에 결합된다. 제 1 단부 바 및 제 2 단부 바는 또한 다수의 지지 부재들을 사용하여 가동 프레임(804)의 본체에 부착된다. 지지 부재들은 인장력을 제공하는 이산화규소 빔들이다. 지지 부재들은 가동 프레임(804), 중앙 스테이지(802), 제 1 단부 바, 제 2 단부 바 및 정지 프레임(840)에 사용되는 재료 시스템과 상이한 양을 팽창시킴으로써 인장력을 제공한다.
도 8b 는 부분적 로딩 및 주파수(f1)를 갖는 도 8a 와 유사한 개별 미러(반사 표면)를 도시한다. 도 8b는 4개의 세장형 부재들(830)을 예시하며, 이들 각각은 실질적으로 동일한 길이를 갖고 중앙 스테이지(802) 상의 중심을 벗어나 위치되어, 세장형 부재들이 중앙 스테이지(802) 상의 정사각형 또는 직사각형 공간의 코너에 위치된다. 반사 표면은 스테이지(예를 들어, 제 1 스테이지, 제 2 스테이지, 제 3 스테이지 등) 상에 위치된다.
도 8c는 부분적 로딩 및 주파수(f2)를 갖는 도 8a와 유사한 개별 미러를 도시한다. 도 8c는 3개의 세장형 부재(830)를 도시하며, 이들 중 2개는 실질적으로 동일한 길이를 가지며 중앙 스테이지(802) 상에서 중심을 벗어나 정렬되어 위치된다. 제 3 세장형 부재는 다른 2개의 세장형 부재보다 작은 길이를 가지며 중앙 스테이지(802)의 중앙에 또는 실질적으로 중앙에 위치된다.
도 8d는 부분적 로딩 및 주파수(f3)를 갖는 도 8a와 유사한 개별 미러를 도시한다. 도 8d는 중앙 스테이지(802) 상에 세장형 부재(830)를 갖지 않는다.
도 5 내지 도 7을 다시 참조하면, 도 5의 어레이는 도 8a의 액추에이터(800)를 특징으로 하는 복수의 행들로 구성될 것이다. 도 6은 예를 들어 도 8c의 액추에이터(800), 그 다음에 도 8b의 액추에이터(800), 그 다음에 도 8a의 액추에이터(800)의 제 1 행을 가지며, 시퀀스는 원하는 만큼 자주 행에 걸쳐 반복된다. 제 2 행은 도 8a의 액추에이터(800), 그 다음에 도 8c의 액추에이터(800), 그리고 그 다음에 도 8b의 액추에이터(800)를 가질 것이며, 시퀀스는 원하는 만큼 자주 행에 걸쳐 반복된다. 제 3 행은 행 1 의 순서를 반복하고 행 4 는 행 2의 순서를 반복할 것이다. 도 7은, 예를 들어, 도 8d의 액추에이터(800)에 이어서 도 8a의 액추에이터(800)의 제 1 행을 가질 것이며, 시퀀스는 원하는 만큼 자주 행을 가로질러 반복한다. 제 2 행은 도 8b 의 액추에이터(800)에 이어서 도 8c 의 액추에이터(800)를 가질 것이며, 시퀀스는 원하는 만큼 자주 행을 가로질러 반복된다. 제 3 행은 도 8a 의 액추에이터(800)에 이어서 도 8d 의 액추에이터(800)를 가질 것이며, 시퀀스는 원하는 만큼 자주 행을 가로질러 반복된다. 나머지 행들은 1행부터 3행까지 시퀀스를 반복할 것이다.
다수의 기술들이 도 8a-d 에 도시된 액추에이터(800)를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 도 9a-k와 관련하여 논의된 기술들은 도 8a의 단면 라인(9-9)에 의해 제공되는 모습과 연관된다. 본 개시의 실시양태들의 제조 방법들은 캔틸레버형 실리콘 빔들에 의해 현수되는 미러 플랫폼을 초래한다. 미러의 섹션들 사이 또는 상이한 블레이드들 사이의 전기적 절연은 미러의 별개의 요소들을 기계적으로 연결하지만 전기적으로 절연하는 역할을 하는 일체형 절연 세그먼트(integral isolation segment)들의 사용을 통해 달성된다.
미러 액추에이터에 대한 설계 파라미터는 회전축에 수직으로 측정된 블레이드들의 깊이이다. 블레이드 깊이를 증가시키면 힘이 증가하지만 높은 각도로 회전하려면 더 많은 스윙 공간이 필요하다. 더 얕은 블레이드들은 더 높은 편향을 더 쉽게 수용할 수 있지만, 보통 동일한 힘을 달성하기 위해 더 많은 수의 블레이드를 필요로 한다. 따라서, 설계자가 이용할 수 있는 여러 개의 블레이드 깊이들을 갖는 것이 유리하다. 상이한 블레이드 깊이들은 제조 프로세스에 대한 다수의 접근법들을 요구하며, 이는 본 명세서에 설명된다.
II. 제조 방법들
미세 전자기계(MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법들. 그 제조 방법은: 기판의 제 1 면 (side) 상에 유전체 재료(dielectric material)의 층을 형성하는 단계; 유전체 재료를 포함하는 수직 격리 트렌치들(vertical isolation trenches)을 기판의 제 1 면 상에 형성하는 단계; 기판의 제 1 면 반대편의 기판의 제 2 면 상에 마스킹 층을 패터닝하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 비아들(vias)을 형성하는 단계; 기판의 제 1 면을 금속화(metallizing)하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 제 2 금속 층을 디포짓하여 반사 표면을 형성하는 단계; 기판의 제 1 면 상에 제 2 트렌치들을 형성하여 구조체들(structures)을 정의(define)하는 단계; 기판의 제 2 면을 깊게 에칭하여 좁은 블레이드들을 형성하는 단계; 좁은 블레이드들을 형성한 후에 베이스 웨이퍼를 기판의 제 2 면에 본딩(bonding)하는 단계; 및 기판의 제 1 면 상의 제 2 트렌치들을 통해 에칭하여 구조체들을 분리하여 전기적 격리를 제공하는 단계를 포함하며, 미세 전자기계 어레이는 제 1 스테이지, 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면 - 제 1 스테이지 반사 표면은 제 1 공진 주파수를 가짐 -, 그리고, 제 2 스테이지, 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 스테이지 반사 표면 - 제 2 스테이지 반사 표면은 제 2 공진 주파수를 가짐 - 을 갖는다. 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다. 부가적으로, 유전체 재료는 이산화규소(silicon dioxide)일 수 있다. 부가적으로, 방법은 기판의 제 1 면을 금속화한 후에 기판의 제 1 면 상에 패시베이션 유전체 층(passivation dielectric layer)을 형성하는 단계 및 기판의 제 1 면에 리드 웨이퍼(lid wafer)를 부착하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 리드 웨이퍼는 또한 유리로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태는 단일 디바이스 웨이퍼를 사용하며, 관련 방법은 도 9a-9k 를 참조하여 설명된다.
도 9a는 300 내지 600 마이크로미터(um)의 두께 범위에 있도록 선택되는 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator; SOI) 웨이퍼(910)의 단면을 도시한다. 실리콘 웨이퍼(910)는 상부면(10)(또는 디바이스 면 또는 단순히 상부) 및 후면 또는 하부면(20)을 갖는다. 실리콘 웨이퍼(910)로부터 형성된 MEMS 미러 어레이(900) 내의 각각의 층은 상부면(10)을 향해 배향된 층 상부면 및 하부면(20)을 향해 배향된 하부면을 갖는다. 상부 좌측 부분(902)이 표시된다. 바람직한 실시양태에서, 매립 산화물 층(912)은 0.5 - 1 um 두께이고, 상부면(10) 아래의 10 내지 50 um에 위치된다.
도 9b-9e는 MEMS 미러 어레이(900)에서 실리콘 웨이퍼(910)의 상부 좌측 부분(902)을 도시하고, 이는 실리콘 웨이퍼(910)의 상부면(10) 상의 격리 트렌치들(920)을 위한 제조 기술들을 예시한다. 격리 트렌치들(920)은 실리콘 웨이퍼 기판 상에 수직으로 위치되고, 일 실시양태에서 이산화규소인 유전체 재료로 채워진다. 일단 충전되면, 격리 트렌치들(920)은 미러가 릴리스된 후에 블레이드들 사이의 전기적 격리를 제공한다. 층(914)은 또한 실리콘 웨이퍼( 910)의 표면 상에 남아 있고, 격리 트렌치 충전 프로세스 후에 평탄화되어 후속 리소그래피 패터닝을 용이하게 하고 표면 불연속성들을 제거한다.
도 9b를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(910)에는 마스킹 층(914)이 제공된다. 마스킹 층(914)은 실리콘 이산화물(예를 들어, 산화물 층)일 수 있다. 실리콘 웨이퍼(910)는 임의의 도핑, 저항률, 및 결정 배향의 것일 수 있는데, 그 이유는 프로세스가 구조들을 조각하고 형성하기 위해 반응성 이온 에칭에만 의존하기 때문이다. 마스킹 층(914)은 격리 트렌치 에칭 프로세스 동안 실리콘 웨이퍼(910)의 상면을 보호하는 역할을 하므로 마스킹 층을 나타낸다. 이 마스킹 층은 실리콘의 열 산화 또는 화학 기상 증착(CVD)을 포함하는 임의의 수의 기법들로부터 형성될 수 있다. 마스킹 층(914)의 전형적인 두께는 0.5-1.0 um 이다. 이어서, 포토레지스트 층(916)이 실리콘 웨이퍼(910) 상에 스피닝되고, 표준 포토리소그래피 기법들을 사용하여 노광 및 현상되어 격리 트렌치(920)를 위한 격리 트렌치 패턴을 정의한다. 반응성 이온 에칭은 포토레지스트 패턴을 마스킹 층(914)에 전사하는데 사용되어, 실리콘 웨이퍼( 910)의 상부 표면(즉, 격리 트렌치(920)의 바닥(922))을 노출시킨다. 전형적으로, 이산화규소 마스크는 프레온(Freon) 가스 혼합물, 예를 들어 CHF3 또는 CF4 에서 에칭된다. 이산화규소 에칭을 위한 높은 에칭 레이트들은 유도 결합 플라즈마("ICP") 챔버와 같은 고밀도 플라즈마 반응기를 사용하여 달성된다. 이들 ICP 챔버들은 고밀도 플라즈마를 유지하기 위해 고전력 RF 소스를 사용하고, 낮은 이온 에너지들에서 높은 에칭 레이트들을 달성하기 위해 웨이퍼 상에 더 낮은 전력 RF 바이어스를 사용한다. 200 nm/min 의 산화물 에치 레이트들 및 1:1 초과의 포토레지스트에 대한 선택도들은 이러한 하드웨어 구성에 대해 일반적이다.
도 9c에 도시된 바와 같이, 고에칭율, 고선택도 에칭을 사용하여 실리콘의 깊은 반응성 이온 에칭에 의해 실리콘 웨이퍼(910)에 격리 트렌치(920)가 형성된다. 트렌치는 일반적으로 미국 특허 제 5,501,893 호에 기재된 바와 같이 육불화황(SF6) 가스 혼합물을 사용하여 고밀도 플라즈마에서 에칭된다. 바람직하게는, 에칭은 격리 트렌치( 920) 프로파일이 오목(reentrant) 또는 테이퍼링되도록 제어되며, 격리 트렌치( 920)의 최상부(924)는 격리 트렌치(920)의 최하부(922)보다 더 좁게 된다. 격리 트렌치(920)의 테이퍼링은 후속 프로세싱에서 양호한 전기적 격리가 달성되는 것을 보장한다. 프로파일 테이퍼링은 패시베이션 정도를 조정함으로써, 또는 에칭 프로세스 동안 방전의 파라미터들(전력, 가스 흐름들, 압력)을 변화시킴으로써 반응성 이온 에칭에서 달성될 수 있다. 격리 트렌치(920) 가 유전체 재료로 충전되기 때문에, 격리 트렌치(920)의 최상부(924)에서의 개구는 전형적으로 폭이 2 ㎛ 미만이다. 격리 트렌치(920) 깊이는 전형적으로 10-50 um 범위이다. 바람직한 실시양태에서, 격리 트렌치(920) 에칭은 매립 산화물 층(912)에서 정지한다. 격리 트렌치(920)를 에칭하기 위한 공통 절차는 포토레지스트(>50:1) 및 산화물(>100:1)에 대해 높은 선택성으로 2 um/min을 초과하는 에칭 레이트들을 달성하기 위해 ICP 플라즈마에서 패시베이션 단계들(아르곤을 갖는 프레온)과 에치 단계들(SF6 및 아르곤 혼합물)을 교번하는 것이다. 에칭 사이클들의 전력 및 시간은 테이퍼링된 프로파일을 달성하기 위해 트렌치가 깊어짐에 따라 증가된다. 트렌치 기하학적 형태가 바람직하게는 오목하지만, 미세구조 프로세싱에서의 조정들과 함께 임의의 트렌치 프로파일들이 수용될 수 있다. 우수한 격리 결과들은 다수의 알려진 트렌치 에치 화학물질들 중 임의의 화학물질로 달성될 수 있다. 실리콘 트렌치가 에칭된 후, 포토레지스트 층(916)은 습식 화학 또는 건식 애싱 기법들로 제거되고, 마스킹 층(914)은 반응성 이온 에치("RIE") 또는 완충된 플루오르화수소산으로 제거된다.
도 9d를 참조하면, 격리 트렌치(920)는 절연 유전체 재료, 전형적으로 이산화규소로 채워진다. 충전 절차는 격리 트렌치(920) 내의 대부분 고형의 격리 세그먼트를 초래하고, 실리콘 웨이퍼(910)의 상부 면(상부 표면) 상의 유전체 재료의 층 및 격리 트렌치(920)의 측벽( 928) 상의 유전체 층( 928) 상의 유전체 층 및 격리 트렌치(920)의 하부(922) 및 측벽(928) 상의 유전체 층들을 디포짓(deposit)하도록 역할한다 디포짓된 층의 두께는 일반적으로 1 um 초과이다. 이러한 충전(fill)은 화학 기상 증착("CVD") 기법들 또는 바람직하게는 고온에서 실리콘의 산화로 달성될 수 있다. 열 산화에서, 웨이퍼는 900-1150°C의 온도에서 산소가 풍부한 환경에 노출된다. 이 산화 프로세스는 이산화규소를 형성하기 위해 실리콘 표면들을 소비한다. 이 프로세스로부터의 결과적인 체적 팽창은 트렌치들의 측벽들이 서로 잠식하게 하여, 결국 트렌치 개구를 폐쇄한다. CVD 충전에서, 일부 유전체는 벽들 상에 디포짓되지만, 충전은 또한 트렌치의 바닥 상의 디포지션(deposition)으로부터 발생한다. 트렌치들의 CVD 유전체 충전은 플라즈마 강화 CVD 챔버 및 저압 CVD 퍼니스 튜브에서 TEOS 또는 실란 혼합물로 입증되었다.
격리 트렌치(920) 충전 프로세스 동안, 대부분의 격리 트렌치 프로파일은 불완전하게 충전되어, 인터페이스(932) 및 보이드(void)(930)가 격리 트렌치(920) 내에 형성되는 것이 일반적이다. 보이드(930)에서의 국부적인 응력 집중은 일부 디바이스들에 대해 전기적 및 기계적 오작동을 야기할 수 있지만, 격리 트렌치(920)의 둘러싸인 기하학적 형상으로 인해 미세기계 디바이스들에 대해 일반적으로 중요하지 않다. 격리 트렌치(920)의 최하부(922)보다 격리 트렌치(920)의 최상부(924)에 위치된 격리 트렌치 개구가 더 넓도록 격리 트렌치(920)를 성형함으로써 인터페이스(932) 및 보이드(930)가 제거될 수 있다. 그러나, 양호한 전기적 절연은 이후 단계들에서 미세구조 트렌치 에치의 추가적인 테이퍼링(tapering)을 요구할 것이다. 격리 트렌치 충전 프로세스의 다른 아티팩트는, 격리 트렌치(920) 위에 중심을 둔 마스킹 층(914)의 표면에 생성되는 만입부(926)이다. 이러한 만입부는 대부분의 트렌치 충전 프로세스들에서 불가피하며, 디포지션의 두께에 따라 0.5 um만큼 깊을 수 있다. 만입부(926)를 제거하기 위해, 표면은 후속 리소그래피 및 디포지션 단계들을 위해, 도 9e에 도시된 바와 같이, 편평한, 또는 실질적으로 편평한 표면을 형성하도록 평탄화된다. 평탄화는 화학적-기계적 연마(CMP)에 의해 또는 포토레지스트, 스핀-온 글래스(spin-on glass), 또는 폴리이미드(polymide)일 수 있는 점성 물질을 디포짓하고, 만입부(926)를 채우도록 재료를 유동시켜 매끄러운 마무리로 수행함으로써 수행된다. 평탄화의 제 2 단계인 점성 물질의 에치백 동안, 표면은 충전된 만입부를 포함하여 균일하게 에칭된다. 따라서, 표면 산화물 층의 일부를 제거함으로써, 만입부(926)는 균일한 두께 층을 생성하도록 제거된다. 예를 들어, 마스킹 층(914)이 원래 두께가 2 um이면, 만입부( 926)를 제거하기 위한 평탄화는 1 um 미만의 최종 두께를 갖는 마스킹 층(914)을 남긴다. 실리콘 웨이퍼(910)의 상면(10)(상부 표면)은 결함이 없고, 추가적인 리소그래피 및 디포지션을 위해 준비된다.
도 9f는 마스킹 층 (914) 및 격리 트렌치들(920)을 갖는 실리콘 웨이퍼(910)를 도시한다. 격리 트렌치들(920)이 제조된 후에, 실리콘 웨이퍼(910)의 하부면(20)(후면) 상의 블레이드들에 대한 마스킹 층을 리소그래피적으로 패터닝하기 위해 표준 전방-대-후방 정렬이 사용된다. 블레이드 패턴(972)은 노출되고 마스킹 층(914) 내로 에칭된다. 마스킹 층(914)은 전형적으로 열적으로 성장된 실리콘 산화물 및 화학 기상 증착에 의해 디포짓된 산화물의 조합으로 이루어진 층이다. 또한 알루미늄과 같은 금속 층으로 구성될 수도 있다. 리소그래피 패턴은 반응성 이온 에칭에 의해 마스킹 층 내에서 전사되지만, 실리콘 블레이드 에칭은 프로세스의 나중까지 완료되지 않는다. 에칭된 블레이드들이 없으면, 웨이퍼는 나머지 디바이스 층들을 통해 용이하게 프로세싱된다. 블레이드 패턴(972)의 후면은 전형적으로 격리 트렌치들(920)의 상면에서 수 미크론 이내로 정렬된다.
실리콘 웨이퍼(910)의 상면(10) 상의 금속화(metallization)는 그 후 도 9g에 도시된 바와 같이 진행된다. 하부 실리콘 웨이퍼(910)에 접촉하게 하기 위해, 비아들(952)은 패터닝되고 표준 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 마스킹 층(914) 내로 에칭된다. 비아(952)가 에칭된 후, 금속화(metallization)가 디포짓되어 금속 층( 940)을 형성하고 패턴화되어 금속 인터커넥트(956)를 형성하고, 컨택트(954)가 실리콘 웨이퍼(950)를 통해 실리콘 웨이퍼(952)에 연결된다. 일 실시양태에서, 금속은 알루미늄이고 습식 에칭 기법들을 사용하여 패터닝된다. 높은 인터커넥트 밀도들을 갖는 미러 어레이들에서, 더 미세한 선폭들을 달성하기 위해 건식 에칭 또는 증발된 금속 리프트-오프 기법들을 사용하여 금속을 패터닝하는 것이 유리하다. 금속 층(940)은 미러 작동을 제어하기 위해 제어 회로부로부터의 전기 신호들을 각각의 미러에 연결하는 본드 패드들 및 인터커넥트들을 제공하는 데 사용된다.
제 2 금속 층(960)의 디포지션은 반사 미러 표면을 제공한다. 이 금속은 관심있는 광학 파장들에서 높은 미러 반사율(mirror reflectivity)들을 제공하도록 조정되고, 금속화 기법들의 더 넓은 선택을 허용하기 위해 전형적으로 리프트-오프 기법들을 사용하여 증발되고 패터닝된다. 일 실시양태에 대해, 금속화는 500 nm의 알루미늄으로 구성된다. 그러나, Cr/Pt/Au와 같은 추가적인 금속 스택들이 광섬유에 공통인 파장 대역들에서의 반사율들을 증가시키기 위해 사용될 수도 있다. 금속들이 응력 하에서 디포짓되고 최종 미러 평탄도에 영향을 미칠 것이기 때문에, 미러의 영역에서 마스킹 층(914)의 두께를 감소시키는 것이 유리하다. 이는 증발 전에 하부 유전체의 건식 에칭의 사용을 통해 달성될 수 있다.
도 9h에서, 상면 처리가 완료된다. 먼저, 후속 프로세싱 동안 금속화를 보호하기 위해 패시베이션 유전체 층(passivation dielectric layer)(미도시)이 적용될 수도 있다. 패시베이션 유전체 층은 본딩 패드들의 영역에서 제거된다. 둘째, 프레임, 미러, 및 지지체들을 포함하는 미러 구조체는 구조적 요소들을 분리하는 트렌치들(921)을 정의하는 다수의 에치들을 사용하여 정의된다. 에치들은 자기-정렬되고, 다양한 금속, 유전체, 및 실리콘 웨이퍼들(910)을 통해 진행한다. 트렌치들(921)의 측벽들을 패시베이팅하고 기계적 릴리스를 위해 상부면을 준비하는 추가의 블랭킷 디포지션이 상부면에 적용된다.
도 9i 에 도시된 바와 같이, 후면 실리콘 에칭은 블레이드들(970)을 얻기 위해 실리콘 웨이퍼(910) 기판 내로 블레이드 패턴(972)을 전달한다. 에칭은 미국 특허 제 5,501,893 호에 개시된 기법들을 사용하여 산화물에 대한 높은 선택성으로 깊은 실리콘 에칭을 사용하여 수행된다. 깊은 실리콘 에칭은 블레이드들(970)에서 거의 수직 프로파일들을 달성하며, 이는 명목상 5-20 um 폭일 수 있고 300 um 깊이를 초과할 수 있다. 에칭은 실리콘 웨이퍼(910)의 상면(10) 표면을 펀칭하지 않으면서 웨이퍼에 걸쳐 균일한 깊이를 제공하기 위해 매립 산화물 층(912) 상에서 정지한다. 에칭이 매립 산화물 층(912) 상에서 정지하기 때문에, 중앙 스테이지(802) 상의 세장형 부재들( 830)이 디바이스에 걸쳐 에칭 깊이 변동들을 제거하는데 사용될 필요가 없다. 따라서, 도 8b, 8c 및 8d의 상이한 패턴들이 가능하다. 모든 블레이드들(970)은 미러 요소에 걸쳐 그리고 미러 어레이에 걸쳐 동시에 에칭될 수 있다. 이때, 매립 산화물 층(912)이 에칭될 수도 있다.
도 9j 를 참조하면, 디바이스 웨이퍼가 이제 미세구조체 릴리스를 위해 준비되기 때문에, 디바이스 웨이퍼(320)는 취급 충격 또는 기류로 인한 수율 손실에 더 민감하게 된다. 취급을 용이하게 하고 미러 어레이를 기밀 밀봉하는 것을 돕기 위해, 실리콘 웨이퍼(310)는 릴리스 후 블레이드들을 보호하기 위해 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩된다. 일 실시양태에서, 본딩은 유동 온도로 가열된 다음 냉각되는 프릿 유리 재료 본딩 요소와 같은 본딩 요소(322)의 사용을 통해 달성된다. 이러한 방식으로, 400°C 온도 본딩 요소들(312)은 전체 미러 어레이를 둘러싸도록 기밀 밀봉(hermetic seal)을 생성한다. 프릿 유리 재료 본딩 요소와 같은 본딩 요소들(322)을 사용하는 디바이스 웨이퍼(320)와 실리콘 웨이퍼( 310) 사이의 분리는 블레이드들(970)이 임피던스 없이 높은 회전 각도를 통해 스윙할 수 있게 한다. 전형적으로, 요구되는 스탠드오프는 25 um보다 크다.
최종 구조체 릴리스는 실리콘 이산화물 및 실리콘의 건식 에칭의 조합을 이용하여 도 9k 의 웨이퍼 상면 상에서 달성되며, 이는 미러( 336) 및 프레임(330)의 이동가능한 요소들을 현수하기 위해 트렌치들(921)을 통해 천공한다. 또한, 릴리스 에치는 예를 들어, 주변 부재들(338, 338') 및 디바이스 웨이퍼(320)의 실리콘으로부터 프레임(330)의 실리콘을 분리함으로써 전기적 격리를 촉진한다. 비아들(952)은 실리콘의 영역들을 금속 인터커넥트들(956)(도 9g에 도시됨)에 연결하는 역할을 한다. 미러들을 외부 환경으로부터 완전히 밀봉하기 위해, 리드 웨이퍼(350)는 바람직하게는 본딩 요소(322)(예를 들어, 프릿 유리 시일)를 통해 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩된다. 리드 웨이퍼(350)는 통상적으로, 들어오는 광이 미러 공동(332)에서 낮은 손실로 투과되고, 미러(336)의 상부 표면으로부터 반사되고, 미러 공동(332)의 외부로 투과되도록 허용하는 유리이다.
다른 변형예에서, 디바이스 웨이퍼(320)와 본딩하기 이전에, 실리콘 웨이퍼(310)는 마스킹 층(412)(도 10a에 도시됨)으로 코팅된다. 이 마스킹 층은 열적으로 성장된 실리콘 산화물과 화학 기상 증착에 의해 디포짓된 산화물의 조합으로 구성될 수도 있다. 이는 또한 공융(eutectic) 또는 열압착(thermo-compression) 접합에 사용될 수도 있는 알루미늄, 게르마늄, 또는 금과 같은 금속 층으로 구성될 수도 있다. 마스킹 층(412)은 (도 10b에 도시된 바와 같이) 표준 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 패터닝된다. 실리콘 에칭은 마스킹 층 (412) 의 패턴을 실리콘 웨이퍼 (310) 기판 내로 전사하여 지지 앵커들 (430) 을 획득한다. 에칭은 미국 특허 제 5,501,893 호에 개시된 기법들을 사용하여 산화물에 대한 높은 선택성으로 깊은 실리콘 에칭을 사용하여 수행된다. 에칭 깊이는 블레이드들(970)이 임피던스 없이 높은 회전 각도들을 통해 스윙할 수 있게 한다. 전형적으로, 요구되는 깊이는 25 um 보다 크다. 실리콘 웨이퍼(310)는 예를 들어 공융 본딩(eutectic bonding), 열압착 본딩, 용융 본딩 또는 양극 본딩(anodic bonding)을 이용하여 디바이스 웨이퍼(320)에 본딩된다. 본딩 프로세스 동안, 지지 앵커들(430)은 (도 4에 도시된 바와 같이) 지지 웨빙(334)과 접촉한다. 일부 구성들에서, 지지 앵커들(430)은 지지 웨빙(334)에 본딩된다. 다른 구성들에서, 지지 앵커들(430)은 지지 웨빙(334)과 접촉한다. 지지 앵커들(430)과 지지 웨빙( 334) 사이의 접합 또는 접촉은 미러들(336)로부터 공통 앵커들을 통한 임의의 결합된 기계적 운동을 감쇠시킨다.
본 발명의 바람직한 실시양태들이 여기에 나타내어지고 설명되었지만, 그러한 실시양태들이 단지 예로서 제공되는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 수많은 변형, 변화 및 치환이 이제 당업자에게 떠오를 것이다. 본원에 기재된 본 발명의 실시양태들에 대한 다양한 대안들이 본 발명을 실시하는데 이용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 청구항들이 본 발명의 범주를 정의하며 이러한 청구항들의 범주 내의 방법들과 구조들 및 그의 균등물들이 이에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
Claims (25)
- 미세 전자기계 (MEMS) 어레이로서,
제 1 스테이지, 상기 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 공진 주파수를 갖는 제 1 스테이지 반사 표면;
제 2 스테이지, 상기 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 공진 주파수를 갖는 제 2 스테이지 반사 표면; 및
상기 제 1 스테이지 및 상기 제 2 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼로서, 상기 제 1 스테이지는 상기 베이스 웨이퍼 상의 상기 제 2 스테이지에 인접한, 상기 베이스 웨이퍼를 포함하는, MEMS 어레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들에 의해 상기 제 1 프레임에 피벗식으로 결합되고, 상기 제 2 스테이지는 한 쌍의 제 2 스테이지 플렉셔들에 의해 상기 제 2 프레임에 피벗식으로 결합되는, MEMS 어레이. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지 플렉셔들 및 상기 제 2 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 한 회전을 실질적으로 제한하도록 구성되고, 상기 단일 축은 상기 제 1 스테이지 플렉셔들 및 상기 제 2 스테이지 플렉셔들 중 하나 이상의 길이를 따라 존재하는, MEMS 어레이. - 제 3 항에 있어서,
상기 플렉셔들은 복수의 토션 빔들을 포함하는, MEMS 어레이. - 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 토션 빔들은 서로 실질적으로 평행한, MEMS 어레이. - 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 토션 빔들 각각은 토션 빔 길이를 갖고, 상기 복수의 토션 빔들은 상기 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않은, MEMS 어레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트로서, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트; 및 상기 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트로서, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트; 및
상기 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트로서, 상기 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 1 세트; 및 상기 제 2 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트로서, 상기 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 2 스테이지 블레이드들의 제 2 세트를 더 포함하는, MEMS 어레이. - 제 1 항에 있어서,
제 3 스테이지, 상기 제 3 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 3 프레임, 및 제 3 공진 주파수를 갖는 제 3 스테이지 반사 표면을 더 포함하고,
또한, 상기 제 3 스테이지는 제 1 면 상의 상기 제 1 스테이지 및 상기 제 1 면에 수직인 제 2 면 상의 상기 제 2 스테이지에 인접하여 상기 베이스 웨이퍼 상에 위치되는, MEMS 어레이. - 제 8 항에 있어서,
제 4 스테이지, 상기 제 4 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 4 프레임, 및 제 4 공진 주파수를 갖는 제 4 스테이지 반사 표면을 더 포함하고,
또한, 상기 제 4 스테이지는 상기 제 1 스테이지, 상기 제 2 스테이지 및 상기 제 3 스테이지 중 적어도 하나에 인접하여 상기 베이스 웨이퍼 상에 위치되는, MEMS 어레이. - 제 1 항에 있어서,
본딩 요소에 의해 상기 베이스 웨이퍼에 고정된 디바이스 웨이퍼를 더 포함하는, MEMS 어레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙과 접촉하는 지지 앵커를 더 포함하고, 또한, 상기 지지 앵커와 상기 지지 웨빙 사이의 접촉은 상기 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠시키도록 동작가능한, MEMS 어레이. - 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법으로서,
기판의 제 1 면 상에 유전체 재료의 층을 형성하는 단계;
유전체 재료를 포함하는 수직 격리 트렌치들을 상기 기판의 상기 제 1 면 상에 형성하는 단계;
상기 기판의 상기 제 1 면 반대편의 상기 기판의 제 2 면 상에 마스킹 층을 패터닝하는 단계;
상기 기판의 상기 제 1 면 상에 비아들을 형성하는 단계;
상기 기판의 상기 제 1 면을 금속화하는 단계;
상기 기판의 상기 제 1 면 상에 제 2 금속 층을 디포짓하여 반사 표면을 형성하는 단계;
상기 기판의 상기 제 1 면 상에 구조체들을 정의하기 위한 제 2 트렌치들을 형성하는 단계;
상기 기판의 상기 제 2 면을 깊게 에칭하여 좁은 블레이드들을 형성하는 단계;
상기 좁은 블레이드들을 형성한 후에 상기 기판의 상기 제 2 면에 베이스 웨이퍼를 본딩하는 단계; 및
상기 구조체들을 분리하고 전기적 격리를 제공하기 위해 상기 기판의 상기 제 1 면 상의 상기 제 2 트렌치들을 통해 에칭하는 단계를 포함하고,
상기 미세 전자기계 어레이는 제 1 스테이지, 상기 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 공진 주파수를 갖는 제 1 스테이지 반사 표면, 그리고, 제 2 스테이지, 상기 제 2 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 2 프레임, 및 제 2 공진 주파수를 갖는 제 2 스테이지 반사 표면을 갖는, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하는, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 유전체 재료는 이산화규소인, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 기판의 상기 제 1 면을 금속화한 후에 상기 기판의 상기 제 1 면 상에 패시베이션 유전체 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 기판의 상기 제 1 면에 리드 웨이퍼를 부착하는 단계를 더 포함하는, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 리드 웨이퍼는 유리를 포함하는, 미세 전자기계 (MEMS) 어레이를 제조하기 위한 방법. - 미세 전자기계 (MEMS) 어레이로서,
제 1 스테이지, 상기 제 1 스테이지에 피벗식으로 결합된 제 1 프레임, 및 제 1 스테이지 반사 표면; 및
상기 제 1 스테이지 아래에 위치된 베이스 웨이퍼로서, 상기 베이스 웨이퍼는 지지 웨빙과 접촉하는 지지 앵커를 더 포함하고, 또한, 상기 지지 앵커와 상기 지지 웨빙 사이의 접촉은 상기 반사 표면의 기계적 운동을 감쇠시키도록 동작가능한, 상기 베이스 웨이퍼를 포함하는, MEMS 어레이. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지는 한 쌍의 제 1 스테이지 플렉셔들에 의해 상기 제 1 프레임에 피벗식으로 결합되는, MEMS 어레이. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지 플렉셔들은 단일 축을 중심으로 회전하고 다른 축들을 중심으로 한 회전을 실질적으로 제한하도록 구성되고, 상기 단일 축은 상기 플렉셔들의 길이를 따라 존재하는, MEMS 어레이. - 제 20 항에 있어서,
상기 플렉셔들은 복수의 토션 빔들을 포함하는, MEMS 어레이. - 제 21 항에 있어서,
상기 복수의 토션 빔들은 서로 실질적으로 평행한, MEMS 어레이. - 제 21 항에 있어서,
상기 복수의 토션 빔들 각각은 토션 빔 길이를 갖고, 상기 복수의 토션 빔들은 상기 토션 빔 길이들의 부분을 따라 평행하지 않은, MEMS 어레이. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트로서, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 1 세트; 및 상기 제 1 스테이지에 결합된 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트로서, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트는 서로 전기적으로 연결되는, 상기 하나 이상의 제 1 스테이지 블레이드들의 제 2 세트를 더 포함하는, MEMS 어레이. - 제 18 항에 있어서,
본딩 요소에 의해 상기 베이스 웨이퍼에 고정된 디바이스 웨이퍼를 더 포함하는, MEMS 어레이.
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