KR100256871B1 - 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

거울을 평탄하게 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 장치는, 액티브 매트릭스의 상부에 지지층, 하부 전극, 변형층, 그리고 상부 전극을 포함하는 액츄에이터가 형성된다. 거울은 상부 전극에 하부가 접촉되며 양측이 수평하게 형성되고 그 하부에는 거울의 변형을 방지할 수 있는 보강 부재가 형성된다. 거울의 주변 하부에 거울을 형성하는 동안 인가되는 압력이나 장력 등으로 인하여 발생하는 잔류 응력 등과 같은 변형 응력을 견딜 수 있도록 기계적으로 안정한 여러 가지 구조 중에서 임의적으로 선택할 수 있는 형상을 갖는 보강 부재를 형성함으로써 비록 거울을 증착시켜 형성하는 동안 변형 응력이 발생하더라도 상기 보강 부재가 거울이 상방 또는 하방으로 휘어지는 것을 방지하기 때문에 거울의 수평도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 거울의 반사각을 균일하게 유지할 수 있으며, 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법

본 발명은 AMA(Actuated Mirror Array)를 이용한 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 거울에 보강 구조를 형성함으로써 액츄에이터의 상부에 형성된 거울을 휘어짐이나 처짐이 없이 평탄하게 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광학 에너지(optical energy)를 스크린 상에 투영하기 위한 광로 조절 장치 또는 공간적 광 변조기(spatial light modulator)는 광통신, 화상 처리, 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 상기 광로 조절 장치 또는 공간적 광 변조기를 이용한 화상 처리 장치는 통상적으로 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상 표시 장치(direct-view image display device)와 투사형 화상 표시 장치(projection-type image display device)로 구분된다.

직시형 화상 표시 장치의 예로서는 CRT(Cathode Ray Tube)를 들 수 있는데, 이러한 CRT 장치는 소위 브라운관으로 불리는 것으로서 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 그 중량과 용적이 증가하여 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있다. 투사형 화상 표시 장치로는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display : LCD), DMD(Deformable Mirror Device) 및 AMA를 들 수 있다. 이러한 투사형 화상 표시 장치는 다시 그들의 광학적 특성에 따라 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 즉, LCD와 같은 장치는 전송 광 변조기(transmissive spatial light modulators)로 분류될 수 있는데 반하여, DMD와 AMA는 반사 광 변조기(reflective spatial light modulators)로 분류될 수 있다.

LCD와 같은 전송 광 변조기는 광학적 구조가 매우 간단하므로, 얇게 형성하여 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 빛의 극성으로 인하여 광효율이 낮으며, 액정 재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를 들면 응답 속도가 느리고 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 현존하는 전송 광 변조기의 최대 광효율은 1 내지 2% 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다. 따라서, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 DMD 및 AMA와 같은 광 변조기가 개발되었다.

DMD는 5％ 정도의 비교적 양호한 광효율을 나타내지만, DMD에 채용된 힌지 구조물에 의해서 심각한 피로 문제가 발생할 뿐만 아니라, 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구된다는 단점이 있다. AMA는 그 내부에 설치된 각각의 거울들이 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하고, 상기 반사된 빛이 슬릿(slit)이나 핀홀(pinhole)과 같은 개구(aperture)를 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺도록 광속을 조절할 수 있는 장치이다. 따라서, 그 구조와 동작 원리가 간단하며, LCD나 DMD에 비해 높은 광효율(10% 이상의 광효율)을 얻을 수 있다. 또한, 스크린에 투영되는 화상의 콘트라스트가 향상되어 밝고 선명한 화상을 얻을 수 있다.

AMA의 각 액츄에이터는 인가되는 전기적인 화상 신호 및 바이어스 신호에 의하여 발생되는 전기장에 따라 변형을 일으킨다. 상기 액츄에이터가 변형을 일으킬 때 그 상부에 장착된 각각의 거울들이 경사지게 된다. 따라서, 상기 경사진 거울들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시켜 스크린 상에 화상을 맺을 수 있도록 한다. 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 수도 있다.

이러한 AMA 장치는 크게 벌크형(bulk type)과 박막형(thin film type)으로 구분된다. 상기 벌크형 광로 조절 장치는 Gregory Um 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,085,497호에 개시되어 있다. 벌크형 광로 조절 장치는 다층 세라믹을 얇게 절단하여 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼를 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(active matrix)에 장착한 후, 쏘잉 방법을 이용하여 가공하고 그 상부에 거울을 설치함으로써 이루어진다. 그러나, 벌크형 광로 조절 장치는 설계 및 제조에 있어서 매우 높은 정밀도가 요구되며, 변형층의 응답이 느리다는 단점이 있다.

이에 따라, 반도체 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형 광로 조절 장치가 개발되었다. 상기 박막형 광로 조절 장치는 본 출원인이 1996년 12월 11일 대한민국 특허청에 특허 출원한 특허 출원 제96-64440호(발명의 명칭: 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법)에 개시되어 있다.

도 1은 상기 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 상기 박막형 광로 조절 장치는 액티브 매트릭스(1), 액츄에이터(25), 및 거울(29)을 포함한다. 내부에 M×N(M, N은 정수)개의 MOS 트랜지스터가 내장되고 드레인 패드(7)가 형성된 상기 액티브 매트릭스(1)는, 상기 액티브 매트릭스(1) 및 드레인 패드(7)의 상부에 적층된 보호층(3)과 보호층(3)의 상부에 적층된 식각 방지층(5)을 포함한다.

상기 액츄에이터(25)는, 상기 식각 방지층(5) 중 아래에 드레인 패드(7)가 형성된 부분에 일측이 접촉되며 타측이 에어 갭(11)을 개재하여 수평하게 형성된 멤브레인(13), 멤브레인(13)의 상부에 적층된 하부 전극(15), 하부 전극(15)의 상부에 적층된 변형층(17), 변형층(17)의 상부에 적층된 상부 전극(19), 그리고 변형층(140)의 일측으로부터 변형층(17), 하부 전극(15), 멤브레인(13), 식각 방지층(5) 및 보호층(3)을 통하여 상기 드레인 패드(7)까지 수직하게 형성된 비어 홀(21) 내에 상기 하부 전극(15)과 드레인 패드(7)가 서로 전기적으로 연결되도록 형성된 비어 컨택(23)을 포함한다.

상기 거울(29)은 일측이 직각으로 구부러져 상기 상부 전극(19)에 접촉되며 타측이 수평하게 형성된다. 바람직하게는, 상기 거울(29)은‘ㄱ’자의 형상을 갖는다.

이하 상술한 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 설명한다. 도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시한 장치의 제조 공정도이다.

도 2a를 참조하면, M×N 개의 MOS 트랜지스터(도시되지 않음)가 내장되고 드레인 패드(7)가 형성된 액티브 매트릭스(1)의 상부에 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 보호층(3)을 적층한다. 보호층(3)은 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 보호층(3)은 후속하는 공정 동안 상기 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(1)를 보호한다.

상기 보호층(3)의 상부에는 질화물로 구성된 식각 방지층(5)이 적층된다. 식각 방지층(5)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 식각 방지층(5)은 후속하는 식각 공정 동안 보호층(3) 및 액티브 매트릭스(1) 등이 식각되는 것을 방지한다. 상기 식각 방지층(5)의 상부에는 제1 희생층(9)이 적층된다. 제1 희생층(9)은 인(P)의 농도가 높은 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학 기상 증착(APCVD) 방법을 이용하여 1．0∼3．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이 경우, 제1 희생층(9)은 상기 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(1)의 상부를 덮고 있으므로 그 표면의 평탄도가 매우 불량하다. 따라서, 제1 희생층(9)의 표면을 스핀 온 글래스(SOG)를 사용하는 방법 또는 화학 기계적 연마(CMP) 방법을 이용하여 평탄화시킨다. 이어서, 제1 희생층(9) 중 아래에 드레인 패드(7)가 형성되어 있는 부분을 식각하여 상기 식각 방지층(5)의 일부를 노출시킴으로써 액츄에이터(25)의 지지부가 형성될 위치를 만든다.

도 2b를 참조하면, 멤브레인(13)은 상기 노출된 식각 방지층(5)의 상부 및 제1 희생층(9)의 상부에 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께로 적층된다. 상기 멤브레인(13)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 형성된다. 이 때, 저압의 반응 용기 내에서 반응 가스의 비(ratio)를 변화시키면서 상기 멤브레인(13)을 형성하여 멤브레인(13) 내의 응력(stress)을 조절한다.

상기 멤브레인(13)의 상부에는 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등의 금속으로 구성된 하부 전극(15)이 적층된다. 하부 전극(15)은 스퍼터링 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 하부 전극(15)에는, 외부로부터 액티브 매트릭스(1)에 내장된 트랜지스터를 통하여 제1 신호(화상 신호)가 인가된다.

상기 하부 전극(15)의 상부에는 PZT 또는 PLZT 등의 압전 물질로 구성된 변형층(17)이 적층된다. 변형층(17)은 졸-겔법을 이용하여 0．1∼1．0㎛, 바람직하게는 0．4㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한 후, 급속 열처리(RTA) 방법으로 열처리하여 상변이시킨다. 변형층(17)은 상부 전극(19)에 제2 신호(바이어스 신호)가 인가되고 하부 전극(15)에 제1 신호가 인가되어 상부 전극(19)과 하부 전극(15) 사이의 전위차에 따라 발생하는 전기장에 의하여 변형을 일으킨다.

상부 전극(19)은 변형층(17)의 상부에 적층된다. 상부 전극(19)은 알루미늄 또는 백금 등의 전기 전도성이 우수한 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상부 전극(19)에는 외부로부터 공통 전극선(도시되지 않음)을 통하여 제2 신호가 인가된다.

도 2c를 참조하면, 상기 상부 전극(19), 변형층(17), 그리고 하부 전극(15)을 각기 소정의 화소 형상을 갖도록 패터닝한 후, 변형층(17)의 일측으로부터 드레인 패드(7)까지 변형층(17), 하부 전극(15), 멤브레인(13), 식각 방지층(5), 및 보호층(3)을 순차적으로 식각하여 상기 변형층(17)으로부터 드레인 패드(7)까지 수직하게 비어 홀(21)을 형성한다. 이어서, 상기 비어 홀(21) 내에 텅스텐, 백금, 또는 티타늄 등의 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 상기 드레인 패드(7)와 하부 전극(15)이 전기적으로 연결되도록 비어 컨택(23)을 형성한다. 따라서, 비어 컨택(23)은 상기 비어 홀(21) 내에서 상기 하부 전극(15)으로부터 드레인 패드(7)까지 수직하게 형성된다. 그러므로, 제1 신호는 외부로부터 액티브 매트릭스(1)에 내장된 트랜지스터, 드레인 패드(7) 및 비어 컨택(23)을 통하여 하부 전극(15)에 인가된다. 이어서, 백금-탄탈륨(Pt-Ta)을 스퍼터링 방법을 이용하여 액티브 매트릭스(1)의 하단에 증착시켜 오믹 컨택(도시되지 않음)을 형성한다. 계속하여, 제1 희생층(9)을 플루오르화 수소(HF) 증기로 식각하여 제1 희생층(9)의 위치에 에어 갭(11)을 형성함으로서 액츄에이터(25)를 완성한다.

도 2d를 참조하면, 전술한 바와 같이 에어 갭(11)을 형성한 후, 상기 결과물 전면에 제2 희생층(27)을 형성한다. 제2 희생층(27)은 유동성이 좋은 폴리머 등으로 구성된 포토레지스트를 스핀 코팅 방법을 이용하여 형성하며, 상기 에어 갭(11)을 완전히 채우면서 액츄에이터(25)를 완전히 덮도록 형성된다. 이어서, 상기 제2 희생층(27)을 패터닝함으로서 상기 상부 전극(19)의 일측에 거울(29)이 형성될 지지부를 만든다. 따라서, 상부 전극(19)의 일측이 노출된다. 계속하여, 지지부가 형성된 제2 희생층(27) 및 노출된 상부 전극(19)의 상부에 스퍼터링 방법을 이용하여 반사도가 좋은 알루미늄(Al)이나 은(Ag)을 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께로 증착시켜 거울(29)을 형성한다. 바람직하게는, 상기 거울(29)은‘ㄱ’자 형상을 가지며, 일측이 직각으로 구부러져 상기 상부 전극(19)에 접촉되며, 타측이 상부 전극(19)에 대하여 수평하게 형성된다. 그리고, 상기와 같이 거울(29)을 형성한 후, 제2 희생층(27)을 산소 플라즈마(O₂plasma)를 사용하여 제거하고 헹굼 및 건조 처리를 수행하여 도 1에 도시한 바와 같은 박막형 AMA 소자를 완성한다.

상술한 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 하부 전극(15)에 제1 신호가 인가되고 상부 전극(19)에 제2 신호가 인가되어, 상부 전극(19)과 하부 전극(15) 사이에 전위차에 따른 전기장이 발생하게 된다. 이러한 전기장에 의하여 상부 전극(19)과 하부 전극(15) 사이에 형성된 변형층(17)이 변형을 일으키게 되며, 변형층(17)은 상기 전기장에 직교하는 방향으로 수축하게 된다. 이에 따라, 변형층(17)을 포함하는 액츄에이터(25)가 소정의 각도로 휘어지고, 액츄에이터(25)의 상부 전극(19)의 상부에 장착된 거울(29)은 휘어진 상부 전극(19)에 의해 그 축이 움직여서 경사지게 되어 광원으로부터 입사되는 광을 반사한다. 상기 거울(29)에 의하여 반사된 광은 슬릿을 통하여 스크린에 투영됨으로서 화상을 맺게 된다.

그러나, 상술한 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 액츄에이터의 변형에 따라 광원으로부터 입사되는 광을 반사하는 거울이 평탄하게 형성되지 않기 때문에 광효율이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 박막인 거울을 형성하는 동안 거울이 박막 증착 과정 동안 발생하는 변형 응력으로 인하여 상방 또는 하방으로 휘어지게 되며, 이렇게 휘어진 거울은 그 표면의 수평도가 떨어지기 때문에 광원으로부터 입사되는 광의 반사각을 균일하게 유지하지 어려우며, 결국 광효율이 크게 저하된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 거울의 하부에 보강 부재를 형성함으로써 거울을 휘어짐이나 처짐이 없이 평탄하게 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 출원인의 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치 단면도이다.

도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시한 장치의 제조 공정도이다.

도 3은 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도이다.

도 4는 도 3에 도시한 장치를 A-A′선으로 자른 단면도이다.

도 5a 내지 도 5d는 도 4에 도시한 장치의 제조 공정도이다.

도 6a 내지 6d는 거울 및 보강 부재를 나타낸 평면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 액티브 매트릭스 155 : 제1 금속층

160 : 제1 보호층 165 : 제2 금속층

170 : 제2 보호층 175 : 식각 방지층

185 : 지지층 190 : 하부 전극

195 : 변형층 200 : 상부 전극

205 : 액츄에이터 210 : 비어 홀

215 : 비어 컨택 225 : 에어 갭

240 : 거울 250 : 보강 부재

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 액티브 매트릭스, 상기 액티브 매트릭스의 상부에 형성된 액츄에이터, 그리고 상기 액츄에이터의 상부에 형성된 거울을 포함하는 박막형 광로 조절 장치를 제공한다. M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장된 상기 액티브 매트릭스는 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 드레인 패드를 갖는 제1 금속층을 포함한다. 상기 액츄에이터는, 상기 액티브 매트릭스 중 상기 드레인 패드가 형성된 부분에 일측이 접촉되며 타측이 에어 갭을 개재하여 수평하게 형성된 지지층, 지지층의 상부에 형성된 하부 전극, 하부 전극의 상부에 형성된 변형층, 그리고 변형층의 상부에 형성된 상부 전극을 포함한다. 상기 거울은 상기 상부 전극에 하부가 접촉되며 양측이 수평하게 형성되며, 상기 거울의 하부에는 상기 거울의 변형을 방지할 수 있는 형상을 갖는 보강 부재가 형성된다.

또한, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스를 제공하는 단계; 상기 액티브 매트릭스의 상부에 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 드레인 패드를 포함하는 제1 금속층을 형성하는 단계; 상기 액티브 매트릭스의 상부에 제1 층, 하부 전극층, 제2 층 및 상부 전극층을 형성하고 패터닝하여 상부 전극, 변형층, 하부 전극 및 지지층을 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계; 그리고 상기 상부 전극의 상부에 희생층을 형성하고 상기 희생층을 패터닝한 후, 상기 패터닝된 희생층의 상부에 보강 부재와 거울을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공한다.

상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 전달된 제1 신호는 액티브 매트릭스에 내장된 트랜지스터, 제1 금속층의 드레인 패드 및 비어 컨택을 통해 하부 전극에 인가된다. 동시에, 상부 전극에는 외부로부터 제2 신호가 인가되어 상부 전극과 하부 전극 사이에 전위차에 따른 전기장이 발생하게 된다. 이러한 전기장에 의하여 상부 전극과 하부 전극 사이에 형성된 변형층이 변형을 일으킨다. 변형층은 상기 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 수축하게 되며, 이에 따라 상기 액츄에이터는 소정의 각도로 휘게 된다. 거울은 액츄에이터의 상부에 형성되어 있으므로 액츄에이터와 같은 각도를 가지고 틸팅된다. 그러므로, 상기 거울은 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하며, 반사된 빛은 슬릿을 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺게 된다.

그러므로 본 발명에 따르면, 거울의 주변 하부에 거울을 형성하는 동안 인가되는 압력이나 장력 등으로 인하여 발생하는 잔류 응력 등과 같은 변형 응력을 견딜 수 있도록 사각형의 고리 형상, 'X' 자의 형상, 우물 '정(井)' 자의 형상, 또는 마름모(◇)의 형상 등 기계적으로 안정한 여러 가지 구조 중에서 임의적으로 선택할 수 있는 형상을 갖는 보강 부재를 형성함으로써 비록 거울을 증착시켜 형성하는 동안 변형 응력이 발생하더라도 상기 보강 부재가 거울이 상방 또는 하방으로 휘어지는 것을 방지하기 때문에 거울의 수평도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라서, 거울의 반사각을 균일하게 유지할 수 있으며, 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도를 도시한 것이며, 도 4는 도 3의 장치를 A-A'선으로 자른 단면도를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는 액티브 매트릭스(100), 액티브 매트릭스(100)의 상부에 형성된 액츄에이터(205), 그리고 액츄에이터(205)의 상부에 형성된 거울(240)을 포함한다.

상기 액티브 매트릭스(100)는, 액티브 매트릭스(100)를 액티브 영역과 필드 영역으로 구분하기 위한 소자 분리막(120)과, 상기 액티브 영역에 게이트(115), 소오스(110) 및 드레인(105)을 갖고 형성된 M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터를 포함한다. 또한, 상기 액티브 매트릭스(100)는 상기 MOS 트랜지스터의 상부에 적층되고 상기 소오스(110) 및 드레인(105)에 각각 접속되도록 패터닝된 제1 금속층(155), 제1 금속층(155)의 상부에 적층된 제1 보호층(160), 제1 보호층(160)의 상부에 적층된 제2 금속층(165), 제2 금속층(165)의 상부에 적층된 제2 보호층(170), 그리고 제2 보호층(160)의 상부에 적층된 식각 방지층(175)을 포함한다. 상기 제1 금속층(155)은 상기 트랜지스터의 드레인(105)으로부터 연장되는 드레인 패드를 포함하며, 제2 금속층(165)은 티타늄(Ti)층 및 질화 티타늄(TiN)층으로 이루어진다.

상기 액츄에이터(205)는, 상기 식각 방지층(175) 중 아래에 제1 금속층(155)의 드레인 패드가 형성된 부분에 일측이 접촉되며 타측이 에어 갭(225)을 개재하여 수평하게 형성된 지지층(185), 지지층(185)의 상부에 적층된 하부 전극(190), 하부 전극(190)의 상부에 적층된 변형층(195), 변형층(195)의 상부에 적층된 상부 전극(200), 그리고 상기 변형층(195)의 일측으로부터 변형층(195), 하부 전극(190), 지지층(185), 식각 방지층(175), 제2 보호층(170) 및 제1 보호층(160)을 통하여 상기 제1 금속층(155)의 드레인 패드까지 수직하게 형성된 비어 홀(210)의 내부에 상기 하부 전극(190)과 제1 금속층(155)의 드레인 패드가 서로 연결되도록 형성된 비어 컨택(215)을 포함한다. 상기 지지층(185)은 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치 중 액츄에이터를 지지하는 멤브레인의 기능을 수행한다.

상기 거울(240)은 상부 전극(200)에 하부가 접촉되며 양측이 수평하게 형성된 'T'자의 형상을 갖는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 거울(240)의 하부에는 사각형 형상의 보강 부재(250)가 형성된다. 보강 부재(250)는 변형 응력으로 인하여 거울(240)이 휘어지는 것을 방지하여 거울(240)의 수평도를 향상시킨다.

이하, 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5a 내지 도 5e는 도 4에 도시한 장치의 제조 공정도이며, 도 6a 내지 도 6d는 거울 및 보강 부재를 도시한 평면도이다. 도 5a 내지 도 6d에 있어서, 도 4와 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.

도 5a를 참조하면, n형으로 도핑된 실리콘(Si) 웨이퍼로 이루어진 액티브 매트릭스(100)를 준비한 후, 통상의 소자 분리 공정, 예컨대 실리콘 부분 산화법(LOCOS)을 이용하여 상기 액티브 매트릭스(100)에 액티브 영역 및 필드 영역을 구분하기 위한 소자 분리막(120)을 형성한다. 이어서, 상기 액티브 영역의 상부에 불순물이 도핑된 폴리 실리콘과 같은 도전 물질로 이루어진 게이트(115)를 형성한 후, 이온 주입 공정으로 p⁺소오스(110) 및 드레인(105)을 형성함으로써, M×N(M, N은 정수) 개의 P-MOS 트랜지스터를 형성한다.

상기 P-MOS 트랜지스터가 형성된 결과물의 상부에 산화물로 이루어진 절연막(125)을 형성한 후, 사진 식각 공정으로 상기 소오스(110) 및 드레인(105)의 일측 상부를 각각 노출시키는 개구부들을 형성한다. 이어서, 상기 개구부들이 형성된 결과물의 상부에 티타늄, 질화 티타늄, 텅스텐 등과 같은 금속으로 이루어진 제1 금속층(155)을 증착한 후 제1 금속층(155)을 사진 식각 공정으로 패터닝한다. 상기와 같이 패터닝된 제1 금속층(155)은, 상기 P-MOS 트랜지스터의 드레인(105)으로부터 상기 액츄에이터(205)의 지지부(182)까지 연장되는 드레인 패드를 포함한다.

상기 P-MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(100)를 보호하기 위하여 제1 금속층(155)의 상부에 제1 보호층(160)을 형성한다. 제1 보호층(160)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 약 8000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다.

상기 제1 보호층(160)의 상부에는 티타늄층 및 질화 티타늄층으로 이루어진 제2 금속층(165)이 형성된다. 제2 금속층(165)을 형성하기 위하여, 먼저 티타늄(Ti)을 스퍼터링하여 약 300Å 정도의 두께로 티타늄층을 형성한다. 이어서, 상기 티타늄층의 상부에 질화 티타늄(TiN)을 물리 기상 증착(PVD) 방법을 사용하여 적층하여 질화 티타늄층을 형성한다. 상기 제2 금속층(165)은 광원으로부터 입사되는 빛이 반사층인 상부 전극(200) 뿐만 아니라, 상부 전극(200)이 형성된 부분을 제외한 부분에도 입사됨으로 인하여, 액티브 매트릭스(100)에 광 누설 전류가 흘러 소자가 오동작을 일으키는 것을 방지한다. 그리고, 후속 공정에서 비어 컨택(215)이 형성될 위치를 고려하여 상기 제2 금속층(165) 중 제1 금속층(155)의 드레인 패드의 상부에 형성된 일부를 사진 식각 공정을 통해 식각하여 제1 보호층(160)의 일부를 노출시킨다.

상기 노출된 제1 보호층(160) 및 제2 금속층(165)의 상부에는 제2 보호층(170)이 형성된다. 제2 보호층(170)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 약 2000Å 정도의 두께로 형성한다. 상기 제2 보호층(170)은 후속하는 공정 동안 상기 액티브 매트릭스(100) 및 상기 액티브 매트릭스(100) 상에 형성된 결과물들이 손상을 입게 되는 것을 방지한다.

상기 제2 보호층(170)의 상부에는 식각 방지층(175)이 형성된다. 식각 방지층(175)은 상기 제2 보호층(170) 등이 후속되는 식각 공정으로 인하여 식각되어 손상을 입는 것을 방지한다. 상기 식각 방지층(175)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법으로 증착하여 약 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다.

상기 식각 방지층(175)의 상부에는 제1 희생층(180)이 형성된다. 제1 희생층(180)은 액츄에이터(205)를 형성하기 위한 박막들의 적층을 용이하게 하는 기능을 수행하며, 상기 액츄에이터(205)의 적층이 완료된 후에는 플루오르화 수소(HF) 증기에 의해서 제거된다. 상기 제1 희생층(180)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학 기상 증착(APCVD) 방법으로 ２．0∼３．0㎛ 정도의 두께로 형성한다. 이 경우, 제1 희생층(180)은 상기 P-MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(100)의 상부를 덮고 있으므로 그 표면의 평탄도가 매우 불량하다. 따라서, 스핀 온 글래스(SOG)를 사용하는 방법 또는 화학 기계적 연마(CMP) 방법을 이용하여 상기 제1 희생층(180)이 1．1㎛ 정도의 두께가 되도록 상기 제1 희생층(180)의 표면을 연마함으로써 평탄화시킨다. 계속하여, 상기 제1 희생층(180) 중 아래에 제1 금속층(155)의 드레인 패드가 형성된 부분을 식각하여 상기 식각 방지층(175)의 일부를 노출시킴으로써, 액츄에이터(205)의 지지부(182)를 형성한다.

도 5b를 참조하면, 상기 노출된 식각 방지층(175)의 상부 및 제1 희생층(180)의 상부에 제1 층(184)을 형성한다. 제1 층(184)은 경질의 물질, 예를 들면 질화물, 또는 금속 등을 사용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 제1 층(184)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 형성한다. 상기 제1 층(184)은 후에 액츄에이터(205)를 지지하는 지지층(185)으로 패터닝된다.

상기 제1 층(184)의 상부에는 하부 전극층(189)이 형성된다. 하부 전극층(189)은 전기 전도성을 갖는 금속인 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta)을 사용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 하부 전극층(189)은 화학 기상 증착(CVD) 방법, 또는 스퍼터링 방법을 사용하여 형성된다. 그리고, 상기 하부 전극층(189)을 각각의 화소별로 분리시킴으로써 각각의 화소들에 독립적인 제1 신호(화상 신호)가 인가되도록 하부 전극층(189)을 Iso-cutting한다. 하부 전극층(189)은 후에 제1 신호가 인가되는 하부 전극(190)으로 패터닝된다.

상기 하부 전극층(189)의 상부에는 제2 층(194)이 형성된다. 제2 층(194)은 졸-겔(Sol-Gel)법, 스퍼터링 방법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께, 바람직하게는 0．4㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 제2 층(194)은 압전 세라믹, 또는 전왜 세라믹을 사용하여 형성한다. 예를 들면, 압전 물질인 PZT(Pb(Zr，Ti)O₃) 또는 PLZT((Pb，La)(Zr，Ti)O₃)를 사용하여 제2 층(194)을 형성하거나, 전왜 물질인 PMN(Pb(Mg，Nb)O₃)을 사용하여 제2 층(194)을 형성한다. 이어서, 상기 제2 층(194)을 급속 열처리(RTA) 공정을 이용하여 열처리하여 상변이시킨다. 제2 층(194)은 후에 상부 전극(200)과 하부 전극(190) 사이에 발생하는 전기장에 의하여 변형을 일으키는 변형층(195)으로 패터닝된다.

상기 제2 층(194)의 상부에는 상부 전극층(199)이 형성된다. 상부 전극층(199)은 전기 전도성을 갖는 금속인 알루미늄(Al), 백금(Pt), 또는 탄탈륨(Ta)을 사용하여 형성한다. 상부 전극층(199)은 화학 기상 증착(CVD) 방법 또는 스퍼터링 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상부 전극층(199)은 후에 제2 신호(바이어스 신호)가 인가되는 상부 전극(200)으로 패터닝된다.

도 5c를 참조하면, 상기 상부 전극층(199), 제2 층(194) 및 하부 전극층(189)을 패터닝하여 각기 소정의 화소 형상을 갖는 상부 전극(200), 변형층(195), 그리고 하부 전극(190)을 형성한다. 이어서, 상기 변형층(195)으로부터 하부 전극(190), 제1 층(184), 식각 방지층(175), 제2 보호층(170), 및 제1 보호층(160)을 차례로 식각하여 비어 홀(210)을 형성한 후, 비어 홀(210)의 내부에 상기 제1 금속층(155)의 드레인 패드의 상부로부터 하부 전극(190)까지 비어 컨택(215)을 형성한다. 따라서, 비어 컨택(215)은 상기 제1 금속층(155)의 드레인 패드와 하부 전극(190)을 연결한다. 상기 비어 컨택(215)은 전기 전도성을 갖는 금속인 백금, 탄탈륨, 텅스텐 또는 백금-탄탈륨을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 사용하여 형성한다. 그러므로, 외부로부터 인가된 제1 신호는 상기 액티브 매트릭스(100)에 내장된 P-MOS 트랜지스터, 제1 금속층(155)의 드레인 패드, 및 비어 컨택(215)을 통하여 하부 전극(190)에 인가된다. 계속하여, 상기 제1 층(184)을 패터닝하여 소정의 화소 형상을 갖는 지지층(185)을 형성한다. 그리고, 상기 제1 희생층(180)을 플루오르화 수소(HF) 증기를 사용하여 식각함으로써 제1 희생층(180)의 위치에 에어 갭(225)을 형성한다.

도 5d를 참조하면, 상기 액츄에이터(205)의 상부에 유동성이 우수한 폴리머 등을 스핀 코팅 방법을 사용하여 제2 희생층(230)을 형성한다. 제2 희생층(230)은 상기 에어 갭(225)을 채우면서 액츄에이터(205)를 완전히 덮도록 형성한다. 이어서, 후속하여 거울(240)이 형성될 위치를 고려하여 상기 제2 희생층(230)을 패터닝함으로써, 상기 상부 전극(200)의 일부를 노출시키고, 상기 노출된 상부 전극(200)을 중심으로 상기 제2 희생층(230)의 일부를 사각형의 고리 형상으로 식각한다. 상기 제2 희생층(230)을 사각형의 고리 형상으로 식각할 때, 식각되는 깊이를 적절히 조절하여 그 아래의 상부 전극(200)이 노출되지 않도록 한다.

계속하여, 상기 노출된 상부 전극(200)의 일부 및 상기 사각형의 고리 형상으로 패터닝된 제2 희생층(230)의 상부에 반사성을 갖는 금속인 알루미늄, 백금, 은, 또는 알루미늄 합금 등을 증착하고 패터닝하여 보강 부재(250) 및 거울(240)을 형성한다. 이어서, 상기 제2 희생층(230)을 제거하고 세정 및 건조 처리를 수행하여 도 4에 도시한 바와 같은 AMA 소자를 완성한다. 그 결과, 도 6a에 도시한 바와 같이 사각형의 고리 형상을 갖는 보강 부재(250)(점선 참조)가 하부에 부착된 거울(240)이 형성된다. 종래에는 상기와 같이 거울을 증착하는 과정에서 변형 응력이 발생하여 제2 희생층을 제거한 후 거울이 상방 또는 하방으로 휘어지는 문제가 있었다. 이에 비하여, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 거울(240)의 주변 하부에 보강 부재(250)를 형성함으로써 비록 거울(240)을 증착시켜 형성하는 동안 변형 응력이 발생하더라도 상기 보강 부재(250)가 거울(240)이 상방 또는 하방으로 휘어지는 것을 방지하기 때문에 거울(240)의 수평도를 크게 향상시킬 수 있다. 상기 보강 부재(250)의 형상은, 도 6a에 도시한 것과 같은 사각형의 고리 형상만이 아니라, 도 6b 내지 도 6d에 도시한 바와 같이, 거울(240)을 형성하는 동안 인가되는 압력이나 장력 등으로 인하여 발생하는 잔류 응력 등과 같은 변형 응력을 견딜 수 있도록 'X'자의 형상(도 6b 참조), 우물 '정(井)'자의 형상(도 6c 참조), 및 마름모(◇)의 형상(도 6d 참조) 등 기계적으로 안정한 여러 가지 구조 중에서 임의적으로 선택할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 전달된 제1 신호는 액티브 매트릭스(100)에 내장된 트랜지스터, 제1 금속층(155)의 드레인 패드 및 비어 컨택(215)을 통해 하부 전극(190)에 인가된다. 동시에, 상부 전극(200)에는 외부로부터 제2 신호가 인가되어 상기 상부 전극(200)과 하부 전극(190) 사이에 전위차에 따른 전기장이 발생하게 된다. 이러한 전기장에 의하여 상부 전극(200)과 하부 전극(190) 사이에 형성된 변형층(195)이 변형을 일으킨다. 변형층(195)은 상기 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 수축하게 되며, 이에 따라 상기 액츄에이터(205)는 소정의 각도로 휘게 된다. 거울(240)은 액츄에이터(205)의 상부에 형성되어 있으므로 액츄에이터(205)와 같은 각도를 가지고 틸팅된다. 그러므로, 상기 거울(240)은 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하며, 반사된 빛은 슬릿을 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 거울의 주변 하부에 거울을 형성하는 동안 인가되는 압력이나 장력 등으로 인하여 발생하는 잔류 응력 등과 같은 변형 응력을 견딜 수 있도록 사각형의 고리 형상, 'X' 자의 형상, 우물 '정(井)' 자의 형상, 또는 마름모(◇)의 형상 등 기계적으로 안정한 여러 가지 구조 중에서 임의적으로 선택할 수 있는 형상을 갖는 보강 부재를 형성함으로써 비록 거울을 증착시켜 형성하는 동안 잔류 응력이 발생하더라도 상기 보강 부재가 거울이 상방 또는 하방으로 휘어지는 것을 방지하기 때문에 거울의 수평도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라서, 거울의 반사각을 균일하게 유지할 수 있으며, 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 크게 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인(105)으로부터 연장되는 드레인 패드를 갖는 제1 금속층(155)을 포함하는 액티브 매트릭스(100);

   상기 액티브 매트릭스(100)의 상부에 형성되며, ⅰ) 상기 액티브 매트릭스(100) 중 상기 드레인 패드가 형성된 부분에 일측이 접촉되며 타측이 에어 갭(225)을 개재하여 수평하게 형성된 지지층(185), ⅱ) 상기 지지층(185)의 상부에 형성된 하부 전극(190), ⅲ) 상기 하부 전극(190)의 상부에 형성된 변형층(195), 그리고 ⅳ) 상기 변형층(195)의 상부에 형성된 상부 전극(200)을 포함하는 액츄에이터(205);

   상기 상부 전극(200)에 하부가 접촉되며 양측이 수평하게 형성된 거울(240); 그리고

   상기 거울(240)의 하부에 형성된 보강 부재(250)를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 보강 부재(250)는 상기 거울(240)의 변형을 방지할 수 있는 사각형의 고리 형상, 'X' 자의 형상, 우물 '정(井)' 자의 형상, 또는 마름모의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치.
3. M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스를 제공하는 단계;

   상기 액티브 매트릭스의 상부에 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 드레인 패드를 포함하는 제1 금속층을 형성하는 단계;

   상기 액티브 매트릭스의 상부에 제1 층, 하부 전극층, 제2 층 및 상부 전극층을 형성하고 패터닝하여 상부 전극, 변형층, 하부 전극 및 지지층을 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계; 그리고

   상기 상부 전극의 상부에 희생층을 형성하고 상기 희생층을 패터닝한 후, 상기 패터닝된 희생층의 상부에 보강 부재와 거울을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 보강 부재를 형성하는 단계는, a) 상기 희생층을 패터닝하여 상기 상부 전극의 일부를 노출시키며, 상기 노출된 상부 전극을 중심으로 그 주변부의 상기 희생층의 일부를 사각형의 고리 형상, 'X' 자의 형상, 우물 '정(井)' 자의 형상, 또는 마름모의 형상으로 식각하는 단계, b) 상기 노출된 상부 전극 및 상기 패터닝된 희생층의 상부에 반사성을 갖는 금속을 증착하는 단계, 그리고 c) 상기 증착된 금속을 패터닝하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.

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