KR100469062B1 - 광통신용 주사 미세거울 및 그 제조 방법 - Google Patents

광통신용 주사 미세거울 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광통신용 주사 미세거울에 관한 것으로, 내부에 구멍을 가지는 외부 틀과 외부 틀의 구멍 안에 위치하며, 내부에 구멍을 갖는 내부 틀과 내부 틀의 구멍 안에 위치하는 광 반사수단과 외부 틀의 내벽과 내부 틀의 외벽 사이에 연결되어 내부틀을 지지하는 복수개의 제1 비틀림 복원수단과 내부 틀의 내벽과 광 반사수단 사이에 연결되어 광 반사수단을 지지하는 복수개의 제2 비틀림 복원수단과 내부 틀이 제1 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제1 콤형 정전 구동수단 및 광 반사수단이 제2 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제2 콤형 정전 구동수단을 포함한다. 따라서, 수직 콤형 정전 구동방식을 이용하므로 종래의 평판형 정전 구동기를 사용하는 경우에 비하여 가용 회전각을 크게 할 수 있고, 고정 콤과 회전 콤의 수직 방향 비대칭성(asymmetry)을 크게 하여 공진(resonant) 상태에서뿐만 아니라 비공진 상태에서도 대회전각을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

광통신용 주사 미세거울 및 그 제조 방법{Scanning micromirror for optical communication systems and method for manufacturing the same}
본 발명은 광통신 시스템에 사용되는 주사 미세거울에 관한 것으로서, 특히 수직 콤형(comb-type) 정전 구동기를 갖는 2축 회전 주사 미세거울 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
MEMS(micro-electro-mechanical systems)란 미세 기전 시스템으로 기전 부품을 초소형으로 일체화하여 만드는 기술이다. 이러한 MEMS 기술은 반도체 웨이퍼 위에 리소그래피, 증착, 식각 등의 공정을 이용하여 소형 부품을 정교하게 제조할 수 있고, 다기능의 복합화를 이룰 수 있는 장점이 있다.
최근 광통신 시스템은 사용 트래픽(traffic)의 증가로 인해 대역 요구량이 폭발적인 증가를 보이고 있는데, MEMS 기술은 이러한 광 네트워크에서 핵심 요소의 기술이 될 수 있다. 즉, 급속적인 신호 전송 속도의 증가로 인해 현재 사용되고 있는 전자교환기가 병목 현상을 보일 것으로 예측되는데, 이러한 전자교환기를 대체할 수 있는 전광(all-optical) 장치로서의 광 상호분배기(OXC: optical cross-connect)에는 MEMS 기술이 매우 효과적으로 응용될 수 있는 것이다.
MEMS 기술을 이용한 광 상호분배기는 그 구조에 따라서 2차원 분배기와 3차원 분배기로 나뉠 수 있는데, 2차원 분배기는 광 매트릭스(matrix) 스위치를 이용하고, 3차원 분배기는 아날로그 주사 미세 거울 어레이(analog scanning micromirror array)를 이용한다. 2차원 분배기는 디지털 구동 방식을 취하므로 제어가 용이하고, 신뢰도가 뛰어나며 광 정렬이 비교적 용이하다는 장점을 갖고 있지만, N ×N 스위치의 경우에 N2의 미세 거울이 필요하게 되며, 입출력 포트 수가 증가함에 따라 광 삽입 손실이 크게 증가한다는 단점이 있다. 따라서 광통신 시스템의 전문가들은 32 ×32의 포트 수를 한계로 보고 있다.
반면, 3차원 분배기는 아날로그 방식을 이용하므로 되먹임 조종(closed-loop control) 등 복잡한 부가 장치를 사용해야 하고, 신뢰성이 상대적으로 나쁘며 광 정렬이 매우 어려운 단점을 갖고 있지만, N ×N 스위치의 경우에 단지 2N개의 미세 거울이 필요하고 3차원 공간을 이용하므로 확장성이 우수하여 입출력 포트 수가 32개 이상으로 큰 경우에 특히 장점을 갖는다.
이러한 3차원 분배기에서 주사 미세 거울(scanning micromirror)은 하나의 입력 광섬유에서 하나의 출력 광섬유로 신호가 전송되도록 구동기에 의해 회전되어 광신호의 공간 경로를 바꾸어 주는 역할을 한다. 일반적으로 주사 미세 거울은 정전 구동방식, 전자기 구동방식, 압전 구동방식 또는 열 구동방식 등을 이용하는데, 그 중 정전 구동기가 전력 소모가 작고 속도가 빠르며 그 제작 기술이 안정화 되어 있어서 3차원 분배기에 가장 적합한 구동 방식으로 판단되고 있다. 또한 이러한 주사 미세거울은 광 네트워크 상의 광 애드-드랍 다중기 (OADM: optical add-drop multiplexer), 파장 선택 상호분배기(WSXC: wavelength selective cross-connect)등과 그 외에 고해상도의 디스플레이 및 광 주사 장치(optical scanner) 등에 사용되고 있다.
현재 3차원 분배기를 위한 정전 구동 방식의 주사 미세 거울은 설계가 비교적 용이한 평판형 구동 방식을 이용하고 있는데, 일례로 'V. R. Dhuler, et al.'에 의해 그 명칭을 "Microelectromechanical devices including rotating plates and related methods"로 하여 출원되어 1999년 6월 22일자로 등록된 미국특허번호 제5,914,801호(이하, '참조문헌 1'이라 함)에는 평판형 정전 구동기로 동작되며 2축으로 회전되는 미세 기전 소자에 대해 개시되어 있다. 참조문헌 1은 첫 번째 틀, 두 번째 틀 및 판으로 구성되며, 각각은 빔으로 연결되면서 상, 하부의 평판형 정전 구동기에 의해 판이 2축으로 회전되면서 광 경로를 바꿀 수 있는 기술적 사상을 제공한다.
그러나, 이러한 평판형 정전 구동 방식을 이용한 주사 미세 거울은 풀-인(pull-in) 특성 때문에 전체 회전가능 각도를 다 활용할 수 없고, 공기 제동(air-damping) 때문에 응답 속도가 느린 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가용 회전각이 크고, 공기 제동이 작아 응답 속도가 빠른 광통신용 주사 미세거울을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 가용 회전각이 크고, 공기 제동이 작아 응답 속도가 빠른 광통신용 주사 미세거울의 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 사시도.
도 1b는 도 1a의 AA'에서 본 단면도.
도 2는 도 1a의 제1 비틀림 복원수단 및 제2 비틀림 복원수단의 실시예들을 설명하기 위한 평면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 동작을 설명하기 위한 사시도.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 의한 주사 미세거울이 3차원 광 상호분배기에 응용된 주사 미세 거울 어레이의 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울에 인가되는 전압과 그에 따른 광 반사수단 및 내부 틀의 회전 각도를 설명하기 위한 그래프.
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 광통신용 주사 미세거울은 내부에 구멍을 가지는 외부 틀과 외부 틀의 구멍 안에 위치하며, 내부에 구멍을 갖는 내부틀과 내부 틀의 구멍 안에 위치하는 광 반사수단과 외부 틀의 내벽과 내부 틀의 외벽 사이에 연결되어 내부틀을 지지하는 복수개의 제1 비틀림 복원수단과 내부 틀의 내벽과 광 반사수단 사이에 연결되어 광 반사수단을 지지하는 복수개의 제2 비틀림 복원수단과 내부 틀이 제1 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제1 콤형 정전 구동수단 및 광 반사수단이 제2 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제2 콤형 정전 구동수단을 포함하는 것이 바람직하다. 이때 상기 제1 콤형 정전 구동수단은 일단이 외부 틀의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있는 제1 고정 콤 및 일단이 내부 틀의 외벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있으며 제1 고정 콤과 깍지끼듯 엇갈리게 배치된 제1 회전 콤을 포함하고, 상기 제2 콤형 정전 구동수단은 일단이 내부 틀의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있는 제2 고정 콤 및 일단이 광 반사수단에 연결되어 공기 중에 부양되어 있으며 제2 고정 콤과 깍지끼듯 엇갈리게 배치된 제2 회전 콤을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 광통신용 주사 미세거울의 제조방법은 운용 실리콘층, 매몰된 실리콘 산화막 및 실리콘 소자층이 순차적으로 적층된 SOI 양면에 제1 상부 실리콘 산화막 및 하부 실리콘 산화막을 형성하는 (a) 단계와 제1 상부 실리콘 산화막상에 다결정 실리콘막을 증착하고, 제1 고정 콤, 제2 고정 콤, 제1 비틀림 복원수단, 외부 틀 및 내부 틀 중 제2 고정 콤이 연결되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 다결정 실리콘막을 패터닝하는 (b) 단계와 전체구조 상부면에 제2 상부 실리콘 산화막을 증착하고, 잔존하는 다결정 실리콘막, 제1 회전 콤, 제2 회전 콤, 광 반사수단, 제2 비틀림 복원수단 및 내부 틀 중 제1 회전 콤이 연결되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 제2 상부 실리콘 산화막 및 제1 상부 실리콘 산화막을 패터닝하는 (c) 단계와 기판이 형성되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 하부 실리콘 산화막을 패터닝하는 (d) 단계와 제1 상부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 실리콘 소자층을 식각하는 (e) 단계와 제2 상부 실리콘 산화막을 제거하고, 잔존하는 다결정 실리콘막을 마스크로 하여 제1 상부 실리콘 산화막을 식각하고, 실리콘 소자층을 마스크로 하여 매몰된 실리콘 산화막을 식각하는 (f) 단계와 하부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 운용 실리콘층이 소정 두께를 갖도록 식각하는 (g) 단계와 다결정 실리콘막을 제거하고, 다결정 실리콘막의 하부에 잔존한 제1 상부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 실리콘 소자층을 식각하며, 매몰된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 운용 실리콘층을 식각하는 (h) 단계 및제1 상부 실리콘 산화막 및 하부 실리콘 산화막을 제거하고, 잔존한 실리콘 소자층을 마스크로 하여 매몰된 실리콘 산화막을 제거하고, 전체구조 상부면 및 하부면에 금속막을 증착하는 (i) 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1a은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 AA'에서 본 단면도이다. 도 1b를 참조하면, 주사 미세 거울은기판(100), 하층(102), 중층(104) 및 상층(106)으로 이루어진다. 재료적인 특성에 따라 하층(102) 및 상층(106)은 도전체, 중층(104)은 절연체인 것이 바람직하다. 하층(102)은 중층(104)을 사이에 두고 상층(106)과는 전기적으로 고립되어 있다. 상층(106)의 각 부분은 물리적인 분리를 통하여 서로 전기적으로 고립된다. 중층(104)은 상층(106)과 하층(102)을 전기적으로는 고립시키고, 물리적으로는 연결시키는 역할을 한다. 이때 상층 및 하층의 두께는 1㎛ 내지 500㎛ 이고, 중층의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛ 인 것이 바람직하다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울은 기판(100), 광 반사수단(110), 내부 틀(inner frame)(112), 외부 틀(outer frame)(114), 제2 콤형(comb-type) 정전 구동수단(116), 제1 콤형(comb-type) 정전 구동수단(118), 제2 비틀림 복원수단(120) 및 제1 비틀림 복원수단(122)으로 이루어진다. 주사 미세거울은 정전 구동 방식에 의해 광 반사수단(110)이 제2 비틀림 복원수단(120) 및 제1 비틀림 복원수단(122)을 축으로 회전함으로써, 반사되는 광 신호의 경로를 바꾸어 주는 기능을 한다.
외부 틀(114)은 기판 위에 상층, 중층 및 하층으로 이루어지는데, 내부에 구멍이 존재하는 사각형의 고리모양인 것이 바람직하다. 이때 외부 틀(114) 중 후술하는 제1 비틀림 복원수단(122)이 연결되는 부분은 절단되어 있다. 이는 제1 비틀림 복원수단(122)을 기준으로 양쪽에 배치된 제1 콤형 정전 구동수단(118)의 제1 고정 콤(118a)의 상층 부분을 서로 전기적으로 고립시키기 위해서이며, 또한 제1 콤형 정전 구동수단의 제1 고정 콤(118a)의 상층 부분과 제2 콤형 정전 구동수단의제2 고정 콤(116a)의 상층 부분도 서로 전기적으로 고립시키기 위해서이다. 즉, 모든 고정 콤(116a 및 118a)의 상층 부분은 절단되어 전기적으로 고립되고, 모든 회전 콤(116b 및 118b) 및 고정 콤(116a 및 116b)의 하층 부분은 연결되어 같은 전위를 갖는다. 내부 틀(112)은 외부 틀(114)의 구멍 안에 위치하며, 제1 회전 콤(118b)이 연결된 부분은 하층으로 이루어지고, 제1 비틀림 복원수단(122)이 연결된 부분은 상층, 중층 및 하층으로 이루어진다. 내부 틀(112) 또한 내부에 구멍을 갖는 사각형의 고리모양인 것이 바람직하다. 광 반사수단(110)은 내부 틀(112)의 구멍 안에 위치하는데, 하층만으로 이루어진다. 이러한 광 반사수단(110)의 평면은 사각형, 육각형, 팔각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
제1 콤형 정전 구동수단(118) 및 제2 콤형 정전 구동수단(116)은 상층, 중층 및 하층으로 이루어진 고정 콤(fixed comb)(116a 및 118a)과 하층만으로 이루어진 회전 콤(movable comb)(116b 및 118b)으로 구성된다. 이러한 제2 콤형 정전 구동수단 및 제1 콤형 정전 구동수단은 복수개가 존재할 수 있는데, 바람직하게는 2개 씩 존재할 수 있다. 제1 고정 콤(118a)은 외부 틀(114)의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있고, 제1 회전 콤(118b)은 내부 틀(112)의 외벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있다. 또한 제2 고정 콤(116a)은 내부 틀(112)의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있으며, 제2 회전 콤(116b)은 광 반사수단에 연결되어 공기 중에 부양되어 있다. 고정 콤(116a 및 118a)의 상층과 회전 콤(116b 및 118b) 사이에 전압을 인가하면 정전력에 의하여 회전 콤(116b 및 118b)이 제2 비틀림 복원수단(120) 및 제1 비틀림 복원수단(122)을 축으로 하여 회전된다. 이 때 고정 콤(116a 및118a)과 회전 콤(116b 및 118b)은 서로 깍지 끼듯 엇갈리게(interdigitated) 배치되며, 서로 전기적 또는 물리적으로 연결되지 않는다. 제2 콤형 정전 구동수단(116)과 제1 콤형 정전 구동수단(118)은 그 배열 방향이 서로 수직이므로, 광 반사수단(110)은 제2 콤형 정전 구동수단(116)에 의하여 x 축을 중심으로 회전하고 광 반사수단(110)이 연결된 내부 틀(112)은 제1 콤형 정전 구동수단(118)에 의하여 y 축을 중심으로 회전한다.
이를 위해서는 제1 비틀림 복원수단(122)과 제2 비틀림 복원수단(120) 역시 서로 수직이 되게 배치되어야 한다. 이로써 광 반사수단(110)은 x 축 또는 y 축을 중심으로 독립적으로 회전될 수 있다. 제1 비틀림 복원수단(122)은 상층, 중층 및 하층으로 이루어지며, 외부 틀(114)의 내벽과 내부 틀(112)의 외벽 사이에 연결되고, 스프링 역할과 함께 외부 틀(114)로부터 제2 콤형 정전 구동수단 및 제1 콤형 정전 구동수단의 회전 콤(116b 및 118b)까지 통전시켜주는 기능도 담당한다. 제2 비틀림 복원수단(120)은 하층만으로 이루어지고, 내부 틀(112) 중 하층만으로 이루어진 부분의 내벽과 광 반사수단(110) 사이에 연결된다. 이러한 제2 비틀림 복원수단 및 제1 비틀림 복원수단은 복수개가 존재할 수 있는데, 바람직하게는 2개 씩 존재할 수 있으며, 실시예에 따라서는 4개 또는 6개 등도 가능하다. 다만, 4개 또는 6개 등으로 구성되려면 한쪽 면에 위치한 비틀림 복원수단이 서로 근접하게 배치되어야 한다. 또한 제1 비틀림 복원수단(122) 및 제2 비틀림 복원수단(120)은 스프링으로 구현될 수 있으며, 도 2(a) 내지 도 2(d)에 도시한 바와 같이, 직선형, 종방향 미앤더(longitudinal meander)형, 횡방향 미앤더(transversal meander)형 또는종방향 미앤더형과 횡방향 미앤더형의 복합형이 될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 동작을 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 동작을 설명하기 위한 사시도이다. 도 3a는 제2 콤형 정전 구동수단(116 및 117)에 전압을 인가하면 정전 구동력에 의해 광 반사수단(110)이 제2 비틀림 복원수단(120)을 축으로 해서 x 축을 중심으로 회전되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 한 쪽 제2 콤형 정전 구동수단(116)에 전압을 인가하면 +θ방향으로 광 반사수단(110)이 회전되고, 다른 쪽 제2 콤형 정전 구동수단(117)에 전압을 인가하면 -θ방향으로 광 반사수단(110)이 회전된다. 제2 콤형 정전 구동수단(116 및 117)에 전압을 인가하는 방식은 제2 콤형 정전 구동수단의 회전 콤(116b 및 117b) 및 고정 콤(116a 및 117a)의 하층은 접지시키고, 고정 콤(116a 및 117a)의 상층 중 하나에는 '0'이 아닌 전압을 인가하는 것이다.
도 3b는 제1 콤형 정전 구동수단(118 및 119)에 전압을 인가하면 정전 구동력에 의해 광 반사수단(110)이 연결된 내부 틀(112)이 제1 비틀림 복원수단(122)을 축으로 해서 y 축을 중심으로 회전되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 이때 내부 틀(112)에 연결된 제2 콤형 정전 구동수단(116)도 함께 회전하므로 제2 콤형 정전 구동수단의 고정 콤(116a)과 회전 콤(116b)이 서로 접촉되지 않으며 광 반사수단(110)도 따라서 함께 회전한다. 한 쪽 제1 콤형 정전 구동수단(118)에 전압을 인가하면 +φ방향으로 내부 틀(112)이 회전되고, 다른 쪽 제1 콤형 정전 구동수단(119)에 전압을 인가하면 -φ방향으로 내부 틀(112)이 회전된다. 제1 콤형정전 구동수단(118 및 119)에 전압을 가하는 방식은 제1 콤형 정전 구동수단의 회전 콤(118b 및 119b) 및 고정 콤(118a 및 119a)의 하층은 접지시키고, 고정 콤(118a 및 119a)의 상층 중 하나에는 '0'이 아닌 전압을 인가하는 것이다.
도 3c 는 제2 콤형 정전 구동수단(116 및 117) 및 제1 콤형 정전 구동수단(118 및 119)에 전압을 인가하여 정전 구동력에 의해 내부 틀(112)은 제1 비틀림 복원수단(122)을 축으로, 광 반사수단(110)은 제2 비틀림 복원수단(120)을 축으로 회전되어, 결국 광 반사수단(110)이 양방향(θ및 φ)으로 회전되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 3c에서는 제2 콤형 정전 구동수단(117) 및 제1 콤형 정전 구동수단(119)에 전압을 인가하여 정전 구동력에 의해 내부 틀(112)은 제 1 비틀림 복원 수단(122)을 축으로 -φ 방향으로, 광 반사수단(110)은 제2 비틀림 복원수단(112)을 축으로 -θ 방향으로 회전되는 것을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a는 SOI(silicon-on-insulator)(200)의 상부면 및 하부면에 제1 상부 실리콘 산화막(204) 및 하부 실리콘 산화막(206)을 증착하고, 제1 상부 실리콘 산화막(204) 상에 다결정 실리콘막(205)을 증착한 후 다결정 실리콘막을 패터닝하여 식각한 모습의 단면도이다. SOI(silicon-on-insulator)(200)는 운용 실리콘층(handling layer)(203), 매몰된 실리콘 산화막(buried siliconoxide)(202) 및 실리콘 소자층(device layer)(201)이 순차적으로 적층된 구조이다. 다결정 실리콘막(205)의 패턴은 후술하는 도 4g에서 상층, 중층 및 하층이 모두 남는 부분과 하층 만이 남는 부분을 구분하기 위한 것으로서, 다결정 실리콘막(205)이 식각되지 않고 남는 부분은 도 4g 에서 실리콘을 식각할 때 상층 부분이 식각되지 않는다. 즉, 다결정 실리콘막(205)은 제2 고정 콤(116a), 제1 고정 콤(118a), 제1 비틀림 복원수단(122), 외부 틀(114) 및 내부 틀(112) 중 제2 고정 콤이 연결되는 부분을 정의하는 마스크의 역할을 한다. 실리콘 소자층(201) 상에 증착된 제1 상부 실리콘 산화막(204)은 후술하는 도 4d 및 도 4g의 실리콘 소자층 식각시 마스크층을 형성하기 위한 것이며, 운용 실리콘층(203)의 하부면에 증착된 하부 실리콘 산화막(206)은 후술하는 도 4f의 운용 실리콘층 식각시 마스크층을 형성하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세 거울의 상층(106)의 두께는 실리콘 소자층(201)의 두께로 결정되고, 중층(104)의 두께는 매몰된 실리콘 산화막(202)의 두께로 결정된다. 그리고, 하층(102)의 두께와 기판(100)의 두께를 합한 두께는 결국 운용 실리콘층(203)의 두께로 결정된다. 바람직하게는 운용 실리콘층(203)의 두께는 100㎛ 내지 1000㎛, 매몰된 실리콘 산화막(202)의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛, 실리콘 소자층(201)의 두께는 1㎛ 내지 500㎛ 이다. 다만, SOI(silicon-on-insulator)는 상부 실리콘 소자층, 상부 매몰된 실리콘 산화막, 하부 실리콘 소자층, 하부 매몰된 실리콘 산화막 및 운용 실리콘층의 5개 층이 순차적으로 적층된 구조도 가능한데, 이때에는 상부 실리콘 소자층이 상층이 되고, 상부 매몰된 실리콘 산화막이 중층, 하부 실리콘 소자층이 하층, 운용 실리콘층이 기판이 된다. 그리고 하부 매몰된 실리콘 산화막은 식각 방지막(etch-stop) 역할을 하게된다. 상술한 제1 상부 실리콘 산화막(204)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 이고, 다결정 실리콘막(205)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 인 것이 바람직하다. 매몰된 실리콘 산화막(202)은 절연체이고, 운용 실리콘층(203) 및 실리콘 소자층(201)은 도전체이다.
도 4b는 전체 구조 상부면에 제2 상부 실리콘 산화막(207)을 증착하고, 제2 상부 실리콘 산화막(207) 및 제1 상부 실리콘 산화막(204)을 패터닝한 후의 단면도이다. 이 때, 광 반사수단(110), 제2 콤형 정전 구동수단(116), 제1 콤형 정전 구동수단(118), 내부 틀(112), 외부 틀(114), 제2 비틀림 복원수단(120) 및 제1 비틀림 복원수단(122)이 모두 패턴되는데, 제1 상부 실리콘 산화막(204) 및 제2 상부 실리콘 산화막(207)으로만 이루어진 부분은 최종 공정 후에 하층 만이 남게 되며 광 반사수단(110), 내부 틀(112) 중 제1 회전 콤이 연결되는 부분, 제2 비틀림 복원수단(120), 제2 회전 콤(116b) 및 제1 회전 콤(118b)이 이에 해당된다. 이때 제2 상부 실리콘 산화막(207)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 제1 상부 실리콘 산화막(204) 및 제2 상부 실리콘 산화막(207) 사이에 다결정 실리콘(205)이 존재하는 부분은 최종 공정 후에 상층, 중층 및 하층 모두가 남게 되는데 제2 콤형 정전 구동수단 및 제1 콤형 정전 구동수단의 고정 콤(116a 및 118a), 제1 비틀림 복원수단(122), 외부 틀(114) 및 내부 틀(112) 중 제2 고정 콤이 연결되는 부분이 이에 해당된다. 제1 상부 실리콘 산화막(204) 및 제2 상부 실리콘 산화막(207)을식각할 때 고정 콤과 회전 콤이 함께 패턴되므로 자동 정렬(self-align)되는 특징을 갖는다.
이어서, 도 4c를 참조하면, 기판이 형성되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 하부 실리콘 산화막(206)을 패터닝한다. 이는 후술하는 도 4f의 운용 실리콘층(203)에 대한 식각을 준비하기 위한 것이다.
도 4d를 참조하면, 패터닝된 제1 상부 실리콘 산화막(204)을 마스크로 하여 실리콘 소자층(201)을 식각한다. 실리콘 소자층을 식각하여 분리함으로써, 주사 미세거울의 상층 각 부분 사이의 전기적 고립(electrical isolation)이 이루어진다.
도 4e를 참조하면, 제2 상부 실리콘 산화막(207)을 제거하고, 잔존하는 다결정 실리콘 막을 마스크로 하여 제1 상부 실리콘 산화막(204)을 식각하고, 잔존하는 실리콘 소자층(201)을 마스크로 하여 매몰된 실리콘 산화막(202)을 식각한다. 식각 공정은 실리콘 산화막과 실리콘에 대해 선택적 식각성을 갖는 장비를 이용하여 진행한다. 이는 실리콘 소자층(201)이 식각된 부분이 도 4g의 공정에서 운용 실리콘층(203)까지 식각되도록 하기 위한 것이다. 가장 상층에 있는 제2 상부 실리콘 산화막(207)은 모두 제거되고, 나머지 제1 상부 실리콘 산화막(204) 및 매몰된 실리콘 산화막(202)은 드러난 부분만 식각이 된다.
이어서, 도 4f를 참조하면, 하부 실리콘 산화막(206)을 마스크로 하여 운용 실리콘층(203)이 소정 두께를 갖도록 식각한다. 이때 남은 운용 실리콘 층(203)의 두께가 주사 미세 거울의 하층(102) 두께를 결정하는데, 운용 실리콘층의 소정두께는 1㎛ 내지 500㎛ 인 것이 바람직하다.
이어서, 도 4g를 참조하면, 다결정 실리콘막(205)을 제거하고, 다결정 실리콘막(205)의 하부에 잔존한 제1 상부 실리콘 산화막(204)을 마스크로 하여 실리콘 소자층(201)을 식각한다. 그리고, 매몰된 실리콘 산화막(202)을 마스크로 하여 운용 실리콘층(203)을 식각한다. 식각 공정은 실리콘을 식각할 때 실리콘 산화막이 상대적으로 느리게(100분의 1정도) 식각되는 장비를 이용하여 진행한다. 주사 미세 거울은 이 단계에서 기판으로부터 부양(release)된다.
도 4h를 참조하면, 제1 상부 실리콘 산화막(204), 하부 실리콘 산화막(206) 및 매몰된 실리콘 산화막(202)을 제거하고, 전체구조 상부면 및 하부면에 금속막(208)을 증착한다. 이 때 상층인 실리콘 소자층(201)과 하층인 운용 실리콘층(203) 사이에 있는 중층인 매몰된 실리콘 산화막(202)은 일부만 제거되고 남아 상층과 하층을 물리적으로 연결시켜 주어야 한다. 이때 증착된 금속막(208)은 전기 배선의 역할을 하면서 다른 한편으로는 광 반사수단면의 반사도를 향상시키는 역할을 한다. 금속막(208)은 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄-텅스텐(TiW) 및 니켈(Ni) 중 하나 또는 일부의 조합으로 이루어지고, 전체 두께가 10㎚ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시 예에 의한 주사 미세거울이 광통신용 등의 각종 장치에 응용되는 예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 의한 주사 미세거울이 3차원 광 상호분배기에 응용된 주사 미세거울 어레이의 사시도이다. 3차원 광 상호분배기에서 전단의임의의 주사 미세거울은 해당되는 하나의 입력 포트에, 후단의 임의의 주사 미세거울은 해당되는 하나의 출력 포트에 대응하므로 2N 개의 주사 미세거울로서 입/출력 포트가 N ×N인 3차원 광 상호분배기를 구현할 수 있다. 예를 들어 i번째 입력 광섬유로부터 j번째 출력 광섬유로 광신호를 전송하려면, i번째 전단의 주사 미세거울과 j번째 후단의 주사 미세거울을 각각 2축으로 회전하여 i번째 입력 광섬유에서 i번째 전단의 주사 미세거울과 j번째 후단의 주사 미세거울을 거쳐 j번째 출력 광섬유에 이르는 공간 경로를 만들어주어야 한다. 이러한 본 발명의 일실시 예에 의한 주사 미세거울은 파장선택 광 상호분배기(WSXC:Wavelength Selective Cross-Connect), 광 애드-드랍 다중기(OADM:Optical Add-Drop Multiplexer), 표시 장치(Display), 광 주사 장치(Optical Scanner) 등에도 이용될 수 있다. 파장선택 광 상호분배기는 대체로 광 상호분배기와 유사하다. 다른 점은 입력 광섬유와 주사 미세거울 어레이 사이에 파장을 분할하는 분할기(Demultiplexer)가 있어서 나뉘어진 각각의 파장이 주사 미세거울에 의해 각기 다른 출력으로 보내지며, 주사 미세거울 어레이와 출력 광섬유 사이에는 다중기(Multiplexer)가 있어서 파장을 결합하여 출력 광섬유로 보내는 것이다. 이때 1차원 또는 2차원적으로 배열된 주사 미세거울 어레이에서 하나의 주사 미세거울은 하나의 파장에 해당된다. 본 발명에 의한 주사 미세거울이 광 애드-드랍 다중기에 이용되는 예를 설명하면, 광 애드-드랍 다중기는 가입자 측의 신호를 메인 스트림(main stream)에 올리거나 메인 스트림(main stream)의 신호를 내려 받을 때 사용된다. 광 네트워크에서 메인 스트림(main stream)과 가입자 측이 만날 때, 메인 스트림(main stream)의 신호를 그냥흘려보낼 때는 입력에서 출력으로 전송시키고, 가입자 측의 신호를 메인 스트림(main stream)에 올리고 메인 스트림(main stream)의 신호를 가입자 측으로 내려 받을 때는 입력 신호를 해당되는 하나의 드랍(drop) 포트로, 해당되는 하나의 애드(add) 신호를 출력 포트로 보내 주는 역할을 광 애드-드랍 다중기가 하게 된다. 이 때 1차원 또는 2차원으로 배열된 각각의 주사 미세거울은 하나의 입/출력과 복수의 가입자 중 하나의 애드/드랍 포트 사이에 광신호의 공간 경로를 설정하는 역할을 하게 된다. 다음으로, 본 발명에 의한 주사 미세거울이 표시 장치에 이용되는 예를 설명하면, 2차원으로 배열된 주사 미세거울 각각이 하나의 화소 역할을 하여 빛을 화면으로 전사하게 되는데 이 때 주사 미세거울의 각도를 조정함으로써 각 화소의 콘트라스트(contrast)를 조절할 수 있게 된다. 마지막으로, 본 발명에 의한 주사 미세거울이 주사 장치에 이용되는 예를 설명하면, 1차원 또는 2차원으로 배열된 주사 미세거울 각각이 빛을 3차원 공간에서 주사함으로써 레이저 프린터, 레이저 스캐너, 바코드 스캐너 등에 응용되는 주사 장치를 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시 예에 의한 주사 미세거울에 인가되는 전압과 그에 따른 광 반사수단 및 내부 틀의 회전 각도에 대하여 상세하게 설명한다.
주사 미세거울에서 내부 틀(112) 또는 외부 틀(114)의 한면에 위치한 단일 고정 콤(116a 또는 118a)과 단일 회전 콤(116b 또는 118b)을 기본 단위라고 한다면, 이러한 기본 단위의 커패시턴스(Cunit)는 수학식 1과 같이 근사할 수 있다.
이때, θ는 광 반사수단(110) 또는 내부 틀(112)의 회전각, ε0는 공기 중의 유전율, L2는 비틀림 복원수단(120 또는 122)에서 회전 콤(116b 또는 118b)의 부양된 끝 부분까지의 거리, L1은 비틀림 복원수단(120 또는 122)에서 고정 콤(116a 또는 118a)의 부양된 끝 부분까지의 거리, Gf는 고정 콤(116a 또는 118a)과 회전 콤(116b 또는 118b) 사이의 수평 거리이다. 고정 콤(116a 또는 118a)과 회전 콤(116b 또는 118b) 사이에 전압(V)을 인가할 때 발생하는 정전 토오크(torque,Te)는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
이때, Nf는 고정 콤(116b 또는 118b) 또는 회전 콤(116b 또는 118b)의 빗살 개수를 나타낸다. 이러한 정전 토오크(torque,Te)에 대응하여 평형을 이루게 하는 것이 비틀림 복원수단(120 또는 122)의 복원 토오크(Tm)이며 다음의 수학식 3과 같이 나타내어진다.
이때, Ws는 비틀림 복원수단(120 또는 122)의 폭, Ts는 두께, Ls는 길이를 나타내고, G는 쉬어 모듈러스(shear modulus)를, Ks는 비틀림 복원수단 상수를 나타낸다. 그리고, 수학식 3은 비틀림 복원수단(120 또는 122)의 폭(Ws)이 두께(Ts)보다 작다는 가정하에 성립한다. 평형상태에서 수학식 2의 정전 토오크(Te)와 수학식 3의 복원 토오크(Tm)가 같다고 놓으면, 주사 미세거울에 인가되는 전압(V)과 그에 따른 광 반사수단(110) 및 내부 틀(112)의 회전 각도(θ)는 다음의 수학식 4와 같이 표시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 주사 미세거울에 인가되는 전압과 그에 따른 광 반사수단(110) 및 내부 틀(112)의 회전 각도를 설명하기 위한 그래프로서, 수학식 4에 따라 제1 비틀림 복원수단(122)이 폭(Ws)이 5㎛, 두께(Ts)가 150㎛, 길이(Ls)가 450㎛인 실리콘(G=76GPa)으로, 제 2 비틀림 복원수단(120)이 폭(Ws)이 5㎛, 두께(Ts)가 75㎛, 길이(Ls)가 300㎛인 실리콘으로 이루어지고, 제1 콤형 정전 구동수단(118)의 Nf는 146, L2는 720㎛, L1은 620㎛이고, 제2 콤형 정전 구동수단(116)의 Nf는 62, L2는 720㎛, L1은 550㎛인 경우에 대하여 계산한 x 축 및 y 축 각각에 대한 전압(V) 대 회전각(θ)의 특성 결과이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 광통신용 주사 미세거울은 수직 콤형 정전 구동방식을 이용하므로 종래의 평판형 정전 구동기를 사용하는 경우에 비하여 가용 회전각을 크게 할 수 있고, 고정 콤과 회전 콤의 수직 방향 비대칭성(asymmetry)을 크게 하여 공진(resonant) 상태에서뿐만 아니라 비공진 상태에서도 대회전각을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한 전기장 밀도를 높이고 구동 전압을 낮추거나 같은 구동 전압을 유지하면서 상대적으로 비틀림 복원수단 상수를 높임으로써 스위칭 시간을 단축시킬 수 있고, 고정 콤과 회전 콤이 자동 정렬됨으로써 구동시의 불안정성(instability)을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 내부에 구멍을 갖는 외부 틀;
    상기 외부 틀의 구멍 안에 위치하며, 내부에 구멍을 갖는 내부 틀;
    상기 내부 틀의 구멍 안에 위치하는 광 반사수단;
    상기 외부 틀의 내벽과 상기 내부 틀의 외벽 사이에 연결되어 상기 내부 틀을 지지하는 복수개의 제1 비틀림 복원수단;
    상기 내부 틀의 내벽과 상기 광 반사수단 사이에 연결되어 상기 광 반사수단을 지지하는 복수개의 제2 비틀림 복원수단;
    상기 광 반사수단에 연결된 내부 틀이 상기 제1 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제1 콤형 정전 구동수단; 및
    상기 광 반사수단이 상기 제2 비틀림 복원수단을 축으로 회전하도록 정전 구동력을 주는 제2 콤형 정전 구동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 광 반사수단의 평면은
    사각형, 육각형, 팔각형, 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 비틀림 복원수단 및 제2 비틀림 복원수단은
    직선형, 종방향 미앤더(meander)형, 횡방향 미앤더형 또는 상기 종방향 미앤더형과 상기 횡방향 미앤더형의 복합형인 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 복수개의 제1 비틀림 복원수단과 상기 복수개의 제2 비틀림 복원수단은 서로 직각을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 콤형 정전 구동수단은
    일단이 상기 외부 틀의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있는 제1 고정 콤 및 일단이 상기 내부 틀의 외벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있으며 상기 제1 고정 콤과 깍지끼듯 엇갈리게 배치된 제1 회전 콤을 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제2 콤형 정전 구동수단은
    일단이 상기 내부 틀의 내벽에 연결되어 공기 중에 부양되어 있는 제2 고정 콤 및 일단이 상기 광 반사수단에 연결되어 공기 중에 부양되어 있으며 상기 제2 고정 콤과 깍지끼듯 엇갈리게 배치된 제2 회전 콤을 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울.
  7. (a) 운용 실리콘층, 매몰된 실리콘 산화막 및 실리콘 소자층이 순차적으로 적층된 SOI 양면에 제1 상부 실리콘 산화막 및 하부 실리콘 산화막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 상부 실리콘 산화막상에 다결정 실리콘막을 증착하고, 제1 고정 콤, 제2 고정 콤, 제1 비틀림 복원수단, 외부 틀 및 내부 틀 중 제2 고정 콤이 연결되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 상기 다결정 실리콘막을 패터닝하는 단계;
    (c) 전체구조 상부면에 제2 상부 실리콘 산화막을 증착하고, 잔존하는 상기 다결정 실리콘 막, 제1 회전 콤, 제2 회전 콤, 광 반사수단, 제2 비틀림 복원수단 및 내부 틀 중 제1 회전 콤이 연결되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 상기 제2 상부 실리콘 산화막 및 상기 제1 상부 실리콘 산화막을 패터닝하는 단계;
    (d) 기판이 형성되는 부분을 정의하는 마스크를 이용하여 상기 하부 실리콘 산화막을 패터닝하는 단계;
    (e) 상기 제1 상부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 상기 실리콘 소자층을 식각하는 단계;
    (f) 상기 제2 상부 실리콘 산화막을 제거하고, 잔존하는 상기 다결정 실리콘막을 마스크로 하여 상기 제1 상부 실리콘 산화막을 식각하고, 상기 실리콘 소자층을 마스크로 하여 상기 매몰된 실리콘 산화막을 식각하는 단계;
    (g) 상기 하부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 상기 운용 실리콘층이 소정 두께를 갖도록 식각하는 단계;
    (h) 상기 다결정 실리콘막을 제거하고, 상기 다결정 실리콘막의 하부에 잔존한 상기 제1 상부 실리콘 산화막을 마스크로 하여 상기 실리콘 소자층을 식각하며, 상기 매몰된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 상기 운용 실리콘층을 식각하는 단계; 및
    (i) 상기 제1 상부 실리콘 산화막 및 상기 하부 실리콘 산화막을 제거하고, 잔존한 상기 실리콘 소자층을 마스크로 하여 매몰된 실리콘 산화막을 제거하고, 전체구조 상부면 및 하부면에 금속막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 (a) 단계에 있어서,
    상기 운용 실리콘층의 두께는 100㎛ 내지 1000㎛ 이고, 상기 매몰된 실리콘 산화막의 두께는 0.5㎛ 내지 10㎛ 이며, 상기 실리콘 소자층의 두께는 1㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울의 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 제1 상부 실리콘 산화막 및 제2 상부 실리콘 산화막의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 이고, 상기 다결정 실리콘막의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울의 제조방법.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 (g) 단계에 있어서,
    상기 운용 실리콘층의 소정 두께는 1㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는광통신용 주사 미세거울의 제조방법.
  11. 제7 항에 있어서, 상기 (i) 단계에 있어서,
    상기 금속막은 금, 알루미늄, 구리, 백금, 크롬, 티타늄, 티타늄-텅스텐 및 니켈 중 하나 또는 일부의 조합으로 이루어지고, 전체 두께가 10㎚ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 광통신용 주사 미세거울의 제조방법.
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