KR20240036003A - 감소된 관성 모멘트를 갖는 마이크로-미러들 및 mems 디바이스들의 설계 및 제조 - Google Patents
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Abstract
프레임 또는 기판에 장착된 하나 이상의 고정 블레이드들, 이동될 각각의 구조에 장착된 하나 이상의 이동가능한 블레이드들, 및 사용 동안 관성 모멘트를 감소시키는 구조들이 현수되는 플렉셔(flexure)들을 제공하는 방법들, 장치들 및 제조 방법들이 기재된다.
Description
상호 참조
이 출원은 DESIGN AND FABRICATION OF A MICRO-MIRROR WITH REDUCED MOMENT OF INERTIA 라는 명칭으로, 2021 년 6 월 22 일 출원된 미국 가출원 제 63/213,489 호의 이익을 주장하는, 2022 년 6 월 17 일 출원된 미국 실용 출원 제 17/807,441 호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전부가 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 개시는 감소된 관성 모멘트를 갖는 마이크로-미러의 설계 및 제조에 관한 것이다.
MEMS (Micro-Electromechanical System) 디바이스는 전기 회로부를 갖는 마이크로-사이즈의 기계적 구조이며 다양한 집적 회로 (IC) 제조 방법들을 사용하여 제조된다. MEMS 디바이스의 일 타입은 미세한 짐벌 미러 (gimbaled mirror) 디바이스이다. 짐벌 미러 디바이스는 미러 컴포넌트를 포함하며, 이는 기판에서 현수되고, 정전기 작동으로 인해 짐벌을 중심으로 피봇(pivot)할 수 있다. 정전기 작동은 미러 컴포넌트가 피봇하게 하는 전기장을 생성한다. 미러 컴포넌트가 피봇할 수 있도록 함으로써, 미러 컴포넌트는 미러 컴포넌트가 광 빔들을 다양한 포지션들로 재지향시킬 수 있는 모션의 각도 범위를 가질 수 있다.
광학 스위치는 입력 섬유(fiber)에서 출력 섬유로 광 빔들을 커플링하는 스위칭 디바이스이다. 통상적으로, 입력 섬유의 광 빔들은 시준되고 출력 섬유와 같은 원하는 위치를 향해 지향된다. 스위치 미러 어레이에서 이동가능한 미러 (예를 들어, 짐벌 미러) 는 광 빔들을 원하는 위치들로 재지향시킨다. 최대 디바이스 스위칭 속도는 주로 미러 컴포넌트가 발진하는 공진 주파수에 의해 제한된다. 디바이스의 고유 공진 주파수 는 다음과 같이 주어진다: , 식중 k 는 토션 강성(torsional stiffness)이고, I 는 회전 축에 관한 관성 모멘트이다. 필요한 것은 미러들의 공진 주파수를 증가시키고 최대 디바이스 스위칭 속도를 증가시키기 위해 어레이에서 미러들의 관성 모멘트를 감소시키는 MEMS 미러 어레이들 및 이 어레이들을 제조하는 방법들이다.
본 개시의 일 양태는 마이크로-미러 제조의 방법을 제공한다. 방법은 제 1 실리콘 온 절연체 (silicon on insulator; SOI) 기판 상에 제 1 포토레지스트 층을 형성하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판은 제 1 실리콘 층, 제 2 실리콘 층, 및 제 1 실리콘 층과 제 2 실리콘 층 사이의 제 1 산화물 층을 포함한다. 방법은 제 1 포토레지스트 층 및 제 2 실리콘 층을 식각하여 벌집(honeycomb) 리세스 패턴을 형성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제 1 포토레지스트 층을 제거하는 단계 및 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 상에 제 2 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 제 2 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판은 제 3 실리콘 층, 제 4 실리콘 층, 및 제 3 실리콘 층과 제 4 실리콘 층 사이의 제 2 산화물 층을 포함한다. 방법은 또한 제 2 산화물 층과 제 4 실리콘 층을 제거하는 단계를 포함한다.
본 개시의 다른 양태는 이동가능한 미러를 제공한다. 이동가능한 미러는 공동(cavity)을 포함하는 고정 프레임, 공동에 배치된 이동가능한 프레임, 및 공동에 배치된 중앙 스테이지를 포함한다. 중앙 스테이지는 복수의 리세스된 영역들을 포함한다.
개시의 구현들은 다음의 선택적 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 이동가능한 미러는 중앙 스테이지 (예를 들어 리세스된 영역들을 갖는 표면의 반대 측) 상에 미러를 포함할 수 있다. 부가적으로, 리세스된 영역들은 중앙 스테이지의 표면 상에 벌집 패턴을 형성할 수 있다. 복수의 리세스된 영역들은, 원형 형상의 리세스된 영역, 타원형 형상의 리세스된 영역, 직사각형 형상의 리세스된 영역, 평행사변형 리세스된 영역, 삼각형 리세스된 영역, 또는 육각형 형상의 리세스된 영역 중 적어도 하나를 포함하지만, 이에 제한되지 않은 다양한 형상들을 가질 수 있다. 이동가능한 미러는 또한 제 1 블레이드와 제 2 블레이드를 갖는 복수의 블레이드들을 포함할 수 있다. 제 1 블레이드는 또한 복수의 리세스된 영역들을 포함하는 중앙 스테이지와 오버랩할 수 있다. 이동가능한 미러는 또한 제 1 블레이드와 제 2 블레이드 사이에 미러 공동을 더 포함할 수 있다. 리드 기판 및 베이스 기판이 또한 이동가능한 미러에 포함될 수 있으며, 여기서 리드 기판 및 베이스 기판은 복수의 리세스된 영역들을 포함한다. 복수의 리세스된 영역들은 또한 미러와 오버랩될 수 있다.
참조에 의한 통합
본 명세서에서 언급된 모든 공개, 특허, 및 특허 출원은, 각각의 개별 공개, 특허, 및 특허 출원이 참조로 포함되는 것으로 구체적으로 개별적으로 나타낸 경우와 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 포함된다.
US 5,501,893 A Laermer 등에 03/26/199t 발행;
US 6,538,799 B2 McClelland 등에 3/25/2003 발행;
US 6,704,132 B2 Dewa 에 3/9/2004 발행;
US 6,903,860 B2 Ishii 에 6/7/2005 발행;
US 6,912,078 B2 Kudrle 등에 6/28/2005 발행;
US 7,057,784 B2 Miyajima 등에 6/6/2006 발행;
US 7,261,826 B2 Adams 등에 8/28/2007 발행;
US 7,403,338 B2 Wu 등에 7/22/2008 발행;
US 7,567,367 B2 Ji 등에 7/28/2009 발행;
US 7,782,514 B2 Moidu 등에 8/24/2010 발행;
US 8,345,336 B2 Krastev 등에 1/1/2013 발행;
US 8,636,911 B2 Chen 등에 1/28/2014 ;
US 8,691,099 B2 Gritters 등에 4/8/2014 발행;
US 8,873,128 B2 Conrad 등에 10/28/2014 발행;
US 9,036,231 B2 Zhou 에 5/19/2015 발행;
US 9,086,571 B2 Zhou 에 7/21/2015 발행;
US 2005/0139542 A1 Dickensheets 등에 6/30/2005 공개;
US 2007/0053044 A1 Kawakami 등에 3/8/2007 공개;
MARXER 등의, Vertical mirrors fabricated by deep reactive ion etching for fiber-optic switching applications, J. MEMS Systems, 6(3), 277-285 (1997); 및
HALL 등의, Mass reduction patterning of silicon-on-oxide-base micromirrors, J. Micro/Nanolith MEMS MOEMS 15(4): 145501 (2016).
본 발명의 신규한 특징들은 특히 첨부된 청구항들로 제시된다. 본 발명의 원리들이 활용되는 예시적인 실시형태들을 제시하는 다음의 상세한 설명, 및 그 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 특징들 및 이점들이 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1 은 종래 기술의 미러 어레이의 일 부분을 도시한다.
도 2 는 라인들 2-2 를 따라 취해진 도 1 의 종래 기술의 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 3 은 미러 어레이로부터의 예시적인 개별 미러를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d 는 관성 모멘트를 감소시키도록 동작가능한 리세스된 영역들을 갖는 MEMS 에 대한 다양한 구성들을 도시한다.
도 5a 내지 도 5r 은 벌집형 리세스들을 갖는 마이크로-미러들을 제조하기 위한 공정 단계들을 도시한다.
도 6 은 공동을 갖는 SOI 웨이퍼를 도시한다.
도 7 은 미러 어레이들로 구현된 광학 (회로) 스위치를 도시한다.
도 1 은 종래 기술의 미러 어레이의 일 부분을 도시한다.
도 2 는 라인들 2-2 를 따라 취해진 도 1 의 종래 기술의 미러 어레이의 단면을 도시한다.
도 3 은 미러 어레이로부터의 예시적인 개별 미러를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d 는 관성 모멘트를 감소시키도록 동작가능한 리세스된 영역들을 갖는 MEMS 에 대한 다양한 구성들을 도시한다.
도 5a 내지 도 5r 은 벌집형 리세스들을 갖는 마이크로-미러들을 제조하기 위한 공정 단계들을 도시한다.
도 6 은 공동을 갖는 SOI 웨이퍼를 도시한다.
도 7 은 미러 어레이들로 구현된 광학 (회로) 스위치를 도시한다.
더 높은 공진 주파수를 달성하기 위해 마이크로-미러의 감소된 관성 모멘트를 MEMS 에 제공하는 MEMS 미러 어레이들 및 이 어레이들을 제조하는 방법들이 개시된다. 더 높은 공진 주파수는 충격, 지진 또는 다른 진동 소스들로부터의 가속들과 같은 환경 진동들에 대해 더 적은 커플링을 초래한다. 부가적으로, 더 높은 공진 주파수는 진동으로부터 MEMS 를 포함하는 시스템을 격리시키기 위한 감소된 요건을 초래한다. 또한, 미러가 광학 스위치에서 사용될 때 더 빠른 스위칭 속도가 가능하다. 이러한 모든 결과들은 제조 공정 동안 미러의 후면 내로 벌집 패턴을 통합시킴으로써 달성가능하다.
도 1 은 종래 기술의 MEMS 미러 어레이 (100) 의 일 부분의 상부 층 뷰를 도시한다. MEMS 미러 어레이 (100) 는 금속 층 (110), 미러 공동 (112), 및 지지체 (120) 를 갖는다.
당업자에 의해 이해될 바와 같이, MEMS 어레이 (100) 는 다중 스테이지 액추에이터들을 갖는다. 어레이에서의 각각의 액추에이터는 중앙 스테이지, 이동가능한 프레임, 및 정지 프레임을 포함한다. 정지 프레임은 중앙 스테이지 및 이동가능한 프레임이 배치되는 공동을 형성할 수 있다. 반사 엘리먼트 (예를 들어, 미러) 는 중앙 스테이지에 커플링되고 제 1 중앙 스테이지 플렉셔 및 제 2 중앙 스테이지 플렉셔에 의해 이동가능한 프레임으로부터 현수될 수도 있다. 반사 엘리먼트는 수신된 광 빔의 광학 경로와는 상이한 광학 경로를 따라 광 빔을 재지향시키는데 사용될 수도 있다. 중앙 스테이지 상에 미러를 포함하는 액추에이터는 또한 미러 셀 또는 미러를 갖는 MEM 액추에이터로 지칭된다.
중앙 스테이지의 회전은 이동가능한 프레임의 회전과 독립적일 수 있다. 따라서, 액추에이터는 디커플링된 모션을 허용할 수 있다. 예를 들어, 중앙 스테이지는 정지 프레임에 대해 회전할 수 있는 한편 이동가능한 프레임은 정지 프레임에 대해 평행하고 정지 상태로 유지된다. 또한, 이동가능한 프레임은 정지 프레임에 대해 회전할 수 있는 한편 중앙 스테이지는 이동가능한 프레임에 대해 평행 (및 정지) 상태로 유지된다. 이동가능한 프레임은 제 1 정지 프레임 플렉셔 및 제 2 정지 프레임 플렉셔를 통해 정지 프레임에 맞물린다. 더욱이, 중앙 스테이지 및 이동가능한 프레임은 예를 들어, 양자 모두가 동시에 그러나 서로 독립적으로 회전할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 중앙 스테이지, 이동가능한 프레임, 및 정지 프레임은 동시에 비-평행이며 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 이동가능한 프레임에 커플링된다. 제 1 단부 바 및 제 2 단부 바는 차례로, 다중 지지 부재들을 사용하여 이동가능한 프레임의 본체에 부착된다. 지지 부재들은 인장력을 제공하는 실리콘 이산화물 빔들이다. 지지 부재들은 이동가능한 프레임, 중앙 스테이지, 제 1 단부 바, 제 2 단부 바, 및 정지 프레임에 사용된 재료 시스템과는 상이한 양을 팽창시킴으로써 인장력을 제공한다. 상이한 팽창의 재료 시스템들이 제 1 중앙 플렉셔 및 제 2 중앙 플렉셔를 인장 내로 놓기 위해 이동가능한 프레임 내에 배치될 수 있다. 특히, 이동가능한 프레임과 제 1 및 제 2 단부 바들에 대해 작용하는 연결 부재들에 의해 제공된 팽창은 중앙 스테이지 플렉셔와 정지 프레임 플렉셔의 각각의 쌍에 인장력을 야기한다. 지지 부재들은 압축력들 하에서 플렉셔들의 버클링(buckling)으로 인한 포지션 왜곡에 대한 잠재성을 최소화하기 위해 인장력을 가하는 역할을 한다. 일반적으로, 플렉셔들 중 임의의 것이 너무 큰 압축력 하에 있는 경우, 플렉셔들은 버클링할 수도 있다. 이와 같이, 지지 부재들은 중앙 스테이지 플렉셔들을 끌어당겨 이들을 인장으로 배치하기 위해 비수직 각도로 이동가능한 프레임의 본체와 제 1 및 제 2 단부 바들 사이에서 커플링될 수도 있다. 정지 프레임 플렉셔들이 중앙 스테이지 플렉셔들에 수직이기 때문에, 지지 부재들의 부착의 비수직 각도는 이동가능한 프레임의 본체 상에서 견인력(pull)을 야기하고, 이에 의해 정지 프레임 플렉셔들의 인장 및 이들 상의 견인력을 야기한다.
지지 부재들은 이동가능한 프레임의 본체 사이에 커플링될 수도 있고 제 1 및 제 2 단부 바들은 대략 45도 각도로 포지셔닝될 수 있다. 대안적으로, 지지 부재들은 이동가능한 프레임의 본체와 제 1 및 제 2 단부 바들 사이에 45도보다 적거나 큰 각도로 커플링될 수도 있다.
중앙 스테이지 플렉셔들은 중앙 스테이지가 피봇하도록 할 수 있다. 중앙 스테이지 플렉셔들은 또한 회전 각도에 비례하는 일부 토션 저항을 제공하지만, 다른 모든 방향들보다 실질적으로 더 적은 저항을 제공한다. 즉, 다른 방향들 (예를 들어, 좌우, 또는 중앙 스테이지의 표면에 수직인 축 주위) 로의 중앙 스테이지의 원하지 않는 트위스팅 이동에 대한 실질적인 저항이 있다. 또한, 중앙 스테이지 플렉셔들은 적절한 가요성 및 토션 저항을 위해 플렉셔들에 충분한 길이를 제공하기 위해 중앙 스테이지에 형성된 대응하는 슬롯 내로 연장된다. 중앙 스테이지 플렉셔들은 대략 100 마이크론의 길이, 대략 10 마이크론의 높이, 및 대략 1 마이크론의 폭을 가질 수도 있어서, 10:1 종횡비를 초래한다. 이러한 종횡비는 원하는 모션의 방향에서 더 큰 순응성 및 원하지 않는 방향들에서 강성을 제공할 수도 있다. 대안적인 구현에서, 다른 길이들, 높이들, 폭들, 및 종횡비들이 사용될 수도 있다.
유사하게, 정지 프레임 플렉셔들은 다른 방향들 (예를 들어, 좌우, 또는 이동가능한 프레임의 표면에 수직인 축 주위) 로의 이동가능한 프레임의 바람직하지 않은 트위스팅 이동에 대한 저항을 제공하면서 이동가능한 프레임이 피봇하는 것을 가능하게 한다. 정지 프레임 플렉셔들은 적절한 가요성 및 토션 저항을 위해 플렉셔들에 충분한 길이를 제공하기 위해 이동가능한 프레임 및 정지 프레임 내로 형성된 한 쌍의 대응 슬롯들 내로 연장된다.
중앙 스테이지 플렉셔들 및 정지 프레임 플렉셔들 중 하나 이상은 한 쌍의 토션 빔들을 포함할 수도 있다. 다중 토션 빔들의 사용은 단일 빔 플렉셔에 비해, 프레임 또는 스테이지의 원하지 않는 트위스팅 이동에 대한 증가된 저항을 제공할 수도 있다. 한 쌍의 토션 빔들은 다양한 구성들을 가질 수도 있다. 토션 빔들은 이동가능한 프레임 근방의 단부들이 실질적으로 평행하고 갭에 의해 이격된 비-평행 빔들일 수도 있다. 토션 빔들 사이의 갭은, 고정 프레임 근방의 빔들의 단부들이 이동가능한 프레임 근방의 빔들의 단부들보다 서로 더 가깝도록 빔들의 길이를 따라 감소한다. 서로에 대한 토션 빔들의 각도 형성은 플렉셔가 불안정한 트위스팅 모드들에 저항하는 것을 도울 수도 있다. 대안적인 구현에서, 토션 빔들은 고정 프레임 근방의 그들의 단부들이 이동가능한 프레임 근방의 그들의 단부들보다 더 떨어지도록 구성될 수도 있다. 또 다른 구현에서, 토션 빔들은 갭이 빔들의 길이를 따라 실질적으로 균일하도록 서로 실질적으로 평행할 수도 있다.
도 2 는 상단측 (10) 및 하단측 (20) 을 갖는 도 1 에서의 라인들 2-2 를 따라 취해진 종래 기술의 MEMS 미러 어레이 (100) 의 부분 단면을 도시하며, 여기서 MEMS 미러 어레이 (100) 내부의 각각의 층은 상단측 (10) 을 향해 배향된 층 상단 표면 및 하단측 (20) 을 향해 배향된 하단 표면을 갖는다. 어레이는 베이스 웨이퍼 (210) 및 리드 웨이퍼 (250) 를 갖는다. 베이스 웨이퍼 (210) 는 베이스 웨이퍼 (210) 를 디바이스 웨이퍼 (220) 에 본딩하는 베이스 웨이퍼 층의 양 단부에 제 1 쌍의 본딩 엘리먼트들 (212, 212') 을 갖는다. 본딩 엘리먼트들 (212, 212') 은 본딩될 때 기밀 밀봉(hermetic seal)을 제공할 수 있다. 제 2 쌍의 본딩 엘리먼트들 (222, 222') 은 디바이스 웨이퍼 (220) 를 리드 웨이퍼 (250) 에 본딩한다.
구조 릴리스(release) 가 건식 식각을 사용하여 리드 웨이퍼 (250) 의 상부 표면 (예를 들어, 상단측 (10)) 에서 달성되며, 이는 복수의 구조 트렌치들 (226) 을 펑처링하여 프레임 (230) 및 미러 (224) 의 이동가능한 엘리먼트들을 현수한다. 또한, 릴리스 식각은 예를 들어 프레임 (230) 의 실리콘을 주변 부재들 (238, 238') 의 실리콘으로부터 분리함으로써 전기적 격리를 촉진한다. 비아들 (225) 은 실리콘의 영역들을 금속 인터커넥트들 (240) 에 연결하는 역할을 한다. 외부 환경으로부터 미러들을 완전히 밀봉하기 위해, 리드 웨이퍼 (250) 는 예를 들어, 프릿 유리 시일인 제 2 쌍의 본딩 엘리먼트들 (222, 222') 을 통해, 디바이스 웨이퍼 (220) 에 본딩된다. 리드 웨이퍼 (250) 는 통상적으로 입사 광이 미러 공동 (232) 에서 낮은 손실로 투과되고, 미러 (236) 의 상부 표면으로부터 반사되며, 미러 공동 외부로 투과할 수 있도록 하는 유리이다. 격리 트렌치들 (228) 은 실리콘 이산화물과 같은 유전체 재료로 채워진다. 일단 채워지면, 격리 트렌치들 (228) 은 미러가 릴리스된 후에 블레이드들 사이에 전기적 격리를 제공한다.
도 3 은 본 개시의 일부 구현들에 따른 액추에이터 (300) 로 구성된 개별 미러의 레이아웃을 도시한다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 액추에이터 (300) 는 회전을 가능하게 하는 작동 메커니즘 구조로서 2개의 대응하는 고정 블레이드들 (예를 들어, 제 1 측면 플랭킹 블레이드들 (324, 324')) 를 갖는 단일 이동가능한 블레이드 (예를 들어, 제 1 측면 블레이드 (322)) 를 사용한다. 도시된 바와 같이, 일부 구현들에서, 액추에이터 (300) 는 스테이지당 2개의 이러한 작동 메커니즘 구조들 및 프레임당 2개의 이러한 작동 메커니즘 구조들을 사용한다. 이에 따라, 복수의 블레이드들이 제공된다.
일부 구현들에서, 제 1 블레이드 (312) 는 스테이지 (302) 에 커플링되고 제 1 블레이드 (312) 의 대향 단부들 상의 이동가능한 프레임 (304) 에 커플링되는 한 쌍의 제 1 플랭킹 블레이드들 (314, 314') 에 의해 양 측에 플랭킹된다. 도시된 바와 같이, 스테이지 (302) 는 제 1 블레이드 (312) 가 제 1 플랭킹 블레이드들 (314, 314') 에 대해 이동하도록 구성되도록 이동가능한 프레임 (304) 에 피봇식으로 커플링된다. 제 1 블레이드 (312) 와 제 1 플랭킹 블레이드들 (314, 314') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력(attraction)이 생성되어 스테이지 (302) 가 피봇하게 한다. 예를 들어, 제 1 블레이드 (312) 는 활성 전압이 제 1 플랭킹 블레이드들 (314, 314') 중 어느 하나에 인가되는 동안 접지 전위로 유지될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 플랭킹 블레이드 (314) 에 대한 활성 전압의 인가는 제 1 블레이드 (312) 를 끌어당김으로써, 스테이지 (302) 가 대응하는 방향으로 회전하게 할 것이다. 유사하게, 제 1 플랭킹 블레이드 (314') 에 대한 활성 전압의 인가는 제 1 블레이드 (312) 를 끌어당기고 스테이지 (302) 가 제 1 플랭킹 블레이드 (314) 에 대한 인력으로부터 초래되는 방향과 반대 방향으로 회전하게 할 것이다.
제 2 블레이드 (316) 는 제 1 블레이드 (312) 의 위치 반대편의 스테이지 (302) 의 단부 상에 커플링되며, 한 쌍의 제 2 플랭킹 블레이드들 (318, 318’) 은 제 2 블레이드 (316) 의 대향 단부들 상의 이동가능한 프레임 (800) 에 커플링된다. 제 2 블레이드 (316) 는 제 2 플랭킹 블레이드들 (318, 318') 에 대해 이동한다. 스테이지 (302) 의 원하는 모션을 제공하고 원하지 않는 회전들에 저항하기 위해, 작동 전압들은 제 1 블레이드 (312) 및 제 2 블레이드 (316) 에 대해 동시에 인가된다. 제 2 블레이드 (316) 와 제 2 플랭킹 블레이드들 (318, 318') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력이 생성되어 제 1 블레이드 (312) 에 대해 위에 논의된 것과 유사한 방식으로 스테이지 (302) 의 회전을 초래한다. 스테이지 (302) 의 각각의 단부 상에서 탠덤 방식으로의 작동 메커니즘들의 사용은 스테이지 (302) 의 원하지 않은 트위스팅을 감소하거나 최소화하여 더 균일한 회전을 제공한다.
유사한 작동 메커니즘 구조가 이동가능한 프레임 (304) 의 회전을 위해 사용될 수도 있다. 제 1 측면 블레이드 (322) 는 또한 이동가능한 프레임 (304) 에 커플링될 수 있고, 제 1 측면 플랭킹 블레이드들 (324, 324') 은 제 1 측면 블레이드 (322) 의 대향 단부들 상의 정지 프레임 (340) 에 커플링된다.
이동가능한 프레임 (304) 은 제 1 측면 블레이드 (322) 가 제 1 측면 플랭킹 블레이드들 (324, 324') 에 대해 이동하도록 구성되도록 정지 프레임 (340) 에 피봇식으로 커플링된다. 제 1 측면 블레이드 (322) 와 제 1 측면 플랭킹 블레이드들 (324, 324') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력이 생성되어 이동가능한 프레임 (304) 이 스테이지 (302) 에 대해 위에 논의된 것과 유사한 방식으로 피봇하게 한다.
제 2 측면 블레이드 (326) 는 이동가능한 프레임 (304) 의 대향 단부 상에 커플링되며, 제 2 측면 플랭킹 블레이드들 (328, 328') 은 제 2 측면 블레이드 (82) 의 대향 단부들 상의 정지 프레임 (340) 에 커플링된다. 제 2 측면 블레이드 (326) 는 제 2 측면 플랭킹 블레이드들 (328, 328') 에 대해 이동한다. 제 2 측면 블레이드 (326) 와 제 2 측면 플랭킹 블레이드들 (328, 328') 중 하나 사이에 전위차가 인가될 때, 블레이드들 사이에 인력이 생성되어 이동가능한 프레임 (304) 의 회전을 용이하게 한다. 이동가능한 프레임 (304) 의 각각의 단부 상에서 탠덤 방식으로의 작동 메커니즘들의 사용은 프레임의 원하지 않은 트위스팅을 감소하거나 최소화하여 보다 균일한 회전을 제공한다.
대안적으로, 스테이지 (302) 또는 프레임은 단일 단부 상에서만 작동 메커니즘 구조만을 가질 수도 있다. 다른 구현들을 위해, 액추에이터 (300) 는 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 작동 메커니즘 구조들을 가질 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d 는 리세스된 및 리세스되지 않은 영역들을 포함하는 벌집 또는 리세스된 영역 (410) 에 대한 구성들을 도시한다. 당업자에 의해 인식될 바와 같이, 제시된 패턴들은 대표적인 것이며 다른 패턴들이 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 채용될 수 있다. 도 4a 에서 리세스된 영역 (410) 은 2차원으로 원형 또는 타원형 형상을 갖는 4개의 별도의 섹션들을 가지며, 여기서 각각의 섹션은 본 개시의 일부 구현들에 따른 2차원 형상의 1/4 이다. 리세스된 영역은 원형 또는 타원형의 1/4 로 나타나며 리세스되지 않은 영역은 리세스된 영역을 가로지르는 X 로서 나타난다. 리세스되지 않은 영역들은 나타낸 바와 같이 대칭이거나 실질적으로 대칭일 수 있다.
도 4b 로 가면, 일부 구현들에서, 리세스된 영역 (410) 은 도 4a 에서의 1/4 섹션들을 리세스된 영역들 사이의 부가적인 분리들 (412) 을 갖는 서브-섹션들로 더 분할한다. 부가적인 분리들 (412) 은, 동심원들과 같은, 리세스되지 않은 영역들로 리세스된 동심 패턴을 갖는 리세스되지 않은 영역들을 생성한다. 도 4c 에서, 일부 구현들에서, 정사각형인 리세스된 영역들과 리세스되지 않은 영역들 사이의 분리들 (414) 을 제공하는 추가 분할들이 제공된다. 도 4d 에서, 일부 구현들에서, 육각형들일 수 있는 리세스된 영역들과 리세스되지 않은 영역들 사이의 분리들 (416) 을 제공하는 추가 분할들이 제공될 수 있으며 원형 또는 타원형일 수 있다. 직사각형, 평행사변형, 삼각형 등과 같은 다른 형상들이 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다. 리세스된 영역들의 수는 예를 들어 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 6개 이상, 8개 이상, 200개 이상의 범위일 수 있다.
도 5a 내지 도 5r 은 도 4a 내지 도 4d 에 나타낸 리세스된 또는 벌집형 영역들, 및 본 개시의 범위 내의 다른 리세스된 패턴들을 갖는 마이크로-미러들을 제조하기 위한 공정 단계들을 도시한다. 공정은 도 5a 에 나타낸 바와 같이 실리콘-온-절연체 (SOI) 웨이퍼 (510)(이하, "제 1 실리콘 웨이퍼" 또는 "제 1 기판" 으로서 또한 지칭됨) 로 시작한다. 도 5a 에 도시된 바와 같이, 일부 구현들에서, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 10㎛ 와 35㎛ 사이의 두께를 갖는 상단 실리콘 층 (514) 및 250㎛ 와 500㎛ 사이의 두께를 갖는 하단 실리콘 층을 포함한다. 도 5a 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 기판은 상단 실리콘 층 (514) 과 하단 실리콘 층 (512) 사이에 배치된 0.5㎛ 와 2.0㎛ 사이의 두께를 갖는 매립 산화물 층 (522) 을 포함한다.
도 5a 는 본 개시의 일부 구현들에 따른 300~600 마이크로미터(㎛)의 두께 범위에 있도록 선택되는 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 단면을 도시한다. 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 상단측 (10)(또는 디바이스 측면 또는 단순히 상단) 및 후면 또는 하단측 (20) 을 가지며 복수의 층들을 형성한다. 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 로부터 형성된 MEMS 미러 어레이 내의 각각의 층은 상단측 (10) 을 향해 배향된 상단 표면 및 하단 측 (20) 을 향해 배향된 하단 표면을 갖는다. 위에 논의된 바와 같이, 일부 구현들에서, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 10㎛ 와 35㎛ 사이의 두께를 갖는 상단 실리콘 층 (514), 250㎛ 와 500㎛ 사이의 두께를 갖는 하단 실리콘 층 (512), 0.5㎛ 와 2.0㎛ 사이의 두께를 갖는, 상단 실리콘 층 (514) 과 하단 실리콘 층 (512) 사이에 배치된, 매립 산화물 층 (522) 을 포함한다.
도 5b 는 본 개시의 일부 구현들에 따른 MEMS 미러 어레이에서 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단 표면 상에 배치된 포토레지스트 층 (516) 을 도시한다. 도 5c 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 포토레지스트 층 (516) 은 포토리소그래피를 사용하여 패터닝된다. 일부 구현들에서, 도 5c 에서 식각된 패턴은 도 5d 에 나타낸 바와 같은 패턴을 달성하기 위해 적합한 식각 기법 (예를 들어, 깊은 반응성 이온 식각) 을 사용하여 추가로 식각된다. 도 5d 에 나타낸 바와 같이, 식각은 매립 산화물 층 (522) 상에서 정지한다. 이러한 깊은 식각은 도 4a 내지 도 4d 에 나타낸 벌집 패턴으로 리세스된 영역 (410) (예를 들어, 복수의 리세스 영역들) 을 생성한다. 상단 실리콘 층 (514) 의 식각된 부분의 패턴 (즉, 리세스된 영역 (410)) 은, 타원형 형상의 리세스된 영역, 직사각형 형상의 리세스된 영역, 평행사변형 리세스된 영역, 삼각형 리세스된 영역, 또는 육각형 형상의 리세스된 영역을 포함하는, 다양한 형상들을 가질 수 있다. 그 후 포토레지스트 층 (516) 은 도 5e 에 나타낸 바와 같이 스트립되거나 제거된다.
도 5f 는 본 개시의 일부 구현들에 따른, 도 5e 에서 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 상에 배치된 제 2 실리콘-온-절연체 (SOI) 웨이퍼 (550)(이하, "제 2 실리콘 웨이퍼" 또는 "제 2 기판") 를 도시한다. 일부 구현들에서, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 와 유사하게, 제 2 실리콘 웨이퍼 (550) 는 5㎛ 와 35㎛ 사이의 두께를 갖는 제 2 상단 실리콘 층 (584), 250㎛ 와 500㎛ 사이의 두께를 갖는 제 2 하단 실리콘 층 (582), 0.5㎛ 와 2.0㎛ 사이의 두께를 갖는, 제 2 상단 실리콘 층 (584) 과 제 2 하단 실리콘 층 (582) 사이에 배치된, 제 2 매립 산화물 층 (552) 을 포함한다. 도 5f 에 나타낸 바와 같이, 제 2 실리콘 웨이퍼 (550) 의 제 2 상단 실리콘 층 (584) 은 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상부 표면에 가장 가깝다. 일부 구현들에서, Si-Si 본드는 도 5f 에 나타낸 바와 같이, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단 표면과 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단 표면과 대면하도록 플립되는 제 2 실리콘 웨이퍼 (550) 의 상단 표면 사이에 형성된다. 그 결과, 상단 실리콘 층 (514) 은 제 2 상단 실리콘 층 (584) 을 포함한다.
일부 구현에서, 제 2 실리콘 웨이퍼 (550) 의 제 2 하단 실리콘 층 (582) 및 제 2 매립 산화물 층 (552) 은 도 5g 에서 알 수 있는 바와 같이 일련의 그라인딩, 폴리싱 및 식각 단계들을 통해 제거된다.
미러들의 제조는 도 5h 내지 도 5r 에 개요된 단계들을 따른다.
도 5i 내지 도 5l 은 본 개시의 일부 구현들에 따른, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단측 (10) 상의 격리 트렌치들 (520) 의 제조 기법들을 도시하는 MEMS 미러 어레이 (100) 에서의 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 도 5h 에 나타낸 상부 좌측 부분 (502) 을 도시한다. 격리 트렌치들 (520) 은 유전체 재료 (예를 들어, 실리콘 이산화물) 로 채워진다. 유전체 재료로 채워지면, 격리 트렌치들 (520) 은 미러가 릴리스된 후에 블레이드들 사이에 전기적 격리를 제공한다. 유전체 층 (518) 은 또한 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 표면 상에 남아 있고 격리 트렌치 충진 공정 후에 평탄화되어 후속 리소그래피 패터닝을 용이하게 하고 표면 불연속성들을 제거한다.
도 5i 를 참조하면, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에는 본 개시의 일부 구현예들에 따른 유전체 층 (518) 이 제공된다. 유전체 층 (518) 은 실리콘 이산화물 (예를 들어, 산화물 층) 일 수 있다. 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 임의적인 도핑, 저항률, 및 결정 배향의 것일 수 있는데, 이는 공정이 구조들을 새기고 형성하기 위해 반응성 이온 식각에만 의존하기 때문이다. 이러한 예에서, 유전체 층 (518) 은 격리 트렌치 식각 공정 동안 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상부 표면을 보호 기능 역할을 하며, 따라서 마스킹 층을 나타낸다. 이 마스킹 층은 실리콘의 열적 산화 또는 화학 기상 증착 (CVD) 을 포함하는, 임의의 수의 기법들로부터 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 유전체 층 (518) 의 두께는 0.5㎛ 와 1.0㎛ 사이이다. 도 5i 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 포토레지스트 층 (516) 은 그 후 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 상으로 스피닝되고 표준 포토리소그래피 기법들을 사용하여 노광 및 현상되어 격리 트렌치 (520) 를 위한 격리 트렌치 패턴을 정의한다. 일부 구현들에서, 반응성 이온 식각이 포토레지스트 패턴을 유전체 층 (518) 에 전사하는데 사용되어, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단 실리콘 층 (514) 의 상단 표면을 노출시킨다. 통상적으로, 실리콘 이산화물 마스크는 프레온(Freon) 가스 혼합물, 예를 들어 CHF3 또는 CF4 에서 식각된다. 실리콘 이산화물 식각을 위한 높은 식각 레이트들은 유도성 결합된 플라즈마 ("ICP") 챔버와 같은 고밀도 플라즈마 반응기를 사용하여 달성된다. 이들 ICP 챔버들은 고밀도 플라즈마를 유지하기 위해 고전력 RF 소스를 사용하고, 낮은 이온 에너지들에서 높은 식각 레이트들을 달성하기 위해 웨이퍼 상에 더 낮은 전력 RF 바이어스를 사용한다. 200 nm/min 의 산화물 식각 레이트들 및 1:1 초과의 포토레지스트에 대한 선택도들은 이러한 하드웨어 구성에 대해 일반적이다.
도 5j 에 도시된 바와 같이, 일부 구현들에서, 높은 식각 레이트, 높은 선택도 식각을 사용하여 실리콘의 깊은 반응성 이온 식각에 의해 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에 격리 트렌치 (520) 가 형성된다. 트렌치는 일반적으로 미국 특허 제 5,501,893 호에 기재된 바와 같이 육불화황 (SF6) 가스 혼합물을 사용하여 고밀도 플라즈마에서 식각된다. 바람직하게, 식각은 격리 트렌치 (520) 프로파일이 격리 트렌치 (520) 의 상단 (524) 이 격리 트렌치 (520) 의 하단 (519) 보다 더 좁은, 요각이거나 테이퍼링되도록 제어된다. 격리 트렌치 (520) 의 테이퍼링은 후속 처리에서 양호한 전기적 격리가 달성되는 것을 보장한다. 프로파일 테이퍼링은 패시배이션 정도를 튜닝함으로써, 또는 식각 공정 동안 방전의 파라미터들 (예를 들어, 전력, 가스 흐름들, 압력) 을 변화시킴으로써 반응성 이온 식각에서 달성될 수 있다. 격리 트렌치 (520) 가 유전체 재료로 채워지기 때문에, 격리 트렌치 (520) 의 상단 (524) 에서의 개구는 통상적으로 일부 구현들에서 폭이 2㎛ 미만이다. 일부 구현들에서 격리 트렌치 (520) 의 깊이는 통상적으로 10㎛ 와 50㎛ 사이의 범위에 있다. 일부 구현들에서, 격리 트렌치 (520) 를 식각하기 위한 절차는 포토레지스트 (>50:1) 및 산화물 (>100:1) 에 대해 높은 선택도로 2㎛/min 초과의 식각 레이트들을 달성하기 위해 ICP 플라즈마에서 패시배이션 단계들 (아르곤을 갖는 프레온) 과 식각 단계들 (SF6 및 아르곤 혼합물) 을 교번하는 것이다. 식각 사이클들의 전력 및 시간은 테이퍼링된 프로파일을 달성하기 위해 트렌치가 깊어짐에 따라 증가된다. 트렌치 지오메트리가 요각인 것이 바람직하지만, 미세구조 처리에서의 조정들로 임의적인 트렌치 프로파일들이 수용될 수 있다. 우수한 격리 결과들은 다수의 알려진 트렌치 식각 화학물질들 중 임의의 것으로 달성될 수 있다. 실리콘 트렌치가 식각된 후, 일부 구현들에서, 포토레지스트 층 (516) 은 습식 화학 또는 건식 애싱(ashing) 기법들로 제거되고, 유전체 층 (518) 은 반응성 이온 식각 ("RIE") 또는 버퍼링된 플루오르화수소산으로 제거된다.
도 5k 를 참조하면, 격리 트렌치 (520) 는 그 후 본 개시의 일부 구현들에 따른 절연성 유전체 재료, 통상적으로 실리콘 이산화물로 채워진다. 충진 절차는 격리 트렌치 (520) 에서 대부분 고형의 격리 세그먼트를 초래하고, 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단측 (10)(상부 표면) 상의 유전체 재료의 층 및 격리 트렌치 (520) 의 하단 (519) 및 측벽 (528) 상의 유전체 층들의 성막을 제공한다. 성막된 층의 두께는 일반적으로 1㎛ 초과이다. 이러한 충진은 화학 기상 증착 ("CVD") 기법들 또는 바람직하게는 고온에서의 실리콘의 산화로 달성될 수 있다. 열적 산화에서, 웨이퍼는 900℃ 와 1150℃ 사이의 온도에서 산소 풍부 환경에 노출된다. 이러한 산화 공정은 실리콘 이산화물을 형성하기 위해 실리콘 표면들을 소비한다. 이러한 공정으로부터의 결과적인 부피 팽창은 트렌치들의 측벽들이 서로 잠식하게 하여, 결국 트렌치 개구를 폐쇄한다. CVD 충진에서, 일부 유전체는 벽들 상에 성막되지만, 충진은 또한 트렌치의 하단 상의 성막으로부터 발생한다. 트렌치들의 CVD 유전체 충전은 플라즈마 강화 CVD 챔버 및 저압 CVD 퍼니스 튜브에서 TEOS 또는 실란 혼합물로 입증되었다.
격리 트렌치 (520) 충진 공정 동안, 대부분의 격리 트렌치 프로파일들은 불완전하게 채워져서, 계면 (532) 및 보이드 (530) 가 격리 트렌치 (520) 에 형성되게 하는 것이 일반적이다. 보이드 (530) 에서 응력의 국부적 집중은 일부 디바이스들에 대해 전기적 및 기계적 오작동을 야기할 수 있지만, 일반적으로 격리 트렌치 (520) 의 인클로징된 지오메트리로 인해 미세기계 디바이스들에 대해서는 중요하지 않다. 격리 트렌치 (520) 의 하단 (519) 보다 격리 트렌치 (520) 의 상단에 위치된 격리 트렌치 개구가 더 넓도록 격리 트렌치 (520) 를 성형함으로써 계면 (532) 및 보이드 (530) 가 제거될 수 있다. 그러나, 양호한 전기적 격리는 이후 단계들에서 미세구조 트렌치 식각의 부가적인 테이퍼링을 요구할 것이다. 격리 트렌치 충진 공정의 다른 아티팩트는, 격리 트렌치 (520) 위에 중심을 둔 유전체 층 (538) 의 표면에 생성되는 인덴테이션 (526) 이다. 이러한 인덴테이션은 대부분의 트렌치 충진 공정들에서 불가피하며, 성막 두께에 의존하여, 0.5㎛ 만큼 깊을 수 있다. 인덴테이션 (526) 을 제거하기 위해, 일부 구현들에서, 표면은 후속 리소그래피 및 성막 단계들을 위해, 도 5l 에 도시된 바와 같이, 편평한, 또는 실질적으로 편평한 표면을 형성하도록 평탄화된다. 평탄화는 화학적 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing; CMP) 방식으로 수행한다. 평탄화는 또한, 포토레지스트, 스핀-온 글래스(spin-on glass), 또는 폴리이미드일 수 있는, 점성 재료를 성막하고, 인덴테이션 (526) 을 채우도록 재료를 매끄러운 마무리로 유동시킴으로써 수행될 수도 있다. 평탄화의 제 2 단계인 에치백 동안, 표면은 충진된 인덴테이션을 포함하여 균일하게 식각된다. 따라서, 표면 산화물 층의 일부를 제거함으로써, 인덴테이션 (526) 이 균일한 두께 층을 생성하도록 제거된다. 예를 들어, 원래의 유전체층 (538) 이 2㎛ 인 경우, 인덴테이션 (526) 을 제거하기 위한 평탄화는 1㎛ 미만의 최종 두께를 갖는 유전체 층 (538) 을 남긴다. 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단측 (10)(상부) 표면은 결함이 없고 추가적인 리소그래피 및 성막을 위해 준비된다.
도 5m 은 위에 논의된 유전체 층 (538) 및 격리 트렌치들 (520) 을 갖는 제1 실리콘 웨이퍼 (510) 를 나타낸다. 격리 트렌치들 (520) 이 제조된 후에, 본 개시의 일부 구현들에 따라 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 하단 측 (20)(후면) 상의 블레이드들에 대한 마스킹 층을 리소그래피로 패터닝하기 위해 표준 전후방 정렬이 사용된다. 블레이드 패턴 (572) 이 노출되고 유전체 층 (539) 내로 식각된다. 유전체 층 (539) 은 통상적으로 열적으로 성장된 실리콘 산화물 및 화학 기상 증착에 의해 성막된 산화물의 조합으로 이루어진 마스크 층이다. 리소그래피 패턴은 반응성 이온 식각에 의해 마스킹 층 내에서 전사되지만, 실리콘 블레이드 식각은 공정의 나중까지 완료되지 않는다. 블레이드들이 식각되지 않으면서, 웨이퍼는 나머지 디바이스 층들을 통해 용이하게 처리된다. 블레이드 패턴 (572) 의 후면은 통상적으로 수 마이크론 이내로 격리 트렌치들 (520) 의 상단측에 정렬된다.
제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단측 (10) 상의 금속화는 본 개시의 일부 구현들에 따라 도 5n 에 도시된 바와 같이 진행한다. 하부 실리콘 웨이퍼 (510) 에 접촉하도록, 비아들 (552) 은 표준 리소그래피 및 반응성 이온 식각을 사용하여 유전체 층 (518) 내로 패터닝되고 식각된다. 비아들 (552) 이 식각된 후, 금속이 성막되어 금속 층 (540) 을 형성하고 패터닝되어 비아들 (552) 을 통해 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에 대한 인터커넥트 (556) 및 콘택 (554) 을 형성한다. 일부 구현들에서, 금속은 알루미늄이고 습식 식각 기법들을 사용하여 패터닝된다. 높은 인터커넥트 밀도를 갖는 미러 어레이에서, 더 미세한 선폭을 달성하기 위해 건식 식각 또는 증발된 금속 리프트-오프 기법들을 사용하여 금속을 패터닝하는 것이 유리하다. 일부 구현들에서, 금속 층 (540) 은 미러 작동을 제어하기 위해 제어 회로부로부터 각각의 미러로 전기 신호들을 연결하는, 본드 패드들 및 인터커넥트들을 제공하는데 사용된다.
도 5n 에 도시된 바와 같이, 일부 구현들에서, 제 2 금속 층 (560) 의 성막은 반사 미러 표면을 제공한다. 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 제 2 금속 층 (560) 은 알루미늄과 같은 제 1 금속 층 (540) 과 동일한 금속일 수 있다. 대안적으로, 제 2 금속 층 (560) 은 소정 파장의 광들에 대해 알루미늄보다 더 반사성인 금속 (예를 들어, 금) 과 같은 상이한 금속일 수 있다. 이 금속은 관심의 광학 파장에서 높은 미러 반사율을 제공하도록 튜닝되고, 통상적으로 금속화의 더 넓은 선택을 허용하기 위해 리프트-오프 기법을 사용하여 증발되고 패터닝된다. 일부 구현들에서, 금속화는 500㎛ 의 알루미늄으로 이루어진다. 그러나, 일부 구현들에서, Cr/Pt/Au 와 같은 부가적인 금속 스택이 광섬유에 공통인 파장 대역에서의 반사율을 증가시키기 위해 사용될 수도 있다. 금속이 응력 하에서 성막되고 궁극적인 미러 평탄도에 영향을 미칠 것이기 때문에, 미러의 영역에서 유전체 층 (538) 의 두께를 감소시키는 것이 유리하다. 이는 증발 이전에 하부 유전체의 건식 식각의 사용을 통해 달성될 수 있다.
도 5o 에서, 상단측 패터닝은 본 개시의 일부 구현들에 따라 완료된다. 일부 구현들에서, 금속 표면들 상의 패시배이션 유전체 (542)(미도시) 가 후속 처리 동안 금속화를 보호하기 위해 적용될 수도 있다. 패시배이션은 본딩 패드들의 영역에서 제거된다. 일부 구현들에서, 프레임, 미러, 및 지지체들을 포함하는 미러 구조가 구조적 엘리먼트들을 분리하는 트렌치들 (521) 에 의해 정의된다. 리소그래피 패턴은 반응성 이온 식각에 의해 마스킹 층(들)에 전사되지만, 실리콘 식각은 공정의 나중까지 완료되지 않는다. 식각들은 자기-정렬되고 다양한 금속, 유전체, 및 다양한 층들의 실리콘 웨이퍼 (510) 를 통해 진행된다.
도 5p 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 후면 실리콘 식각은 블레이드들 (570) 을 획득하기 위해 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 내로 블레이드 패턴 (572) 을 전사한다. 일부 구현들에서, 식각은 미국 특허 제 5,501,893 호에 개시된 기법들을 사용하여 산화물에 대한 높은 선택도로 깊은 실리콘 식각을 사용하여 수행된다. 깊은 실리콘 식각은 블레이드들 (570) 에서 거의 수직 프로파일들을 달성하며, 이는 명목상 5㎛ 와 20㎛ 사이의 폭일 수 있고 300㎛ 깊이 초과일 수 있다. 식각은 실리콘 웨이퍼 (510) 의 상단측 (10) 표면을 통해 펀칭하지 않으면서 웨이퍼에 걸쳐 균일한 깊이를 제공하기 위해 매립 산화물 층 (522) 상에서 정지한다. 일부 구현들에서, 모든 블레이드들 (570) 은 미러 엘리먼트에 걸쳐 그리고 미러 어레이에 걸쳐 동시에 식각될 수 있다. 깊은 실리콘 식각에 의해 노출된 매립 산화물 층 (522) 은 그 후 후속하여 실리콘 상에서 정지하는 반응성 이온 식각을 사용하여 제거된다.
도 5q 를 참조하면, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 가 이제 미세구조 릴리스를 위해 준비되기 때문에, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 취급 충격 또는 기류로 인한 수율 손실에 더 민감하게 된다. 취급을 용이하게 하고 미러 어레이를 기밀 밀봉하는 것을 돕기 위해, 일부 구현들에서, 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 는 베이스 웨이퍼 (210)(이하, "베이스" 또는 "베이스 기판" 으로서 또한 지칭됨) 상에 배치된다. 그 후 베이스 웨이퍼 (210) 는 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에 본딩되어 릴리스 후 블레이드들을 보호한다. 도 5q 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 베이스 웨이퍼 (210) 는 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 유전체 층 (539) 에 본딩된다. 일부 구현들에서, 본딩은 그 유동 온도로 가열된 후 냉각되는, 프릿 유리 재료 본딩 엘리먼트 (하단 본딩 엘리먼트) 의 사용을 통해 달성된다. 이러한 방식으로, 본딩 엘리먼트들 (212, 212’) 을 생성하는 400℃ 온도 본드는 전체 미러 어레이를 둘러싸도록 기밀 밀봉을 생성한다. 제 1 프릿 유리 재료 본딩 엘리먼트를 사용한 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 와 베이스 웨이퍼 (210) 사이의 분리는 블레이드들 (570) 이 임피던스 없이 높은 회전 각도들을 통해 스윙할 수 있도록 한다. 통상적으로, 필요한 스탠드오프(stadnoff)는 25㎛ 초과이다. 도 5q 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 베이스 웨이퍼 (210) 는 제 1 방향 (예를 들어, 수직 방향) 에서 블레이드들 (570) 과 오버랩된다.
본 개시의 일부 구현에 따라 최종 구조 릴리스가 건식 식각을 사용하여 도 5r 에서 웨이퍼 상단측 상에서 달성되며, 이는 트렌치들 (521) 을 통해 펑처링하여 프레임 (230) 및 미러 (236) 의 이동가능 엘리먼트들을 현수한다. 또한, 릴리스 식각은 예를 들어, 주변 부재들 및 디바이스 웨이퍼 (220) 의 실리콘으로부터 프레임 (230) 의 실리콘을 분리함으로써 전기적 격리를 촉진한다. 비아들 (552) 은 실리콘의 영역들을 금속 인터커넥트들 (556)(도 5n 에 나타냄) 에 연결하는 역할을 한다. 외부 환경으로부터 미러들을 완전히 밀봉하기 위해, 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (250)(이하, "리드" 또는 "리드 기판" 으로서 또한 지칭됨) 가 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 상에 배치된다. 그 후 리드 웨이퍼 (250) 는 바람직하게는 본딩 엘리먼트들 (222, 222')(예를 들어, 프릿 유리 시일과 같은 상단 본딩 엘리먼트) 를 통해 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에 본딩된다. 도 5r 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (250) 는 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 의 금속 층 (540) 에 본딩된다. 베이스 웨이퍼 (210) 와 유사하게, 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (250) 를 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 에 융합 또는 커플링하기 위해, 프릿 유리 시일과 같은 본딩 엘리먼트들 (222, 222') 에 열이 가해진다. 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (210) 는 제 1 방향 (예를 들어, 수직 방향) 에서 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 와 오버랩된다. 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (210)(예를 들어, 리드) 는 제 1 방향에서 베이스 웨이퍼 (210) 와 오버랩된다. 도 5r 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 리드 웨이퍼 (250) 는 제 1 방향에서 제 1 실리콘 웨이퍼 (510) 및 베이스 웨이퍼 (210) 와 오버랩된다. 리드 웨이퍼 (250) 는 입사 광이 미러 공동 (232) 에서 낮은 손실로 투과되고, 미러 (236) 의 상부 표면으로부터 반사되며, 미러 공동 (232) 외부로 투과할 수 있도록 하는 유리 (및/또는 다른 적합한 재료) 를 포함할 수 있다. 도 5r 에 나타낸 바와 같이, 일부 구현들에서, 미러 공동 (232) 은 블레이드들 (234) 사이에 배치되고, 블레이드들 (234) 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 미러 (236) 와 오버랩된다. 일부 구현들에서, 미러 (236) 는 제 1 방향에서 리세스된 영역 (410) 과 오버랩된다.
결과적인 공정은 부가적인 매립 산화물 층, 더 깊은 비아들 및 벌집 리세스들을 제공한다. 따라서, MEMS 는 더 높은 공진 주파수 및 외부 진동에 대한 더 적은 커플링을 갖는 미러들을 갖는다. 이는 스위칭 에러가 적고 잠재적으로 스위칭 시간이 더 빠른 경향이 있는, 광학 스위치 시스템 또는 광학 회로 스위치를 제공한다. 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 미러 공동은 제 1 블레이드와 제 2 블레이드 사이에 제공될 수 있다. 부가적으로, 복수의 블레이드들은 제 1 블레이드가 중앙 스테이지 (복수의 리세스된 영역들을 포함함) 와 오버랩되는 곳에 제공될 수 있고, 리드 기판 및 베이스 기판은 중앙 스테이지 (복수의 리세스된 영역들을 포함함) 와 오버랩될 수 있고, 및/또는 복수의 리세스된 영역들은 미러와 오버랩될 수 있다.
도 6 은 공동 SOI 웨이퍼 (600) 를 도시한다. 이러한 구성에서, 웨이퍼 제조자는 본 개시의 일부 구현들에 따른 제조 공정 동안 벌집 리세스들 (610) 의 패턴을 웨이퍼 내로 사전-식각한다. 그 후 매립 산화물 층 (522) 은 도 5 에서 위에 나타낸 바와 같이 리세스들 아래보다는 리세스들 위에 포지셔닝된다. 당업자에 의해 인식될 바와 같이, (도 5p 에 나타낸 바와 같이) 블레이드 전극들을 정의하기 위해 상술한 깊은 반응성 이온 식각 공정이 수행될 때, 식각은 매립 산화물 층 (522) 에 도달할 때 정지한다. 따라서, 이러한 구성에서, 식각 공정은 블레이드 전극들이 식각될 수 있도록 시간-제어될 것이다. 부가적으로, 미러 구조는 2개의 실리콘 층들 사이에 포지셔닝된 산화물 층을 가질 것이며, 이는 미러의 휨 또는 구부러짐을 초래할 수 있다.
도 7 은 스위치 미러 어레이들 (730, 740) 로 구현된 광학 (회로) 스위치 (700) 를 도시한다. 광학 스위치 (700)는 입력 섬유 모듈 (710) 에서의 입력 섬유들 (712) 중 하나로부터 출력 섬유들 (720) 에서의 출력 섬유들 (722) 중 하나로 광 빔들 (750) 을 커플링하는 스위칭 디바이스로서 구성될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 입력 섬유 (712) 로부터의 광 빔 (750) 은 시준되고 원하는 출력 섬유 (722) 를 향해 지향된다. 스위치 미러 어레이들 (730, 740) 에서의 이동가능한 미러들 (732, 742) 은 광 빔 (750) 을 원하는 위치 (이 예에서는 출력 섬유들 (722) 중 하나) 로 재지향시킨다. 도 7 에서 스위치 미러 어레이들 (730, 740) 각각은 광 빔 (750) 을 지향 (및 재지향) 시키도록 동작가능한 복수의 이동가능한 미러들 (732, 742) 로 구성될 수 있다. 또한, 광학 스위치 (700) 는 또한, 도 3 내지 도 6 에서 논의된 특징들을 구현하도록 동작가능한 적어도 하나의 이동가능한 미러 어레이 (730, 740) 를 갖는 적어도 하나의 스위치 미러 어레이 (330, 740) 를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현들이 본 명세서에 제시되고 기재되었지만, 이러한 실시형태는 예시로서만 제공된 것임이 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 수많은 변형들, 변경들 및 치환들 이제 당업자에게 발생할 것이다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태들에 대한 다양한 대안들이 본 발명을 실시하는데 채용될 수도 있음을 이해해야 한다. 청구항들은 본 발명의 범위를 정의하며 이러한 청구항들의 범위 내의 방법들 및 구조들과 그의 등가물들은 이에 의해 커버되는 것으로 의도된다.
Claims (27)
- 마이크로-미러 제조 방법으로서,
제 1 실리콘 온 절연체 (silicon on insulator; SOI) 기판 상에 제 1 포토레지스트 층을 형성하는 단계로서, 상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판은 제 1 실리콘 층, 제 2 실리콘 층, 및 상기 제 1 실리콘 층과 상기 제 2 실리콘 층사이의 제 1 산화물 층을 포함하는, 상기 제 1 포토레지스트 층을 형성하는 단계;
상기 제 1 포토레지스트 층 및 상기 제 2 실리콘 층을 식각하여 벌집(honeycomb) 패턴을 형성하는 단계;
상기 제 1 포토레지스트 층을 제거하는 단계;
상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판 상에 제 2 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판을 배치하는 단계로서, 상기 제 2 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판은 제 3 실리콘 층, 제 4 실리콘 층, 및 상기 제 3 실리콘 층과 상기 제 4 실리콘 층사이의 제 2 산화물 층을 포함하는, 상기 제 2 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판을 배치하는 단계; 및
상기 제 2 산화물 층 및 상기 제 4 실리콘 층을 제거하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 2 실리콘 층과 상기 제 3 실리콘 층을 본딩하여 제 5 실리콘 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 5 실리콘 층에 격리 트렌치를 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 5 실리콘 층에 상기 격리 트렌치를 형성하는 단계는,
상기 제 5 실리콘 층 상에 제 1 유전체 층을 형성하는 단계;
상기 제 1 유전체 층 상에 제 2 포토레지스트 층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 포토레지스트 층, 상기 제 1 유전체 층, 및 상기 제 5 실리콘 층을 식각하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 방법은 상기 제 5 실리콘 층에서의 상기 격리 트렌치를 채우는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 5 실리콘 층에서의 상기 격리 트렌치를 채우는 단계는,
상기 제 1 유전체 층 및 상기 제 2 포토레지스트 층을 제거하는 단계; 및
상기 제 5 실리콘 층 상에 제 2 유전체 층을 성막하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 유전체 층의 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
제 1 비아 및 제 2 비아를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 비아는 상기 제 2 유전체 층을 관통하고, 상기 제 2 비아는 상기 제 2 유전체 층을 관통하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 비아와 연관된 제 1 콘택을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 비아와 연관된 제 2 콘택을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 콘택과 상기 제 2 콘택 사이에 금속 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 콘택과 상기 금속 층 사이 및 상기 제 2 콘택과 상기 금속 층 사이의 상기 제 2 유전체 층 및 상기 제 5 실리콘 층을 식각하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판 상에 리드(lid) 기판을 배치하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판 상에 상기 리드 기판을 배치하는 단계는, 상기 리드 기판과 상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판 사이에 상단 본딩 엘리먼트를 배치하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 실리콘 층 상에 후면 블레이드 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 실리콘 층 상에 후면 블레이드 패턴을 형성하는 단계는,
상기 제 1 실리콘 층 상에 제 3 유전체 층을 형성하는 단계; 및
상기 제 3 유전체 층 및 상기 제 1 실리콘 층을 식각하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
베이스 기판 상에 상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판을 배치하는 단계를 더 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 베이스 기판 상에 상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판을 배치하는 단계는, 상기 제 1 실리콘 온 절연체 (SOI) 기판과 베이스 기판 사이에 하단 본딩 엘리먼트를 배치하는 단계를 포함하는, 마이크로-미러 제조 방법. - 이동가능한 미러로서,
공동을 포함하는 고정 프레임;
상기 공동에 배치된 이동가능한 프레임; 및
상기 공동에 배치된 중앙 스테이지를 포함하고,
상기 중앙 스테이지는 복수의 리세스된 영역들을 포함하는, 이동가능한 미러. - 제 18 항에 있어서,
상기 중앙 스테이지 상에 미러를 더 포함하는, 이동가능한 미러. - 제 18 항에 있어서,
상기 리세스된 영역들은 상기 중앙 스테이지의 표면 상에 벌집 패턴을 형성하는, 이동가능한 미러. - 제 18 항에 있어서,
상기 복수의 리세스된 영역들은 원형 형상의 리세스된 영역, 타원형 형상의 리세스된 영역, 직사각형 형상의 리세스된 영역, 평행사변형 리세스된 영역, 삼각형 리세스된 영역, 또는 육각형 형상의 리세스된 영역 중 적어도 하나를 포함하는, 이동가능한 미러. - 제 18 항에 있어서,
복수의 블레이드들을 더 포함하고, 상기 복수의 블레이드들은 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드를 포함하고, 상기 제 1 블레이드는 상기 복수의 리세스된 영역들을 포함하는 중앙 스테이지와 오버랩되는, 이동가능한 미러. - 제 22 항에 있어서,
상기 제 1 블레이드와 상기 제 2 블레이드 사이에 미러 공동을 더 포함하는, 이동가능한 미러. - 제 18 항에 있어서,
상기 복수의 리세스된 영역들을 포함하는 상기 중앙 스테이지와 오버랩되는 베이스 기판 및 리드 기판을 더 포함하는, 이동가능한 미러. - 제 19 항에 있어서,
상기 복수의 리세스된 영역들은 상기 미러와 오버랩되는, 이동가능한 미러. - 제 18 항의 이동가능한 미러를 포함하는, 미러 어레이.
- 제 26 항의 미러 어레이를 포함하는, 광학 회로 스위치.
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