KR100225585B1 - 큰 구동각도를 가지는 박막형 광로 조절 장치 - Google Patents

큰 구동각도를 가지는 박막형 광로 조절 장치

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Abstract

2개의 액츄에이팅부를 가지는 박막형 광로 조절 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 트랜지스터가 내장되고, 양측 상부에 패드가 형성된 액티브 매트릭스, 상기 액티브 매트릭스의 일측 상부에 형성된 제1 하부 전극, 상기 제1 하부 전극의 상부에 형성된 제1 변형층, 상기 제1 변형층의 상부에 형성된 제1 상부 전극 및 상기 제1 상부 전극의 상단에 형성된 제1 지지부를 갖는 제1 액츄에이팅부, 상기 액티브 매트릭스의 타측 상부에 상기 액티브 매트릭스와 평행하도록 형성된 제2 하부 전극, 상기 제2 하부 전극의 상부에 형성된 제2 변형층, 상기 제2 변형층의 상부에 형성된 제2 상부 전극 및 상기 제2 상부 전극의 상단에 형성된 제2 지지부를 갖는 제2 액츄에이팅부, 그리고 거울을 포함한다. 상기 장치는 제1 액츄에이팅부 및 제2 액츄에이팅부가 대칭적으로 형성되어 있으므로 제1 액츄에이팅부 및 제2 액츄에이팅부의 초기 기울어짐에 관계없이 거울을 항상 수평하게 유지할 수 있다. 또한 액츄에이팅부들이 서로 반대 방향으로 구동하므로 2배의 구동 각도로 거울을 구동시켜 광효율을 높일 수 있으며, 콘트라스트를 향상시켜 밝고 선명한 화상을 맺을 수 있다.

Description

큰 구동 각도를 가지는 박막형 광로 조절 장치
본 발명은 AMA(Actuated Mirror Arrays)를 이용한 박막형 광로 조절 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 좁은 면적을 가지면서도 거울의 구동 각도를 크게 할 수 있으며, 액츄에이터의 초기 기울어짐에 관계없이 항상 거울을 수평하게 유지할 수 있는 박막형 광로 조절 장치에 관한 것이다.
광속을 조정할 수 있는 광로 조절 장치 또는 광 변조기는 광통신, 화상 처리, 그리고 정보 디스플레이 장치 등에 다양하게 응용될 수 있다. 일반적으로 그러한 장치는 광학적 특성에 따라 크게 두 종류로 분류된다. 그 한 종류는 직시형 화상 표시 장치로서 CRT(Cathode Ray Tube) 등이 이에 해당하며, 다른 한 종류는 투사형 화상 표시 장치로서 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display：LCD), AMA 또는 DMD(Deformable Mirror Device) 등이 이에 해당한다. 상기 CRT 장치는 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 장치의 중량과 용적이 증가하고 제조 비용이 상승하게 되는 문제점이 있다. 이에 비하여, 액정 표시 장치(LCD)는 광학적 구조가 간단하여 얇게 형성함으로서 장치의 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄일 수 있는 이점이 있다. 그러나 액정 표시 장치는 광의 편광으로 인하여 1∼2％의 광효율을 가질 정도로 효율이 떨어지고 액정 물질의 응답 속도가 느리며, 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여 AMA, 또는 DMD 등의 화상 표시 장치가 개발되었다. 현재, DMD 장치가 5％ 정도의 광효율을 가지는 것에 비하여 AMA는 10％ 이상의 광효율을 가진다.
상기 AMA는 그 내부에 설치된 각각의 거울들이 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하며, 상기 반사된 빛은 슬릿(slit)을 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺도록 광속을 조절할 수 있는 장치이다. 따라서 그 구조와 동작 원리가 간단하며, 액정 표시 장치나 DMD 등에 비해 높은 광효율을 얻을 수 있다. 또한 콘트라스트(contrast)가 향상되어 밝고 선명한 화상을 얻을 수 있다. AMA에 내장된 거울들은 각기 슬릿에 대응하여 배열되어 발생하는 전계에 의하여 경사지게 된다. 따라서 광원으로부터 입사되는 광속을 소정의 각도로 조절하여, 스크린에 화상을 맺을 수 있도록 한다. 일반적으로 각각의 액츄에이터(actuator)는 인가되는 전기적인 화상 신호 및 바이어스 전압에 의하여 발생되는 전계에 따라 변형을 일으킨다.
상기 액츄에이터가 변형을 일으킬 때, 상기 액츄에이터의 상부에 장착된 각각의 거울들이 경사지게 된다. 따라서 상기 경사진 거울들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시킬 수 있게 된다. 상기 각각의 거울들을 구동하는 액츄에이터로서 PZT(Pb(Zr, Ti)O3), 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O3) 등의 압전 물질이 이용된다. 또한 PMN(Pb(Mg, Nb)O3) 등의 전왜 물질로서 상기 액츄에이터를 구성할 수 있다.
이러한 AMA를 이용한 광로 조절 장치는 크게 벌크형(bulk type)과 박막형(thin film type)으로 구분된다. 상기 벌크형 장치는, 예를 들면 미합중국 특허 제5,085,497호(issued to Gregory Um, et al.), 제5,159,225호(issued to Gregory Um, et al.), 제175,465호(issued to Gregory Um, et al.) 등에 개시되어 있다. 벌크형 장치는 다층 세라믹을 얇게 절단하여 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼(ceramic wafer)를 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(active matrix)에 장착한 후 쏘잉(sawing) 방법으로 가공하고 상부에 거울을 설치하여 이루어진다. 그러나 벌크형 장치는 액츄에이터들을 쏘잉 방법에 의하여 분리하여야 하므로 설계 및 제조에 있어서 높은 정밀도가 요구되며, 변형부의 응답 속도가 느린 단점이 있다. 따라서 반도체 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형 장치가 개발되었다.
이러한 박막형 광로 조절 장치는 본 출원인이 1996년 12월 11일에 특허 출원한 특허 출원 제96-64445호(발명의 명칭：광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법)에 개시되어 있다.
도 1은 상기 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치의 평면도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1에 도시한 장치를 A­A′선으로 자른 단면도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 박막형 광로 조절 장치는 액티브 매트릭스(31)와 액티브 매트릭스(31)의 상부에 형성된 액츄에이터(49)를 포함한다. 상기 액티브 매트릭스(31)는 액티브 매트릭스(31)의 일측 표면에 형성된 드레인(drain)(33), 액티브 매트릭스(31) 및 드레인(33)의 상부에 적층된 보호층(35), 그리고 보호층(35)의 상부에 적층된 식각 방지층(etch stop layer)(37)을 포함한다.
상기 액츄에이터는(49) 상기 식각 방지층(37) 중 하부에 드레인(33)이 형성된 부분에 그 일측이 접촉되며 타측이 제1 에어 갭(55)을 개재하여 식각 방지층(37)과 평행하도록 적층된 멤브레인(41), 멤브레인(41)의 상부에 적층된 하부 전극(43), 하부 전극(43)의 상부에 적층된 변형층(active layer)(45), 변형층(45)의 일측 상부에 적층된 상부 전극(47), 변형층(45)의 타측으로부터 변형층(45), 하부 전극(43), 멤브레인(41), 식각 방지층(37) 및 보호층(35)을 통하여 상기 드레인(33)까지 수직하게 형성된 비어 홀(via hole)(51), 비어 홀(51)의 내부에 형성된 비어 컨택(via contact)(53), 그리고 상기 상부 전극(47)의 상부에 중앙부가 접촉되며 양측부가 제2 에어 갭(61)을 개재하여 상부 전극(47)과 평행하도록 형성된 거울(59)을 포함한다.
또한, 상기 멤브레인(41)의 일측은 그 중앙부에 사각형 형상의 오목한 부분을 가지며, 이러한 오목한 부분이 양쪽 가장자리로 갈수록 계단형으로 넓어지는 형상으로 형성된다. 상기 멤브레인(41)의 타측은 상기 오목한 부분에 대응하여 중앙부로 갈수록 계단형으로 좁아지는 사각형 형상의 돌출부를 가진다. 그러므로, 상기 멤브레인(41)의 오목한 부분에 인접한 액츄에이터의 멤브레인의 오목한 부분이 끼워지고, 상기 사각형 형상의 돌출부가 인접한 멤브레인의 오목한 부분에 끼워지게 된다.
이하 상기 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시한 장치의 제조 공정도를 도시한 것이다. 도 3a를 참조하면, M×N개의 MOS 트랜지스터(도시되지 않음)가 내장되어 있고, 일측 상부에 드레인(33)이 형성되어 있는 액티브 매트릭스(31)의 상부에 보호층(35)을 적층한다. 상기 액티브 매트릭스(31)는 실리콘 등의 반도체로 이루어지거나 또는 유리나 알루미나(Al2O3) 등의 절연 물질로 구성된다. 상기 보호층(35)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 1．0∼2．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 보호층(35)은 후속하는 공정 동안 액티브 매트릭스(31)에 내장된 트랜지스터가 손상을 입게 되는 것을 방지한다.
상기 보호층(35)의 상부에는 식각 방지층(37)이 적층된다. 식각 방지층(37)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(Low Pressure CVD：LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 식각 방지층(37)은 광원으로부터 입사된 광속에 의한 광전류를 차단하며 동시에 상기 액티브 매트릭스(31) 및 보호층(35)이 후속되는 식각 공정으로 인하여 식각되는 것을 방지한다.
상기 식각 방지층(37)의 상부에는 희생층(39)이 적층된다. 희생층(39)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학 기상 증착(Atmospheric Pressure CVD：APCVD) 방법으로 1．0∼2．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 상기 희생층(39) 중 아래에 드레인(33)이 형성되어 있는 부분을 식각하여 상기 식각 방지층(37)의 일부를 노출시킨다.
도 3b를 참조하면, 상기 노출된 식각 방지층(37)의 상부 및 희생층(39)의 상부에 멤브레인(41)을 적층한다. 멤브레인(41)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 백금(Pt), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등으로 구성된 하부 전극(43)을 상기 멤브레인(41)의 상부에 적층한다. 상기 하부 전극(43)은 스퍼터링 방법을 이용하여 500∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(31)에 내장된 트랜지스터 및 드레인(33)을 통하여 신호 전극인 하부 전극(43)에 인가된다.
상기 하부 전극(43)의 상부에는 변형층(45)이 적층된다. 변형층(45)은 PZT, 또는 PLZT 등의 압전 물질을 졸-겔(Sol-Gel)법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛, 바람직하게는 0．4㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing：RTA) 방법을 이용하여 변형층(45)을 상변이시킨다.
상부 전극(47)은 상기 변형층(45)의 일측 상부에 적층된다. 상부 전극(47)은 알루미늄, 또는 백금 등을 스퍼터링 방법을 이용하여 500∼1000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 상부 전극(47)은 공통 전극으로서 바이어스 전류 신호가 인가된다. 따라서, 상기 하부 전극(43)에 화상 전류 신호가 인가되고 상부 전극(47)에 바이어스 전류 신호가 인가되면, 상부 전극(47)과 하부 전극(43) 사이에 전기장이 발생한다. 이 전기장에 의하여 상기 변형층(45)이 변형을 일으키게 된다. 이어서, 상기 상부 전극(47), 변형층(45), 하부 전극(43), 그리고 멤브레인(41)을 순차적으로 일부만 패터닝(patterning)한다.
도 3c를 참조하면, 상기 변형층(45)의 타측으로부터 변형층(45), 하부 전극(43), 멤브레인(41), 식각 방지층(37), 그리고 보호층(35)을 차례로 식각하여 비어 홀(via hole)(51)을 형성한다. 따라서, 상기 비어 홀(51)은 상기 변형층(45)의 타측으로부터 상기 드레인(33)까지 수직하게 형성된다. 이어서, 텅스텐(W), 또는 티타늄(Ti) 등의 전기 전도성이 우수한 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 비어 컨택(53)을 형성한다. 비어 컨택(53)은 상기 드레인(33) 및 하부 전극(43)과 전기적으로 연결된다. 그러므로, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(31)에 내장된 트랜지스터로, 드레인(33) 및 비어 컨택(53)을 통하여 하부 전극(43)에 인가된다.
도 3d를 참조하면, 상술한 바와 같이 상기 상부 전극(47), 변형층(45), 하부 전극(43), 그리고 멤브레인(41)을 순차적으로 일부만 패터닝하여 박막형 AMA 소자를 완성한 후, 희생층(39)을 플루오르화 수소(HF) 증기를 이용하여 제거한다. 이 때, 멤브레인(41)은 각각의 액츄에이터별로 분리되지 않고 서로 연결된 상태로 있게 된다. 이어서, 남아 있는 식각 용액을 제거하기 위하여 헹굼 및 건조(rinse and dry) 처리를 수행한다.
도 3e를 참조하면, 상기 희생층(39)이 제거된 부분에 1차 포토 레지스트(photo resist)(40)를 스핀 코팅 방법으로 도포하여 상기 희생층(39)이 제거된 부분을 채우도록(fill-in) 한다. 1차 포토 레지스트(40)를 스핀 코팅 방법으로 도포할 경우 상기와 같이 희생층(39)이 제거된 부분을 빈 공간 없이 채울 수 있다.
도 3f를 참조하면, 상기와 같이 1차 포토 레지스트(40)를 채운 후, 멤브레인(41)을 각각의 액츄에이터별로 분리되도록 패터닝한다. 이어서, 그 상부에 2차 포토 레지스트(57)를 스핀 코팅 방법으로 도포한다. 상기 2차 포토 레지스트(57)는 상기 상부 전극(47)의 상부에 소정 두께로 적층된다.
도 3g를 참조하면, 상기 2차 포토 레지스트(57) 중 일부를 식각하여 상기 상부 전극(47)의 일측에 거울(59)이 형성될 지지부를 만든다. 계속하여, 상기 지지부가 형성된 2차 포토 레지스트(57)의 상부에 알루미늄, 또는 은 등을 스퍼터링한 후, 패터닝하여 거울(59)을 형성한다. 상기 거울(59)은 지지부가 상기 상부 전극(47)의 일측 상부에 접하는 평판의 형상이며, 양측이 제2 에어 갭(61)을 개재하여 상기 상부 전극(47)과 평행하게 형성된다. 상기 거울(59)은 일측이 상기 상부 전극(47)을 덮고, 타측이 인접한 액츄에이터를 덮도록 형성된다. 이어서, 산소 플라즈마(O2plasma) 방법으로 상기 1차 포토 레지스트(40) 및 2차 포토 레지스트(57)를 제거한 후, 상기 상부 전극(47), 변형층(45), 하부 전극(43), 그리고 멤브레인(41)을 순차적으로 완전히 패터닝하여 소정의 픽셀(pixel) 형상을 갖도록 한다. 상기 1차 포토 레지스트(40)가 제거되면 제1 에어 갭(55)이 형성되고, 2차 포토 레지스트(57)가 제거되면 제2 에어 갭(61)이 형성된다. 상기 결과물을 세정 및 건조하여 AMA 소자를 완성한다.
상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(31)에 내장된 트랜지스터, 드레인(33) 및 비어 컨택(53)을 통해 신호 전극인 상기 하부 전극(43)에 인가된다. 동시에, 공통 전극인 상기 상부 전극(47)에는 바이어스 전류 신호가 인가되어 상기 상부 전극(47)과 하부 전극(43) 사이에 전기장이 발생하게 된다. 이 전기장에 의하여 상부 전극(47)과 하부 전극(43) 사이의 변형층(45)이 변형을 일으킨다. 상기 변형층(45)은 전기장과 수직한 방향으로 수축하게 되며, 이에 따라 상기 액츄에이터(49)가 멤브레인(41)이 형성되어 있는 방향의 반대 방향으로 휘게 된다. 액츄에이터(49)의 상부 전극(47) 상에 장착된 거울(59)은 휘어진 상부 전극(47)에 의해 경사지게 되어 광원으로부터 입사되는 광속을 반사한다. 상기 거울(59)에 의하여 반사된 광속은 슬릿을 통하여 스크린에 투영됨으로써 화상을 맺게 한다.
그러나, 상기 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 상부 전극의 일부만을 구동하여 광속을 반사시킴으로서 그 구동 각도가 작고 광효율이 떨어지는 단점이 있었다. 또한, 변형부에 의한 액츄에이터의 변위가 작기 때문에 상부 전극의 상부에 형성된 거울의 구동 각도가 작아서 콘트라스트(contrast)가 저하되는 문제점이 있었다. 더욱이, 다층막으로 구성된 액츄에이터 내에 잔류하는 응력(stress) 때문에 상부 전극과 하부 전극 사이에 전기장이 발생하지 않은 상태에서 액츄에이터가 초기 기울어짐(initial tilting)을 가지게 됨으로써, 액츄에이터 상부의 거울이 기울어지게 되어 광원으로부터 입사되는 광속의 광효율을 저하시키는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 좁은 면적 내에서 액츄에이터의 변위를 크게 하여 거울의 구동 각도를 증가시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치를 제공함에 있다. 또한, 액츄에이터의 초기 기울어짐이 존재하더라도 항상 거울의 수평을 유지하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치를 제공함에 있다.
도 1은 본 출원인의 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 장치를 A­A′선으로 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시한 장치의 제조 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 장치를 B­B′선으로 자른 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시한 장치를 C­C′선으로 자른 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시한 장치를 D­D′선으로 자른 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 5에 도시한 장치의 제조 공정도이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 6에 도시한 장치의 제조 공정도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100：액티브 매트릭스 105a, 105b：패드
110 : 보호층 115：식각 방지층
120：희생층 125：에어 갭
130：하부 멤브레인 135：제1 하부 전극
140：제1 변형층 145 : 제1 플러그
150：제2 플러그 155：제1 상부 전극
160：제1 액츄에이팅부 165：제2 액츄에이팅부
170：제2 하부 전극 175：제2 변형층
180：제2 상부 전극 185：상부 멤브레인
190：제1 지지부 195：제2 지지부
200 : 거울
상기의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은,
M×N(M, N은 정수)개의 트랜지스터가 내장되고, 양측 상부에 패드가 형성된 액티브 매트릭스;
ⅰ) 상기 액티브 매트릭스의 일측 상부에 일측이 접촉되며 타측이 제1 에어 갭을 개재하여 상기 액티브 매트릭스와 평행하도록 형성된 제1 하부 전극, 상기 제1 하부 전극의 상부에 형성된 제1 변형층, 상기 제1 변형층의 상부에 형성된 제1 상부 전극, 그리고 상기 제1 상부 전극의 상단에 형성된 제1 지지부를 갖는 제1 액츄에이팅부; 그리고
ⅱ) 상기 액티브 매트릭스의 타측 상부에 상기 액티브 매트릭스와 평행하도록 형성된 제2 하부 전극, 상기 제2 하부 전극의 상부에 형성된 제2 변형층, 상기 제2 변형층의 상부에 형성된 제2 상부 전극, 그리고 상기 제2 상부 전극의 상단에 형성된 제2 지지부를 갖는 제2 액츄에이팅부를 포함하는 박막형 광로 조절 장치를 제공한다.
상기 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스에 내장된 트랜지스터, 패드, 및 플러그를 통하여 제1 하부 전극에 인가되며, 제1 상부 전극에는 바이어스 전류 신호가 인가된다. 따라서 제1 상부 전극과 제1 하부 전극 사이에 전기장이 발생한다. 이 전기장에 의하여 제1 상부 전극과 제1 하부 전극 사이의 제1 변형층이 변형을 일으킨다. 제1 변형층은 발생한 전기장에 대하여 수직한 방향으로 수축하며, 이에 따라 제1 액츄에이팅부가 θ 크기의 구동 각도를 가지고 액츄에이팅한다. 제1 액츄에이팅부는 하부 멤브레인이 형성되어 있는 방향의 반대 방향으로 휘어진다. 동시에, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호가 액티브 매트릭스 내의 MOS 트랜지스터, 패드, 및 플러그를 통하여 제2 하부 전극에 인가되고 제2 상부 전극에는 바이어스 전류 신호가 인가될 때, 제2 액츄에이팅부의 제2 변형층도 발생한 전기장에 대하여 수직한 방향으로 수축을 일으킨다. 이에 따라 제2 액츄에이팅부도 θ 크기의 구동 각도를 가지고 액츄에이팅한다. 제2 액츄에이팅부는 상부 멤브레인이 형성되어 있는 방향의 반대쪽으로 휘어진다. 제1 액츄에이팅부와 제2 액츄에이팅부는 구동 각도의 크기는 같고 구동 방향은 서로 반대가 된다. 따라서, 제1 액츄에이팅부와 제2 액츄에이팅부의 구동 각도의 합은 2θ가 된다. 광원으로부터 입사된 광속을 반사하는 거울은 제1 액츄에이팅부의 아래쪽으로부터 거울상의‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 형성된 제1 지지부 및 상기 제2 액츄에이팅부의 위쪽으로부터‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 형성된 제2 지지부의 상부에 형성되어 있으므로 2θ 크기의 구동 각도를 가지고 구동하게 된다.
그러므로, 상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는, 종래의 박막형 광로 조절 장치에 비해 2배의 구동 각도로 거울을 구동시킬 수 있다. 그러므로 광원으로부터 입사되는 광속의 광효율을 높일 수 있으며, 콘트라스트를 향상시켜 밝고 선명한 화상을 맺을 수 있다. 또한 시스템의 설계에 있어서도 광원과 스크린과의 간격을 넓게 하여 시스템의 설계를 용이하게 할 수 있다. 또한, 제1 액츄에이팅부 및 제2 액츄에이팅부는 대칭 구조를 이루고 있으므로, 각각의 액츄에이팅부에 초기 기울어짐이 있더라도 이들의 상부에 형성된 거울은 항상 수평을 유지하게 되므로 액츄에이터의 광효율을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 광로 조절 장치를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도를 도시한 것이며, 도 5는 도 4에 도시한 장치를 B­B′선으로 자른 단면도를 도시한 것이며, 도 6은 도 4에 도시한 장치를 C­C′선으로 자른 단면도를 도시한 것이며, 도 7은 도 4에 도시한 장치를 D­D′선으로 자른 단면도를 도시한 것이다. 도 5 내지 도 7에 있어서, 도 4와 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는 액티브 매트릭스(100)와 액티브 매트릭스(100)의 양측 상부에 형성된 제1 액츄에이팅부(160) 및 제2 액츄에이팅부(165)를 포함한다. 상기 제1 액츄에이팅부(160)와 상기 제2 액츄에이팅부(165)는 함께 동일 평면상에서 중앙부가 끊어진 거울상의 'ㄹ' 자의 형상을 갖도록 형성된다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 액티브 매트릭스(100)는 액티브 매트릭스(100)의 일측 상부에 형성된 패드(105a), 상기 액티브 매트릭스(100) 및 패드(105a)의 상부에 적층된 보호층(110), 상기 보호층(110)의 상부에 적층된 식각 방지층(etch stop layer)(115), 그리고 상기 식각 방지층(115)으로부터 상기 패드(105a)까지 수직하게 형성된 제1 플러그(145)를 포함한다.
상기 제1 액츄에이팅부(160)는 일측이 상기 식각 방지층(115) 중 제1 플러그(145)가 형성된 부분에 접촉되며 타측이 에어 갭(125)을 개재하여 상기 식각 방지층(115)과 평행하도록 적층된 제1 하부 전극(135), 상기 제1 하부 전극(135)의 하단에 형성된 하부 멤브레인(130), 상기 제1 하부 전극(135)의 상부에 적층된 제1 변형층(140), 그리고 상기 제1 변형층(140)의 상부에 적층된 제1 상부 전극(155)을 포함한다. 상기 제1 상부 전극(155)의 상부에는 거울(200)이 형성되어 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 제2 액츄에이팅부(165)는 일측이 상기 식각 방지층(115) 중 제2 플러그(150)가 형성된 부분에 접촉되며 타측이 에어 갭(125)을 개재하여 상기 식각 방지층(115)과 평행하도록 적층된 제2 하부 전극(170), 제2 하부 전극(170)의 상부에 적층된 제2 변형층(175), 제2 변형층(175)의 상부에 적층된 제2 상부 전극(180), 그리고 제2 상부 전극(180)의 상부에 적층된 상부 멤브레인(185)을 포함한다. 상기 제2 상부 전극(180)의 상부에는 거울(200)이 형성되어 있다.
또한, 도 4 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 아래쪽으로부터 거울상의‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분과, 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 위쪽으로부터‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상부에 각각 거울(200)의 제 1 지지부(190)와 제2 지지부(195)가 형성된다. 상기 제1 지지부(190) 및 제2 지지부(195)의 상부에 거울(200)이 형성된다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8a 내지 도 8c는 도 5에 도시한 장치의 제조 공정도를 도시한 것이며, 도 9a 내지 도 9c는 도 6에 도시한 장치의 제조 공정도를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 9a를 참조하면, M×N(M, N은 정수)개의 트랜지스터(도시되지 않음)가 내장되고, 양측 상부에 패드(105a)(105b)가 형성된 액티브 매트릭스(100)의 상부에 인 실리케이트 유리(Phosphor-Silicate Glass：PSG)로 구성된 보호층(110)을 적층한다. 상기 보호층(110)은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition：CVD) 방법을 이용하여 1．0∼2．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 보호층(110)은 후속 되는 공정으로 인하여 상기 액티브 매트릭스(100)가 손상을 입게 되는 것을 방지한다.
상기 보호층(110)의 상부에는 질화물로 구성된 식각 방지층(115)이 적층된다. 식각 방지층(115)은 저압 화학 기상 증착(Low Pressure CVD：LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 식각 방지층(115)은 후속하는 식각 공정 동안 상기 보호층(110) 및 액티브 매트릭스(100) 등이 식각되어 손상을 입는 것을 방지한다. 상기 식각 방지층(115) 중 아래에 패드(105a)(105b)가 형성되어 있는 부분을 패터닝한 후, 제1 플러그(145) 및 제2 플러그(150)를 형성한다. 상기 제1 액츄에이팅부(160) 하부의 제1 플러그(145) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165) 하부의 제2 플러그(150)는 텅스텐, 또는 백금 등을 리프트­오프 방법을 이용하여 상기 식각 방지층(115)으로부터 상기 패드(105a)(105b)까지 수직하게 형성된다. 따라서 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(100)에 내장된 트랜지스터, 패드(105a)(105b), 제 1플러그(145) 및 제2 플러그(150)를 통하여 제1 하부 전극(135) 및 제2 하부 전극(170)에 전달된다.
상기 식각 방지층(115), 제1 플러그(145) 및 제2 플러그(150)의 상부에는 희생층(120)이 적층된다. 희생층(120)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학 기상 증착(Atmospheric Pressure CVD：APCVD) 방법을 이용하여 1．0∼2．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이 경우, 희생층(120)은 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(100)의 상부를 덮고 있으므로 그 표면의 평탄도가 매우 불량하다. 따라서, 희생층(120)의 표면을 스핀 온 글래스(Spin On Glass：SOG)를 사용하는 방법, 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법을 이용하여 평탄화시킨다. 이어서, 희생층(120)의 일부를 식각하여 상기 식각 방지층(115) 중 아래에 제1 플러그(145) 및 제2 플러그(150)가 형성된 부분을 노출시킨다.
도 8b 및 9b를 참조하면, 상기 희생층(120) 중 제1 플러그(145)가 형성되어 있는 부분에 인접한 상부에 질화물을 사용하여 하부 멤브레인(130)을 적층한다. 즉, 하부 멤브레인(130)은 상기 식각 방지층(115) 중 제1 플러그(145)와 함께 노출된 부분을 제외한 희생층(120)의 상부에 질화물을 저압 화학 기상 증착(Low Pressure CVD：LPCVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 하부 멤브레인(130)을 패터닝한다. 이때, 상기 하부 멤브레인(130)은 제1 액츄에이팅부(160)의 일측에만 직사각형의 형상으로 형성되도록 패터닝한다.
이어서, 일측이 상기 제1 액츄에이팅부(160) 및 제2 액츄에이팅부(165)의 식각 방지층(115)의 노출된 부분에 접촉되고, 타측이 상기 하부 멤브레인(130)의 상부 및 상기 희생층(120)의 상부에 위치하도록 하부 전극층을 적층한다. 하부 전극층은 백금, 또는 티타늄 등을 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 500∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 상기 하부 전극층을 중앙부가 끊긴 거울상의 'ㄹ' 자 형상을 갖도록 패터닝하여 제1 하부 전극(135) 및 제2 하부 전극(170)을 형성한다. 따라서, 상기 제1 하부 전극(135), 제1 플러그(145) 및 패드(105a)는 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제2 하부 전극(170), 제2 플러그(150) 및 패드(105b)도 서로 전기적으로 연결된다.
도 8c 및 9c를 참조하면, 상기 제1 하부 전극(135) 및 제2 하부 전극(170)의 상부에는 변형층을 형성한다. 상기 변형층은 산화 아연(ZnO), 또는 PZT 등의 압전 물질을 사용하여 0．1∼1．0㎛, 바람직하게는 0．4㎛ 정도의 두께를 가지도록 적층한다. 이어서, 상기 변형층을 졸-겔(sol-gel)법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 형성한 후, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing：RTA) 방법을 이용하여 열처리하여 상변이시킨다. 이어서, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 적층된 변형층을 패터닝하여 제1 변형층(140) 및 제2 변형층(175)을 형성한다. 제1 변형층(140) 및 제2 변형층(175)은 각기 제1 하부 전극(135) 및 제2 하부 전극(170)이 이루고 있는 중앙부가 끊긴 거울상의 'ㄹ' 자 형상을 따라 동일한 형상으로 제1 하부 전극(135) 및 제2 하부 전극(170)의 상부에 형성된다. 그리고, 상기 제1 변형층(140) 및 제2 변형층(175)의 상부에 상부 전극층을 형성한다. 상기 상부 전극층은 알루미늄, 또는 은 등의 전기 전도성이 우수한 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 500∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 계속하여, 도 8c 및 9c에 도시한 바와 같이, 상기 적층된 금속을 패터닝하여 제1 변형층(140) 및 제2 변형층(175)이 이루고 있는 형상과 동일하게 제1 상부 전극(155) 및 제2 상부 전극(180)을 형성한다.
상기 제2 상부 전극(180) 중 아래에 제2 플러그(150)가 형성되어 있지 않은 일측 상부에 질화물을 사용하여 상부 멤브레인(185)을 적층한다. 상부 멤브레인(185)은 상기 제2 상부 전극(180)의 일측 상부에 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 하부 멤브레인(130)과 동일한 재료인 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한 후, 패터닝하여 제2 액츄에이팅부(165)의 상부에 직사각형의 형상으로 형성되도록 한다..
이어서, 도 4 및 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 아래쪽으로부터 거울상의‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 제1 지지부(190)가 형성되고, 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 위쪽으로부터‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 제2 지지부(195)가 형성된다. 상기 제1 지지부(190) 및 제2 지지부(195)는 알루미늄, 또는 백금 등의 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성된다. 그리고, 상기 제1 지지부(190) 및 제2 지지부(195)의 상부에 거울(200)이 형성된다. 상기 거울(200)은 알루미늄, 또는 백금 등의 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 500∼1000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 거울(200)은 에어 갭(125)을 개재하여 상기 제1 상부 전극(155) 및 상기 상부 멤브레인(185)과 평행하게 형성된다. 계속해서, 상기 희생층(120)을 플루오르화 수소(HF) 증기로 식각하여 에어 갭(125)을 형성함으로서 제1 액츄에이팅부(160) 및 제2 액츄에이팅부(165)를 완성한다.
상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(100)에 내장된 트랜지스터, 패드(105a), 및 제1 플러그를 통하여 제1 하부 전극(135)에 인가되며, 제1 상부 전극(155)에는 바이어스 전류 신호가 인가된다. 따라서 제1 상부 전극(155)과 제1 하부 전극(135) 사이에 전기장이 발생한다. 이 전기장에 의하여 제1 상부 전극(155)과 제1 하부 전극(135) 사이의 제1 변형층(140)이 변형을 일으킨다. 제1 변형층(140)은 발생한 전기장에 대하여 수직한 방향으로 수축하며, 이에 따라 제1 액츄에이팅부(160)가 θ 크기의 구동 각도를 가지고 액츄에이팅한다. 제1 액츄에이팅부(160)는 하부 멤브레인(130)이 형성되어 있는 방향의 반대 방향, 즉 상방(upward)으로 휘어진다. 동시에, 외부로부터 인가된 화상 전류 신호는 액티브 매트릭스(100) 내의 MOS 트랜지스터, 패드(105b) 및 제2 플러그(150)를 통하여 상기 제2 하부 전극(170)에 인가되고 제2 상부 전극(180)에는 바이어스 전류 신호가 인가될 때, 제2 액츄에이팅부(165)의 제2 변형층(175)도 발생되는 전기장에 대하여 수직한 방향으로 수축을 일으킨다. 이에 따라 제2 액츄에이팅부(165)도 θ 크기의 구동 각도를 가지고 액츄에이팅한다. 제2 액츄에이팅부(165)는 상부 멤브레인(185)이 형성되어 있는 방향의 반대쪽, 즉 하방(downward)으로 액츄에이팅한다. 제1 액츄에이팅부(160)와 제2 액츄에이팅부(165)는 구동 각도의 크기는 같고 구동 방향은 서로 반대가 된다. 따라서, 제1 액츄에이팅부(160)와 제2 액츄에이팅부(165)의 구동 각도의 합은 2θ가 된다. 광원으로부터 입사된 광속을 반사하는 거울(200)은 제1 액츄에이팅부(160)의 아래쪽으로부터 거울상의‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 형성된 제1 지지부(190) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 위쪽으로부터‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 형성된 제2 지지부(195)의 상부에 형성되어 있으므로 2θ 크기의 구동 각도를 가지고 구동하게 된다.
종래에는 상부 전극의 일부만을 구동하여 광속을 반사시킴으로서 그 구동 각도가 작아지고 광효율이 떨어지게 되며, 변형층에 의한 액츄에이터의 변위가 작기 때문에 상부 전극의 상부에 형성된 거울의 구동 각도가 작아서 콘트라스트가 저하될 수 있었다. 또한, 다층막으로 구성된 액츄에이터 내에 잔류하는 응력 때문에 상부 전극과 하부 전극 사이에 전기장이 발생하지 않은 상태에서 액츄에이터의 초기 기울어짐이 존재하게 됨으로서 액츄에이터 상부의 거울이 기울어지게 되어 광원으로부터 입사되는 광속의 광효율을 저하시키는 문제점이 있었다. 상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는, 종래의 박막형 광로 조절 장치에 비해 2배의 구동 각도로 거울을 구동시킬 수 있다. 그러므로 광원으로부터 입사되는 광속의 광효율을 높일 수 있으며, 콘트라스트를 향상시켜 밝고 선명한 화상을 맺을 수 있다. 또한, 시스템의 설계에 있어서도 광원과 스크린과의 간격을 넓게 하여 시스템의 설계를 용이하게 할 수 있다. 또한, 제1 액츄에이팅부 및 제2 액츄에이팅부는 대칭 구조를 이루고 있으므로, 각각의 액츄에이팅부에 초기 기울어짐이 있더라도 이들의 상부에 형성된 거울은 항상 수평을 유지하게 되므로 액츄에이터의 광효율을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 의하여 상세하게 설명 및 도시하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적인 범위 내에서 이를 변형하는 것이나 개량하는 것이 가능하다.

Claims (7)

  1. M×N(M, N은 정수)개의 트랜지스터가 내장되고, 양측 상부에 패드(105a)(105b)가 형성된 액티브 매트릭스(100);
    ⅰ) 상기 액티브 매트릭스(100)의 일측 상부에 일측이 접촉되며 타측이 에어 갭(125)을 개재하여 상기 액티브 매트릭스(100)와 평행하도록 형성된 제1 하부 전극(135), 상기 제1 하부 전극(135)의 상부에 형성된 제1 변형층(140), 상기 제1 변형층(140)의 상부에 형성된 제1 상부 전극(155), 그리고 상기 제1 상부 전극(155)의 상단에 형성된 제1 지지부(190)를 포함하는 제1 액츄에이팅부(160); 그리고
    ⅱ) 상기 액티브 매트릭스(100)의 타측 상부에 상기 액티브 매트릭스(100)와 평행하도록 형성된 제2 하부 전극(170), 상기 제2 하부 전극(170)의 상부에 형성된 제2 변형층(175), 상기 제2 변형층(175)의 상부에 형성된 제2 상부 전극(180), 그리고 상기 제2 상부 전극(180)의 상단에 형성된 제2 지지부(195)를 갖는 제2 액츄에이팅부(165)를 포함하는 박막형 광로 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액티브 매트릭스(100)는 상기 액티브 매트릭스와 상기 패드(105a)(105b)의 상부에 형성된 보호층(100), 상기 보호층의 상부에 형성된 식각 방지층(115), 그리고 상기 보호층(100) 및 상기 식각 방지층(115)의 일부를 식각하여 상기 식각 방지층(115)으로부터 상기 패드(105a)(105b)까지 수직하게 형성된 제1 플러그(145) 및 제2 플러그(150)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 액츄에이팅부(160) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165)는 서로 반대 방향으로 구동하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 제1 하부 전극(135)은, 상기 제1 하부 전극(135)의 하단에 형성된 하부 멤브레인(130)을 더 포함하며, 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 제2 상부 전극(180)은 상기 제2 상부 전극(180)의 상부에 형성된 상부 멤브레인(185)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 액츄에이팅부(160)는 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 아래쪽으로부터 거울상의 'ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 제1 지지부(190)가 형성되고, 상기 제2 액츄에이팅부(165)는 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 위쪽으로부터‘ㄷ’자 형상으로 구부러져 연장된 부분의 상단에 제2 지지부(195)가 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 액츄에이팅부(160) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165)는 동일 평면상에서 중앙부가 끊긴 거울상의 'ㄹ’자 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 액츄에이팅부(160) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165)는 상기 제1 액츄에이팅부(160)의 제1 지지부(190) 및 상기 제2 액츄에이팅부(165)의 제2 지지부(195)에 접하는 평판 형상의 거울(200)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
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