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KR100759106B1 - 초미세 전기기계 시스템 미러에서 미러 판을 정전 구동부와 결합하는 방법 - Google Patents

초미세 전기기계 시스템 미러에서 미러 판을 정전 구동부와 결합하는 방법 Download PDF

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KR100759106B1
KR100759106B1 KR1020070015157A KR20070015157A KR100759106B1 KR 100759106 B1 KR100759106 B1 KR 100759106B1 KR 1020070015157 A KR1020070015157 A KR 1020070015157A KR 20070015157 A KR20070015157 A KR 20070015157A KR 100759106 B1 KR100759106 B1 KR 100759106B1
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KR
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area
mirror
mirror plate
support post
driving unit
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Application number
KR1020070015157A
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Inventor
박일흥
박재형
유병욱
전진아
김민수
Original Assignee
이화여자대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 MEMS 미러에서 미러 판을 정전 구동부에 결합하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 구동부의 에칭 과정에서, 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 제1 면적의 지지 포스트(supporting post)를 남겨두는 단계와, (2) 미러 판의 바닥 면에 제1 면적보다 더 넓은 제2 면적의 받침대(pedestal)를 패터닝하는 단계와, (3) 받침대를 이용하여 미러 판을 구동부에 결합하는 단계와, (4) 지지 포스트를 제거할 수 있도록, 제1 면적보다는 넓고, 제2 면적보다는 좁은 제3 면적으로 에칭하는 단계를 포함하는 미러 판과 구동부의 결합 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 구동부의 에칭 과정에서 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 소정의 면적의 지지 포스트를 남겨두었다가 이 지지 포스트를 이용하여 미러 판을 구동부에 안전하게 결합한 후, 지지 포스트의 면적보다 넓은 면적으로 에칭하여 지지 포스트를 제거함으로써, 미러 판을 구동부와 결합하는 과정에서 구동부가 파손될 가능성을 크게 줄일 수 있다.
MEMS 미러, 정전 구동 방식, 결합, 미러 판, 구동부, 에칭, 지지 포스트, 받침대, 기판, 면적

Description

초미세 전기기계 시스템 미러에서 미러 판을 정전 구동부와 결합하는 방법{A METHOD FOR BONDING A MIRROR PLATE WITH AN ELECTROSTATIC ACTUATOR IN A MEMS MIRROR}
도 1은 MEMS 미러에서 사용될 수 있는 여러 가지 구동 방식의 일 예를 도시하는 도면으로서, 도 1a 내지 도 1d는 각각 정전 구동 방식, 전자기 구동 방식, 열 구동 방식 및 압전 구동 방식을 나타내는 도면이며, 특히 1a에서 좌측은 평행 판 정전 구동 방식을, 우측은 빗살형 정전 구동 방식을 나타내는 도면.
도 2는 정전 구동 방식을 이용한 MEMS 미러(200)의 일 예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 정전 구동 방식의 MEMS 미러에서 미러 판을 구동부에 결합하는 방법을 나타내는 도면으로서, 설명의 편이를 위해 아래쪽에서 본 모습을 나타내는 도면.
도 4는 도 3c 및 도 3d에 도시된 단계에 대한 단면도로서, 미러 판이 구동부와 결합된 후 에칭 공정에 의해 지지 포스트가 제거되는 과정을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 미러 판의 결합 방법에 의해 구현된 MEMS 미러를 나타내는 도면.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 정전 구동 방식을 이용한 MEMS 미러
210 : 미러 판(mirror plate)
220 : 구동 전극
230 : 짐벌(gimbal)
310 : (정전 구동 방식의) 구동부
320 : 지지 포스트(supporting post)
330 : 미러 판
340 : 받침대(pedestal)
410 : (정전 구동 방식의) 구동부
420 : 지지 포스트
430 : 미러 판
440 : 받침대
450 : 기판
본 발명은 MEMS 미러에서 미러 판을 정전 구동부에 결합하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구동부의 에칭 과정에서 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 소정의 면적의 지지 포스트(supporting post)를 남겨두었다가 이 지지 포스트를 이용하여 미러 판을 구동부에 안전하게 결합한 후, 지지 포스트의 면적보다 넓은 면적으로 에칭하여 지지 포스트를 제거함으로써, 미러 판을 구동 부와 결합하는 과정에서 구동부가 파손될 가능성을 크게 줄일 수 있는 미러 판과 구동부의 결합 방법에 관한 것이다.
초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)라고 하여, 센서 밸브, 기어, 반사경 및 반도체 칩 작동기 등의 작은 기계 장치와 컴퓨터를 조합시킨 기술이 요즘 새롭게 각광받고 있다. MEMS는‘스마트 메터(smart meter)'라고도 하며, 반사경이나 센서와 같은 기계 장치 제작 시에 넣는 작은 실리콘 칩의 마이크로 회로를 가진 장치로서, 자동차 에어백에서 감지된 속도와 보호자의 체중에 맞게 에어백을 팽창시키는 장치, 화물 수송의 연속 추적과 취급 과정을 알 수 있는 전 세계적 위치 시스템 센서, 비행기 날개의 표면 공기저항에 따라 공기 흐름의 변화를 감지하여 상호작용하는 센서, 20 나노초의 속도로 광 신호를 낼 수 있는 광 스위칭 장치, 센서 조작 냉온 장치, 대기 압력에 반응하는 물질의 유연성을 변화시키는 빌딩 내 센서 등 여러 용도로 쓰이고 있다. 이와 같이, MEMS는 애플리케이션이 적용되는 제품의 성능을 크게 향상시키면서 동시에 크기도 소형화시키고 비용도 줄일 수 있어서, 다양한 분야에서 응용되고 있다.
이와 같은 MEMS는 스캐닝 미러를 구현하는 데에도 응용되고 있다. MEMS에 의해 구현된 미러(이하 'MEMS 미러')는 미러를 구동하는 구동 방식에 따라 정전 방식의 미러, 전자기 방식의 미러, 열 방식의 미러 및 압전 방식의 미러 등으로 나눌 수 있다. 정전 방식의 미러는 다시 평행 판(parallel plate) 방식과 빗살형 구동(comb-drive) 방식으로 나눌 수 있다. 도 1은 MEMS 미러에서 사용될 수 있는 여러 가지 구동 방식의 예를 도시하는 도면이다. 도 1a 내지 1d는 각각 정전 구동 방식, 전자기 구동 방식, 열 구동 방식 및 압전 구동 방식을 나타내는 도면이며, 특히 1a에서 좌측은 평행 판 정전 구동 방식을, 우측은 빗살형 정전 구동 방식을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 여러 가지 구동 방식들 중, 제조가 용이하고 전력 소모가 작으면서도 구동력, 토크 및 최대 스트로크가 우수한 빗살형 구동 방식이 가장 널리 사용되고 있다.
도 2는 정전 구동 방식을 이용한 MEMS 미러(200)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정전 구동 방식을 이용한 MEMS 미러(200)는, 실제 반사면에 해당하는 미러 판(210), 정전 구동부를 형성하는 구동 전극(220) 및 짐벌(gimbal)(220)을 포함한다. 도 2에 도시된 MEMS 미러에서, 미러는 자유롭게 회전할 수 있어야 하므로 미러 하부의 구동부는 플로팅(floating) 상태를 유지해야 한다. 이와 같이 구동부가 플로팅 상태를 유지하면서, 즉 구동부가 바닥의 기판에 의해 지지되지 못하는 상태를 유지하면서 미러 판을 구동부와 결합(bonding)시키면, 그 과정에서 미러 판에 가해지는 힘이 전부 구동부로 전달되어 구동부가 파손될 가능성이 매우 크다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, 미러 판에 가해지는 힘을 제어하는 방법도 제안된 바 있지만 이는 제어가 어렵고 여전히 어느 정도는 구동부의 파손 위험이 남아 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 구동부의 에칭 과정에서 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 소정의 면적의 지지 포스트(supporting post)를 남겨두었다가 이 지지 포스트를 이용하여 미러 판을 구동부에 안전하게 결합한 후, 지지 포스트의 면적보다 넓은 면적으로 에칭하여 지지 포스트를 제거함으로써, 미러 판을 구동부와 결합하는 과정에서 구동부가 파손될 가능성을 크게 줄일 수 있는 미러 판과 구동부의 결합 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 미러 판과 구동부의 결합 방법은,
미러 판(mirror plate), 상기 미러 판을 정전력(electrostatic force)으로 구동하는 구동부, 및 기판을 차례대로 포함하는 마이크로 전기 기계 장치(Micro-Electro-Mechanical System; MEMS) 미러에서, 상기 미러 판을 상기 구동부와 결합(bonding)하는 방법으로서,
(1) 상기 구동부의 에칭 과정에서, 상기 구동부가 상기 기판과 닿을 수 있도록, 상기 미러의 중심부에 제1 면적의 지지 포스트(supporting post)를 남겨두는 단계;
(2) 상기 미러 판의 바닥 면에 상기 제1 면적보다 더 넓은 제2 면적의 받침대(pedestal)를 패터닝하는 단계;
(3) 상기 받침대를 이용하여 상기 미러 판을 상기 구동부에 결합하는 단계; 및
(4) 상기 지지 포스트를 제거할 수 있도록, 상기 제1 면적보다는 넓고, 상기 제2 면적보다는 좁은 제3 면적으로 에칭하는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한 다.
본 발명의 다른 특징에 따른 미러 판과 구동부의 결합 방법은,
상기 결합 단계에서 사용될 수 있는 결합 방법에, 양극 결합(anodic bonding), 실리콘 대 실리콘 직접 퓨전 결합(silicon to silicon direct fusion bonding), 공융 결합(eutectic bonding), 폴리머 부착 결합(polymer adhesive bonding)이 포함되는 것을 그 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 정전 구동 방식의 MEMS 미러에서 미러 판을 구동부와 결합하는 방법을 나타내는 도면으로서, 설명의 편이를 위해 아래쪽에서 위쪽으로 본 모습을 나타내는 도면이다. 도 3에서, 도 3a는 구동부(310)의 에칭 과정에서, 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 소정의 면적(포스트 면적)의 지지 포스트(supporting post)(320)를 남겨두는 단계(단계 1)를 나타내며, 도 3b는 미러 판(330)의 바닥 면에 포스트 면적보다 더 넓은 면적(받침대 면적)으로 받침대(pedestal)(340)를 패터닝하는 단계(단계 2)를 나타낸다. 또한, 도 3c는 받침대(340)를 이용하여 미러 판(330)을 구동부(310)에 결합하는 단계(단계 3)를 나타내며, 도 3d는 지지 포스트(320)를 제거할 수 있도록, 포스트 면적보다는 넓고, 받침대 면적보다는 좁은 면적으로 에칭하는 단계(단계 4)를 나타낸다.
도 3a에 도시된 단계 1에서는, 지지 포스트(320)를 에칭 공정에 의해 제거하지 않고 남겨 두는 것이 중요하다. 실제 구동부(310)의 기능을 고려할 때 지지 포스트(320)는 에칭 공정으로 제거해야 하는 부분이다. 그러나 지지 포스트(320)를 에칭 공정으로 제거해 버릴 경우, 미러 판(330)이 구동부(310)와 결합되는 부분에 대하여 구동부(310)는 기판(도 3에 도시되지 않음; 도 4의 도면부호 450 참조)에 대한 지지 부분을 포함하지 않게 되어, 미러 판(330)에 힘을 가하여 구동부(310)와 결합하는 과정에서 구동부(310)나 미러 판(330)이 파손될 위험성이 매우 크다. 이 때, 남겨지는 지지 포스트(320)의 면적과 관련해서는, 지지 포스트(320)의 면적이 넓어질수록 지지력이 강해져 안전성은 높아지나 반면에 에칭 공정에 의해 제거되는 미러 판(330)의 면적이 넓어져서 채움-인자(fill-factor)에는 나쁜 영향을 미칠 수도 있으므로, 이러한 점들을 고려하여 적당한 면적을 선택해야 한다.
도 3b에 도시된 단계 2에서는, 미러 판(330)의 바닥 면에 지지 포스트의 면적보다 더 넓은 면적으로 받침대(340)가 패터닝된다. 받침대(340)는 이후 단계에서 미러 판(330)을 구동부(310)와 결합하는 데 이용된다. 받침대(340)의 면적은 적어도 지지 포스트(320)의 면적보다는 넓어서 지지 포스트(320) 전체를 포함할 수 있어야 한다.
도 3c에 도시된 단계 3에서는, 단계 2에서 패터닝 공정에 의해 만들어진 미러 판(330)의 받침대(340)를 이용하여 미러 판(330)이 구동부(310)와 결합된다. 도 3c에 도시되어 있지는 않지만, 실제 지지 포스트(320) 하부(도면상으로는 상부)에는 기판(도 4의 도면부호 450 참조)이 위치하고 있다. 만약 단계 1에서 지지 포스트(320)를 남겨두지 않았다면, 미러 판(330)을 구동부(310)와 결합시키는 과정에서 가해진 힘이 전부 구동부(310)에 전해져서 구동부(310)가 파손될 위험성이 크다. 물론, 이 과정에서 미러 판 자체가 파손될 수도 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 구동부(310)에 지지 포스트(320)를 남겨둘 경우에는, 미러 판(330)을 구동부(310)와 결합시키는 과정에서 가해진 힘이 지지 포스트(320)를 통하여 기판으로 분산되기 때문에 구동부(310) 또는 미러 판(330)이 파손될 위험성을 크게 줄일 수 있다.
한편, 미러 판(330)을 구동부(310)와 결합하는 데에는 반도체 공정에서 사용되는 여러 가지 결합 방식들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 양극 결합(anodic bonding), 실리콘 대 실리콘 직접 퓨전 결합(silicon to silicon direct fusion bonding), 공융 결합(eutectic bonding), 폴리머 부착 결합(polymer adhesive bonding) 등이 미러 판(330)과 구동부(310)의 결합 방식으로 이용될 수 있다.
도 3d에 도시된 단계 4에서는, 지지 포스트(320)의 면적보다는 넓고, 받침대(340)의 면적보다는 좁은 면적으로 에칭함으로써, 지지 포스트(320)가 제거된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 단계 3에서 미러 판(330)을 구동부(310)와 안전하게 결합하는 데에 지지 포스트(320)는 중요한 역할을 한다. 하지만, 최종적으로 지지 포스트(320)는 제거되어야 한다. 이는 지지 포스트(320)가 제거되어야지만, 미러 판 하부의 구동부(310)가 플로팅(floating) 상태가 되어 미러가 자유롭게 회전할 수 있게 되기 때문이다. 이때 에칭이 가해지는 면적은, 지지 포스트(320)를 완전하게 제거할 수 있도록 지지 포스트(320)의 면적보다는 넓어야 하지만, 받침대(340)의 일부는 남겨져야 하므로 받침대(340)의 면적보다는 좁아야 한다는 점을 고려하여 적당한 면적이 선택되어야 한다.
도 4는 도 3c 및 도 3d에 도시된 단계에 대한 단면도로서, 미러 판이 구동부 와 결합된 후 에칭 공정에 의해 지지 포스트가 제거되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 4에서, 도 4a는 미러 판을 구동부와 결합시킨 후의 단면을 나타내는 도면이며, 도 4b는 에칭 공정에 의해 지지 포스트를 제거한 후의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4a에서 분명하게 확인할 수 있는 것처럼, 지지 포스트(420)는 미러 판(430)이 구동부(410)와 결합하는 부분에 대하여 구동부(410)와 기판(450)이 접촉하는 부분을 제공하여, 미러 판(430)을 구동부(410)에 결합시키는 과정에서 가해지는 힘을 기판(450)으로 분산시키는 역할을 수행하게 된다.
도 4b는 에칭 공정과 함께 미러 판(430)에 대한 패터닝 공정도 완료된 후의 최종 MEMS 미러의 단면도이다. 최종적으로 미러 판(430)은 그 하부의 구동부(410)가 플로팅 상태이기 때문에 자유롭게 회전할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 미러 판의 결합 방법에 의해 구현된 MEMS 미러를 나타내는 도면이다. 도 5에서 분명하게 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안한 방법에 의해 구현된 MEMS 미러는, 그 구현이 안전하면서 채움-인자도 높은 우수한 성능을 가지게 된다. 채움-인자는, 앞서 말한 바와 같이, 안정성을 유지하는 한도 내에서 지지 포스트의 면적 및 에칭 면적을 최소화함으로써 최대화될 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 구동부의 에칭 과정에서 미러의 중심부에 구동부가 기판과 닿을 수 있도록 소정의 면적의 지지 포스트를 남겨두었다가 이 지지 포스트를 이용하여 미러 판을 구동부에 안전하게 결합한 후, 지지 포스트의 면적보다 넓은 면적으로 에칭하여 지지 포스트를 제거함으로써, 미러 판을 구동부와 결합하는 과정에서 구동부가 파손될 가능성을 크게 줄일 수 있다.

Claims (2)

  1. 미러 판(mirror plate), 상기 미러 판을 정전력(electrostatic force)으로 구동하는 구동부, 및 기판을 차례대로 포함하는 초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS) 미러에서, 상기 미러 판을 상기 구동부와 결합(bonding)하는 방법으로서,
    상기 구동부의 에칭 과정에서, 상기 구동부가 상기 기판과 닿을 수 있도록, 상기 미러의 중심부에 제1 면적의 지지 포스트(supporting post)를 남겨두는 단계;
    상기 미러 판의 바닥 면에 상기 제1 면적보다 더 넓은 제2 면적의 받침대(pedestal)를 패터닝하는 단계;
    상기 받침대를 이용하여 상기 미러 판을 상기 구동부에 결합하는 단계; 및
    상기 지지 포스트를 제거할 수 있도록, 상기 제1 면적보다는 넓고, 상기 제2 면적보다는 좁은 제3 면적으로 에칭하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합 단계에서 사용될 수 있는 결합 방법에, 양극 결합(anodic bonding), 실리콘 대 실리콘 직접 퓨전 결합(silicon to silicon direct fusion bonding), 공융 결합(eutectic bonding), 폴리머 부착 결합(polymer adhesive bonding)이 포함되는 방법.
KR1020070015157A 2007-02-14 2007-02-14 초미세 전기기계 시스템 미러에서 미러 판을 정전 구동부와 결합하는 방법 KR100759106B1 (ko)

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