KR100256876B1 - 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법 - Google Patents

박막형 광로 조절 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

거울을 형성할 때 발생하는 stress에 기인하는 거울의 휘어짐을 방지하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치가 개시되어 있다. 액티브 매트릭스의 상부에 액츄에이터를 형성한 후, 액츄에이터의 상부에 거울을 형성한다. 상기 거울은 알루미늄 또는 은을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 compressive stress가 발생하는 압력인 약 3mTorr 미만의 압력 하에서 증착시키는 단계 및 tensile stress가 발생하는 압력인 약 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 증착시키는 단계를 서로 교대로 반복 수행하여 증착시켜 형성한다. 거울을 형성하는 동안 compressive stress에 대응하는 tensile stress가 발생하게 함으로써 compressive stress와 tensile stress의 상쇄 관계를 이용하여 증착된 금속층에 최소의 stress를 갖게 할 수 있다. 이와 같은 과정을 수 회 반복하면 결국 증착된 금속층은 stress free한 상태가 된다. 따라서, 거울의 휘어짐을 방지함으로써 거울의 수평도를 향상시켜 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 증가시킬 수 있다.

Description

박막형 광로 조절 장치의 제조 방법
본 발명은 박막형 광로 조절 장치인 AMA(Actuated Mirror Array)의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 거울을 형성할 때 발생하는 stress에 기인하는 거울의 휘어짐을 방지하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치의 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, 그리고 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 이러한 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, DMD 및 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 콘트라스트(contrast)가 향상되어 보다 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 방법으로 가공하고 그 상부에 거울을 설치함으로써 이루어진다. 그러나, 상기 벌크형 광로 조절 장치는 설계 및 제조에 있어서 매우 높은 정밀도가 요구되며, 변형부의 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), 그리고 거울(29)을 포함한다. 내부에 M×N(M, N은 정수)개의 MOS 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 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(17)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 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 도2d는 도1에 도시한 장치의 제조 공정도이다.
도 2a를 참조하면, M×N 개의 MOS 트랜지스터(도시되지 않음)가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 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. 보호층(3)은 후속 공정 동안 상기 MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(1)를 보호한다.
상기 보호층(3) 상부에는 식각 방지층(5)이 적층된다. 식각 방지층(5)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 식각 방지층(5)은 후속하는 식각 공정 동안 상기 액티브 매트릭스(1) 및 보호층(3)이 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 지지부인 앵커(anchor)가 형성될 위치를 만든다.
도 2b를 참조하면, 상기 노출된 식각 방지층(5)의 상부 및 제1 희생층(9) 상부에 멤브레인(13)을 적층한다. 멤브레인(13)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 0.1∼1.0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성된다. 이 때, 저압의 반응 용기 내에서 반응 가스의 비(ratio)를 변화시키면서 멤브레인(13)을 형성하여 멤브레인(13) 내의 스트레스(stress)를 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 MOS 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 갖도록 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 형성된다. 상부 전극(19)은 알루미늄 또는 백금 등의 전기 전도성 및 반사성을 갖는 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 0. 1∼1. 0㎛ 정도의 두께를 갖도록 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 변형층(17)으로부터 드레인 패드(7)까지 수직하게 비어 홀(21)을 형성한다. 이어서, 상기 비어 홀(21) 내에 텅스텐, 백금, 또는 탄탈륨 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. 그리고, 제1 희생층(9)을 플루오르화 수소(HF) 증기로 식각하여 제1 희생층(9)이 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 등을 스핀 코팅 방법을 이용하여 상기 에어 갭(11)을 채우면서 액츄에이터(25)를 완전히 덮도록 형성된다. 이어서, 상기 제2 희생층(27)을 패터닝함으로써 상기 상부 전극(19)의 일측을 노출시킨다. 계속하여, 제2 희생층(27) 및 노출된 상부 전극(19)의 상부에 스퍼터링 방법을 이용하여 증착 압력을 고정하여 소정의 시간 동안 반사도가 좋은 알루미늄(Al)이나 은(Ag)을 0. 1∼1. 0㎛ 정도의 두께로 증착시키고 이를 패터닝하여 거울(29)을 형성한다. 이 경우, 거울(29)은 일측이 직각으로 구부려져 상부 전극(19)에 접촉되며 타측이 수평하게 형성된 'ㄱ'자의 형상을 갖는다. 그리고, 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 인가되면, 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 일으킨다. 변형층(17)은 상기 전기장에 직교하는 방향으로 수축하며, 이에 따라 변형층(17)을 포함하는 액츄에이터(25)가 소정의 각도로 휘어지며 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.
상술한 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 거울을 알루미늄 또는 백금 등의 반사성을 갖는 금속을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착할 때, 증착 압력에 따른 거울 내에 발생하는 stress의 변화는 'A','B' 및 'C'부분으로 나타난다. 도 3에 있어서, 증착 압력이 비교적 낮은 'A' 부분은 compressive stress가 우세한(dominate) 부분으로 이 경우 compressive stress는 일정한 값 이상으로 증가하지 않는 β0의 한계 값(limited value)을 가지며, 증착 압력이 비교적 높은 'C' 부분은 tensile stress가 우세한 부분으로 tensile stress 또한 일정한 값 이상으로 증가하지 않는 α0의 한계 값을 가진다. 따라서, 'A' 또는 'C' 부분에 해당하는 압력 하에서 거울을 형성할 경우, 거울 내에 compressive stress 또는 tensile stress가 발생하여 거울이 휘어지게 되는 문제가 발생한다. 또한, compressive stress에서 tensile stress로 전이되는 'B' 부분의 압력 하에서 거울을 형성할 경우 압력의 범위가 좁아 이를 정확하게 파악하여 'B'부분의 압력 하에서 거울의 stress free 조건을 만족시키기가 어렵다. 이로 인하여, 결국 거울에 휘어짐이 발생하여 입사되는 광의 광효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은, compressive stress와 tensile stress의 상쇄 관계를 이용하여 거울을 형성함으로써 거울의 휘어짐을 방지하여 광효율을 향상시킬 수 있는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 출원인의 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시한 장치의 제조 공정도이다.
도 3은 금속 증착막의 증착 압력에 따른 stress 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도이다.
도 5는 도 4의 장치를 D­D′선으로 자른 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시한 장치의 제조 공정도이다
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 액티브 매트릭스 125 : 제1 금속층
135 : 제1 보호층 140 : 제2 금속층
145 : 제2 보호층 150 : 식각 방지층
155 : 제1 희생층 160 : 에어 갭
165 : 지지층 170 : 하부 전극
175 : 변형층 180 : 상부 전극
185 : 비어 홀 190 : 비어 컨택
195 : 하부 전극 연결 부재 200 : 공통 전극선
205 : 상부 전극 연결 부재 210 : 액츄에이터
215 : 제2 희생층 220 : 포스트
230 : 거울
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 드레인 패드를 갖는 제1 금속층을 포함하는 액티브 매트릭스를 제공하는 단계; 상기 액티브 매트릭스의 상부에 제1 희생층을 형성하고 패터닝한 후, 상기 패터닝된 제1 희생층의 상부에 지지층, 하부 전극, 변형층, 그리고 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계; 상기 액츄에이터의 상부에 제2 희생층을 형성하고 상기 제2 희생층을 패터닝하여 상기 상부 전극의 일부를 노출시키는 단계; 그리고 상기 노출된 상부 전극 및 상기 제2 희생층의 상부에 알루미늄 또는 은을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 compressive stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계 및 tensile stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계를 서로 교대로 반복 수행하여 증착시켜 거울을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 거울을 형성하는 동안 3mTorr 미만의 압력 하에서 반사성을 갖는 금속을 증착시켜 compressive stress가 증착된 금속층에 발생하게 한 후, compressive stress가 발생된 금속층에 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 다시 금속을 증착시켜 상기 compressive stress에 대응하는 tensile stress가 발생하게 함으로써 compressive stress와 tensile stress의 상쇄 관계를 이용하여 증착된 금속층에 최소의 stress를 갖게 할 수 있다. 이와 같은 과정을 수 회 반복하면 결국 증착된 금속층은 stress free한 상태가 된다. 따라서, 거울의 휘어짐을 방지함으로써 거울의 수평도를 향상시켜 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 평면도를 도시한 것이며, 도 5는 도 4의 장치를 D­D′선으로 자른 단면도를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는 액티브 매트릭스(100), 액티브 매트릭스(100)의 상부에 형성된 액츄에이터(210), 그리고 액츄에이터(210)의 상부에 형성된 거울(230)을 포함한다.
상기 액티브 매트릭스(100)는, 액티브 매트릭스(100)를 액티브 영역과 필드 영역으로 구분하기 위한 소자 분리막(120), 상기 액티브 영역에 게이트(115), 소오스(110) 및 드레인(105)을 갖고 형성된 M×N(M, N은 정수) 개의 P-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(130), 제1 금속층(130)의 상부에 형성된 제1 보호층(135), 제1 보호층(135)의 상부에 형성된 제2 금속층(140), 제2 금속층(140)의 상부에 형성된 제2 보호층(145), 그리고 제2 보호층(145)의 상부에 형성된 식각 방지층(150)을 포함한다.
제1 금속층(130)은 제1 신호(화상 신호)의 전달을 위하여 상기 MOS 트랜지스터의 드레인(105)으로부터 액츄에이터(210)의 지지부인 앵커(anchor)(182)까지 연장되는 드레인 패드를 포함하며, 제2 금속층(140)은 티타늄(Ti)층 및 질화 티타늄(TiN)층으로 이루어진다.
상기 액츄에이터(210)는, 상기 식각 방지층(150) 중 아래에 제1 금속층(130)의 드레인 패드가 형성된 부분에 일측이 접촉되어 앵커(182)가 되며 타측이 에어 갭(160)을 개재하여 수평하게 형성된 지지층(165), 지지층(165)의 상부에 형성된 하부 전극(170), 하부 전극(170)의 상부에 형성된 변형층(175), 변형층(175)의 상부에 형성된 상부 전극(180), 그리고 상기 변형층(175)의 일측으로부터 변형층(175), 하부 전극(170), 지지층(165), 식각 방지층(150), 제2 보호층(145) 및 제1 보호층(135)을 통하여 상기 제1 금속층(130)의 드레인 패드까지 수직하게 형성된 비어 홀(185)의 내부에 상기 하부 전극(170)과 제1 금속층(130)의 드레인 패드가 서로 연결되도록 형성된 비어 컨택(190)을 포함한다.
상기 지지층(165)은 선행 출원에 기재된 박막형 광로 조절 장치 중 액츄에이터를 지지하는 멤브레인의 기능을 수행한다. 바람직하게는, 상기 지지층(165)은‘T’자의 형상을 가지며, 하부 전극(170)은 사각형의 형상을 갖고 지지층(165)의 중앙부 상에 형성된다. 상기 변형층(175)은 하부 전극(170)보다 작은 면적의 사각형의 형상을 가지며, 상부 전극(180)은 변형층(175)보다 작은 면적의 사각형의 형상을 가진다.
또한, 상기 액츄에이터(210)는, 상기 비어 컨택(190)으로부터 하부 전극(170)까지 형성되어 비어 컨택(190)과 하부 전극(170)을 연결하는 하부 전극 연결 부재(170), 상기 지지층(165) 중 'T'자 형상의 머리 부분의 일측 상부에 형성된 공통 전극선(200), 그리고 상기 상부 전극(180)과 공통 전극선(200)을 연결하는 상부 전극 연결 부재(205)를 포함한다. 하부 전극(170)에는 외부로부터 상기 액티브 매트릭스(100)에 내장된 MOS 트랜지스터, 비어 컨택(190) 및 하부 전극 연결 부재(195)를 통하여 제1 신호가 인가된다. 동시에 상부 전극(180)에는 외부로부터 공통 전극선(200) 및 상부 전극 연결 부재(205)를 통하여 제2 신호(바이어스 신호)가 인가된다.
상기 거울(230)은 상부 전극(200)의 일측에 형성된 포스트(post)(220)에 의하여 그 하부가 지지되며 양측이 수평하게 형성된 사각형의 평판의 형상을 갖는다.
이하 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 공정도이다. 도 6a를 참조하면, n형으로 도핑된 실리콘(Si) 웨이퍼인 액티브 매트릭스(100)를 준비한 후, 통상의 소자 분리 공정, 예를 들면, 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 금속을 증착한 후 이를 패터닝하여 제1 금속층(130)을 형성한다. 상기와 같이 패터닝된 제1 금속층(130)은 상기 P-MOS 트랜지스터의 드레인(105)으로부터 액츄에이터(210)의 지지부인 앵커(182)까지 연장되는 드레인 패드를 포함한다.
상기 P-MOS 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(100)를 보호하기 위하여 제1 금속층(130)의 상부에는 제1 보호층(135)이 형성된다. 제1 보호층(135)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 증착하여 약 8000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다.
상기 제1 보호층(135)의 상부에는 티타늄층 및 질화 티타늄층으로 이루어진 제2 금속층(140)이 형성된다. 제2 금속층(140)은 티타늄(Ti)을 스퍼터링하여 약 300Å 정도의 두께로 티타늄층을 형성한 후, 티타늄층의 상부에 질화 티타늄을 물리 기상 증착(PVD) 방법을 사용하여 질화 티타늄층을 형성함으로써 완성된다. 상기 제2 금속층(140)은 광원으로부터 입사되는 광이 거울(230) 뿐만 아니라 거울(230)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(190)이 형성될 위치를 고려하여, 제2 금속층(140) 중 제1 금속층(130)의 드레인 패드의 상부에 형성된 일부를 사진 식각 공정을 통해 식각하여 개구부(143)를 형성함으로써 제1 보호층(135)의 일부를 노출시킨다.
상기 노출된 제1 보호층(135) 및 제2 금속층(140)의 상부에는 제2 보호층(145)이 형성된다. 제2 보호층(145)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 사용하여 약 2000Å 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 상기 제2 보호층(145)은 후속하는 공정 동안 액티브 매트릭스(100) 및 액티브 매트릭스(100) 상에 형성된 상기 결과물들이 손상을 입게 되는 것을 방지한다.
상기 제2 보호층(145)의 상부에는 식각 방지층(150)이 형성된다. 식각 방지층(145)은 상기 제2 보호층(145) 등이 후속되는 식각 공정으로 인하여 식각되어 손상을 입는 것을 방지한다. 상기 식각 방지층(150)은 질화물을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법으로 증착하여 약 1000∼2000Å 정도의 두께를 가지도록 형성한다.
상기 식각 방지층(150)의 상부에는 제1 희생층(155)이 형성된다. 제1 희생층(155)은 액츄에이터(210)를 형성하기 위한 박막들의 적층을 용이하게 하는 기능을 수행하며, 상기 액츄에이터(210)의 적층이 완료된 후에는 플루오르화 수소(HF) 증기에 의해서 제거된다. 상기 제1 희생층(155)은 인 실리케이트 유리(PSG)를 대기압 화학 기상 증착(APCVD) 방법을 이용하여 약 2. 0∼3. 0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이 경우, 제1 희생층(155)은 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(155)이 약 1. 1㎛ 정도의 두께가 되도록 상기 제1 희생층(155)의 표면을 연마함으로써 평탄화시킨다. 계속하여, 상기 제1 희생층(155) 중 아래에 제2 금속층(140)의 개구부(143)가 형성된 부분과 인접한 부분을 식각하여 상기 식각 방지층(150)의 일부를 노출시킴으로써, 액츄에이터(210)의 지지부인 앵커(182)를 형성한다.
도 6b를 참조하면, 상기 노출된 식각 방지층(175)의 상부 및 제1 희생층(180)의 상부에 제1 층(164)을 형성한다. 제1 층(164)은 경질의 물질, 예를 들면, 질화물 또는 금속 등을 사용하여 0. 1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 제1 층(164)은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 형성한다. 이 경우, 저압의 반응 용기 내에서 반응성 가스의 비(ratio)를 시간별로 변화시키면서 제1 층(164)을 형성함으로써 제1 층(164) 내부의 스트레스(stress)를 조절한다. 제1 층(164)은 후에‘T’자의 형상을 갖는 지지층(165)으로 패터닝된다.
상기 제1 층(164)의 상부에 스핀 코팅(spin coating) 방법을 이용하여 제1 포토레지스트(167)를 형성한 후, 제1 포토레지스트(167)를 패터닝하여 제1 층(164) 중 아래에 제2 금속층(140)의 개구부(143)가 형성된 부분과 인접한 부분을 제1 금속층(130)의 드레인 패드가 형성된 방향과 직교하는 방향을 따라 사각형의 형상으로 노출시킨다. 상기 노출된 제1 층(164)의 상부 및 제1 포토레지스트(167)의 상부에 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 이용하여 하부 전극층(169)을 형성한 후, 후속하여 공통 전극선(200)이 형성될 위치를 고려하여 상기 하부 전극층(169)을 패터닝함으로써 상기 노출된 제1 층(164)의 상부에 사각형의 형상을 갖는 하부 전극(170)이 형성되도록 한다. 따라서, 하부 전극(170)은 제1 층(164)의 중앙부 상에만 형성된다. 상기 하부 전극(170)은 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 또는 백금-탄탈륨(Pt-Ta) 등의 전기 전도성을 갖는 금속을 사용하여 0. 1∼1．0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다.
상기 하부 전극(170) 및 제1 포토레지스트(167)의 상부에는 제2 층(174)이 형성된다. 제2 층(174)은 압전 물질인 ZrO2, PZT, 또는 PLZT를 졸-겔(sol-gel), 스퍼터링 방법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛, 바람직하게는 0．4㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이어서, 상기 제2 층(174)을 구성하는 압전 물질을 급속 열처리(RTA) 방법을 이용하여 열처리하여 상변이시킨다. 제2 층(174)은 후에 변형층(175)으로 패터닝된다.
제2 층(174)의 상부에는 상부 전극층(179)이 형성된다. 상부 전극층(179)은 전기 전도성을 갖는 금속인 알루미늄(Al), 백금(Pt), 또는 탄탈륨(Ta)을 사용하여 형성한다. 상부 전극층(179)은 스퍼터링 방법을 이용하여 0．1∼1．0㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 상부 전극층(179)은 후에 제2 신호가 인가되는 상부 전극(180)으로 패터닝된다.
도 6c를 참조하면, 상부 전극층(179)의 상부에 제2 포토레지스트(도시되지 않음)를 스핀 코팅 방법으로 코팅한 후, 상기 제2 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 상부 전극층(179)을 사각형의 형상을 갖는 상부 전극(180)으로 패터닝한다. 그 결과, 상기 상부 전극(180)은 상기 제1 층(164)의 중앙 상부에 형성된다.
제2 층(174)은 상부 전극층(179)을 패터닝하는 방법과 동일한 방법을 사용하여 상부 전극(180) 보다 넓은 면적의 사각형의 형상을 갖는 변형층(175)으로 패터닝된다. 이 때, 상기 변형층(175)은 이미 형성된 하부 전극(170)보다는 작은 면적을 갖는다. 이와 함께 상기 제1 포토레지스트(167)를 제거한다.
제1 층(164)도 상기와 같은 방법으로 지지층(165)으로 패터닝된다. 지지층(165)은 하부 전극(170)의 형상과는 달리‘T’자의 형상을 가지며, 하부 전극(170)은 상기 지지층(165)의 중앙부 상에만 형성된다. 이어서, 공통 전극선(200)을 상기 지지층(165) 중 'T'자의 머리 부분의 일측 상에 형성한다. 즉, 상기 지지층(165) 상에 제3 포토레지스트(도시되지 않음)를 스핀 코팅 방법으로 도포하고 패터닝하여, 상기 지지층(165)의 일측을 노출시킨 후, 백금, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 알루미늄, 또는 은을 사용하여 공통 전극선(200)을 형성한다. 공통 전극선(200)은 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 0. 5∼2. 0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 이 경우, 공통 전극선(200)은 하부 전극(170)과는 소정의 거리만큼 이격된다. 계속하여, 상기 공통 전극선(200)과 동일한 물질 및 동일한 방법을 사용하여 공통 전극선(200)과 상부 전극(180)을 연결하는 상부 전극 연결 부재(205)를 형성한다. 따라서, 공통 전극 연결 부재(205)는 하부 전극(170)과는 소정의 거리만큼 이격되어 하부 전극(205)과 접촉되지 않는다.
또한, 상기 제3 포토레지스트를 패터닝할 때, 상기 지지층(165) 중 아래에 제2 금속층(140)의 개구부(143)가 형성된 부분으로부터 하부 전극(170)이 형성된 부분을 동시에 노출시킨다. 이어서, 상기 지지층(165)으로부터 식각 방지층(150), 제2 보호층(145) 및 제1 보호층(135)을 식각하여 상기 제1 금속층(130)의 드레인 패드까지 수직하게 비어 홀(185)을 형성한 후, 비어 홀(185)의 내부에 상기 드레인 패드로부터 지지층(165)까지 비어 컨택(190)을 형성한다. 동시에 상기 하부 전극(170)으로부터 상기 비어 홀(185)까지 비어 컨택(190)과 연결되도록 하부 전극 연결 부재(195)를 형성한다. 상기 비어 컨택(190) 및 하부 전극 연결 부재(195)는 전기 전도성을 갖는 금속인 백금, 탄탈륨 또는 백금-탄탈륨을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 형성한다. 이 경우, 상기 하부 전극 연결 부재(195)는 0. 5∼1. 0㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성된다. 따라서, 제1 신호는 외부로부터 상기 액티브 매트릭스(100)에 내장된 MOS 트랜지스터, 제1 금속층(130)의 드레인 패드, 비어 컨택(190) 및 하부 전극 연결 부재(195)를 통하여 하부 전극(170)에 인가된다. 그리고, 상기 제3 포토레지스트 및 상기 제1 희생층(155)을 제거하여 상부 전극(180), 변형층(175), 하부 전극(170) 및 지지층(165)을 포함하는 액츄에이터(210)를 형성한다.
도 6d를 참조하면, 상기와 같이 제1 희생층(155)이 제거되어 에어 갭(160)이 형성된 액츄에이터(210)의 상부에 유동성을 갖는 폴리머 등을 사용하여 제2 희생층(215)을 형성한다. 제2 희생층(215)은 에어 갭(160)을 채우면서 상부 전극(180)을 완전히 덮도록 스핀 코팅 방법을 사용하여 형성한다. 이어서, 거울(230)의 포스트(220)가 형성될 위치를 고려하여 상기 제2 희생층(215)을 패터닝함으로써 상부 전극(180)의 일측을 노출시킨다.
도 6e를 참조하면, 상기 노출된 상부 전극(180)의 일측 및 제2 희생층(215)의 상부에 반사성을 갖는 금속인 알루미늄, 백금, 또는 은 등을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 이용하여 증착시켜 거울(230) 및 포스트(220)를 동시에 형성한다. 본 발명에서는, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 반사성을 갖는 금속을 증착시킬 때, compressive stress가 β0의 값을 갖는 영역인 3mTorr 미만의 압력 하에서 증착시킨 후, tensile stress가 α0의 값을 갖는 영역인 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 증착시키는 과정을 서로 교대로 수회 반복하여 상기 금속이 약 0. 1∼1. 0㎛ 정도의 두께를 갖고 증착되도록 한다. 즉, 3mTorr 미만의 압력 하에서 반사성을 갖는 금속을 증착시켜 β0의 compressive stress가 증착된 금속층에 발생하게 한 후, 상기 compressive stress가 발생된 금속층에 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 다시 금속을 증착시켜 상기 compressive stress에 대응하는 α0의 tensile stress가 발생하게 함으로써 compressive stress와 tensile stress의 상쇄 관계를 이용하여 증착된 금속층에 최소의 stress를 갖게 할 수 있다. 이와 같은 과정을 수 회 반복하면 결국 증착된 금속층은 stress free한 상태가 된다. 그러므로, 거울(230)의 휘어짐을 방지함으로써 거울(230)의 수평도를 향상시켜 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 증가시킬 수 있다.
계속하여, 상기 거울(230)이 사각형의 형상을 갖도록 패터닝한 후, 제2 희생층(215)을 산소 플라즈마(plasma)를 사용하여 제거하고 세정 및 건조하여 박막형 광로 조절 장치를 완성한다.
상술한 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 외부로부터 전달된 제1 신호는 액티브 매트릭스(100)에 내장된 MOS 트랜지스터, 제1 금속층(130)의 드레인 패드 및 비어 컨택(190)을 통해 하부 전극(170)에 인가된다. 동시에, 상부 전극(180)에는 외부로부터 제2 신호가 인가되어 상기 상부 전극(180)과 하부 전극(170)사이에 전위차에 따른 전기장이 발생하게 된다. 이러한 전기장에 의하여 상부 전극(180)과 하부 전극(170) 사이에 형성된 변형층(175)이 변형을 일으킨다. 변형층(175)은 상기 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 수축하게 되며, 이에 따라 상기 액츄에이터(210)는 소정의 각도로 휘게 된다. 거울(230)은 액츄에이터(210)의 상부에 형성되어 있으므로 액츄에이터(210)와 같은 각도를 가지고 틸팅된다. 그러므로, 상기 거울(230)은 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하며, 반사된 빛은 슬릿을 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺게 된다.
본 발명에 의하면, 거울을 형성하는 동안 3mTorr 미만의 압력 하에서 반사성을 갖는 금속을 증착시켜 compressive stress가 증착된 금속층에 발생하게 한 후, compressive stress가 발생된 금속층에 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 다시 금속을 증착시켜 상기 compressive stress에 대응하는 tensile stress가 발생하게 함으로써 compressive stress와 tensile stress의 상쇄 관계를 이용하여 증착된 금속층에 최소의 stress를 갖게 할 수 있다. 이와 같은 과정을 수 회 반복하면 결국 증착된 금속층은 stress free한 상태가 된다. 따라서, 거울의 휘어짐을 방지함으로써 거울의 수평도를 향상시켜 광원으로부터 입사되는 광의 광효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의해 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (3)

  1. M×N(M, N은 정수) 개의 MOS 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인으로부터 연장되는 드레인 패드를 갖는 제1 금속층을 포함하는 액티브 매트릭스를 제공하는 단계;
    상기 액티브 매트릭스의 상부에 제1 희생층을 형성하고 패터닝한 후, 상기 패터닝된 제1 희생층의 상부에 지지층, 하부 전극, 변형층, 그리고 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터를 형성하는 단계;
    상기 액츄에이터의 상부에 제2 희생층을 형성하고 상기 제2 희생층을 패터닝하여 상기 상부 전극의 일부를 노출시키는 단계; 그리고
    상기 노출된 상부 전극 및 상기 제2 희생층의 상부에 알루미늄 또는 은을 스퍼터링 방법 또는 화학 기상 증착 방법을 사용하여 compressive stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계 및 tensile stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계를 서로 교대로 반복 수행하여 증착시켜 거울을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 compressive stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계는 약 3mTorr 미만의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 tensile stress가 발생하는 압력 하에서 증착시키는 단계는 약 5mTorr를 초과하는 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
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