KR100291551B1 - 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 투사형 화상 표시 장치에 이용되는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 멤브레인을 고온 공정으로 형성시 나타나는 문제점인 MOS 구조의 파괴, 아웃 개싱 발생 등을 방지하기 위해서, 575℃이하에서 저압 화학 기상 증착 공정의해 아몰퍼스 실리콘으로 멤브레인을 형성한후, 열처리하여 스트레스를 조절하며 폴리실리콘으로 변환함으로써, 고온 공정에서 나타나는 상기 문제점들을 방지하여 박막형 광로 조절 장치의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

박막형 광로 조절 장치의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM ACTUATED MIRROR ARRAY}

본 발명은 투사형 화상 표시 장치로 사용되는 박막형 광로 조절 장치의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 멤브레인 형성시 고온의 열공정에 의해 발생될 수 있는 아웃 개싱의 발생, 능동 소자의 파괴 등의 여러 문제점을 방지 할 수 있는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 화상 표시 장치는 표시 방법에 따라, 직시형 화상 표시 장치와 투사형 화상 표시 장치로 구분된다.

직시형 화상 표시 장치는 CRT(Cathode Ray Tube)등이 있는데, 이러한 CRT 화상 표시 장치는 화질은 좋으나 화면이 커짐에 따라 중량 및 두께의 증대와, 가격이 비싸지는 등의 문제점이 있어 대화면을 구비하는데 한계가 있다.

투사형 화상 표시 장치는 대화면 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display : 이하 LCD라 칭함)등이 있는데, 이러한 대화면 LCD의 박형화가 가능하여 중량을 작게 할 수 있다.

그러나, 이러한 LCD는 편광판에 의한 광의 손실이 크고 LCD를 구동하기 위한 박막 트랜지스터가 화소 마다 형성되어 있어 개구율(광의 투과 면적)을 높이는데 한계가 있으므로 광의 효율이 매우 낮다.

따라서, 액츄에이티드 미러 어레이 (Actuated Mirror Arrays : 이하 'AMA'라 칭함)를 이용한 투사형 화상 표시 장치가 개발되었다.

AMA를 이용한 투사형 화상 표시 장치는 광원에서 발광된 백색광을 적색, 녹색 및 청색의 광으로 분리한 후, 이 광을 액츄에이터들로 이루어진 광로 조절 장치의 구동에 의해 광로를 변경시킨다.

즉, 액츄에이터들에 실장되어 이 액츄에이터들이 개별적으로 구동되는 것에의해 기울어지는 거울들에 각각 반사시켜 광로(Light Path)를 변경시키는 것에 의해 광의 양을 조절하여 화면으로 투사시킨다.

그러므로, 화면에 화상이 나타나게된다.

상기에서, 액츄에이터는 압전 또는 전왜 세라믹으로 이루어진 변형부가 인가되는 전압에 의해 전계가 발생되어 변형되는 것을 이용하여 거울을 기울게 한다.

AMA는 구동 방식에 따라 1차원 AMA와 2차원 AMA로 구별된다. 1차원 AMA는 거울들이 M × 1 어레이로 배열되고, 2차원 AMA는 거울들이 M × N 어레이로 배열되고 있다.

따라서, 1차원 AMA를 이용한 투사형 화상 표시 장치는 주사 거울을 이용하여 M × 1 개 광속들을 선주사시키고, 2차원 AMA를 이용하는 투사형 화상 표시 장치는 M × N 개의 광속들을 투사시켜 화상을 나타내게 된다.

또한, 액츄에이터는 변형부의 형태에 따라 벌크형(Bulk Type)과 박막형(Thin Film Type)으로 구분된다. 상기 벌크형은 다층 세라믹을 얇게 잘라 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼(Ceramic Wafer)를 구동기판에 실장한 후 쏘잉(Sawing)등으로 가공하고 거울을 실장한다.

그러나, 벌크형 액츄에이터는 액츄에이터들을 쏘잉에 의해 분리하여야 하므로 긴 공정시간이 필요하며, 또한, 변형부의 응답 속도가 느린 문제점이 있었다.

따라서, 반도체 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형의 액츄에이터가 개발되었다.

한편, 도 1은 상기 박막형의 액츄에이터를 구비하는 일반적인 박막형 광로조절 장치의 한 단위 픽셀의 단면을 도시한 단면도로서, 동도면을 참조하면 상기 박막형 광로 조절 장치는 실리콘 기판(110), 패시베이션층(120), 식각 스톱층(130), 매탈 패드(105)로 구성된 구동 기판(100)과 플러그 메탈(205), 멤브레인(210), 하부 전극(220), 변형부 (230), 상부 전극(240)으로 구성된 액츄에이터(200)를 구비하고 있다.

이하, 도 1에 도시된 바와 같은, 일반적인 박막형 광로 조절 장치는 매트릭스 형상의 능동 소자를 구비한 구동 기판(100) 상에 희생층(도시 생략된)을 형성하고, 상기 희생층의 상부에 복수개의 층으로 이루어진 소정 형상의 액츄에이터(200)를 형성한 후, 상기 희생층을 제거 시킴으로써 제조되며, 상기와 같이 제조된 박막형 광로 조절 장치는 외부의 제어 시스템으로부터 구동 기판(100)에 내장되어 있는 능동 소자를 통하여 상기 액츄에이터(200)의 하부 전극(220)에 전기적 신호가 인가되면 상기 하부 전극(220)과 상기 상부 전극(240)사이에 소정 크기의 전위차가 발생되고 이러한 전위차 발생에 의해 상기 변형부(230)는 압전 변형을 나타내며 이에 의하여 복수개의 액츄에이터(200)가 개별적으로 구동하게 된다.

즉, 반사면으로 작용하는 상기 상부 전극(240)의 표면으로 입사된 광원의 백색광은 상기 액츄에이터(200)의 구동에 의하여 변경된 광로를 따라 반사되어서 도시되어 있지 않은 스크린상에 화상을 표시하게 된다.

한편, 액츄에이터(200)를 구성하는 복수개의 층들중 상기 멤브레인(210)은 상기 희생층(도시 생략한)상에 실리콘 질화물(SiN_x)을 저압 화학 기상 증착공정(LPCVD)에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로써 형성되며, 그러한 공정은 800∼850℃의 온도 범위에서 이루어진다.

그러나, 상기의 멤브레인을 질화층으로 형성함에 따라, 질화층은 저온에서의 막형성이 어려워 고온 공정이 요구되며, 이에 의해 상기 질화층에서의 아웃 개싱 발생, 그리고 고온에 의한 구동 기판내 모스(MOS) 구조의 파괴등이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 멤브레인의 형성 방법을 개선하여 멤브레인의 형성시 고온에 의해서 발생되는 문제점, 즉, 아웃 개싱의 발생, 모스(MOS) 구조의 파괴 등을 방지하는 데 적합한 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, M×N(M, N은 정수) 배열의 능동 소자를 구비하는 구동 기판의 상부에 상기 능동 소자 각각에 대응해서 멤브레인, 변형부, 하부전극, 상부전극으로 이루어지는 액츄에이터를 형성하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 멤브레인은, 아몰퍼스 실리콘으로 형성하는 단계와; 상기 아몰퍼스 실리콘을 열처리해서 다결정 실리콘으로 다결정화하는 단계로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 제공한다.

도 1은 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 단위 픽셀을 도시한 단면도,

도 2a 내지 2j는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100 : 구동 기판 110 : 실리콘 기판

120 : 패시베이션층 130 : 식각 스톱층

105 : 컨택트 메탈 200 : 액츄에이터

205 : 플러그 메탈 210 : 멤브레인

220 : 하부 전극 230 : 변형부

240 : 상부 전극 250 : 희생층

260 : 식각 보호층

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같으며 도 1에 도시된 일반적인 박막형 광로 조절 장치와 동일한 구성은 동일 도면 부호를 사용한다.

도 1은 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 단위 픽셀을 도시한 단면도이고, 도 2a 내지 2j는 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.

먼저, 본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법은 반도체 집적 회로 제조 공정에 의하여 실리콘 기판(110)상에는 MOS와 같은 트랜지스터로 이루어진 복수개의 능동 소자(도시 생략된)가 매트릭스 구조로 형성된 실리콘 기판(110) 상에 이 후에 수행되는 증착 공정의 고온 분위기하에서 상기 복수개의 능동 소자가 외부로부터 화학적 또는 물리적 손상을 받는 것을 방지시키기 위해 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG; phosphosilicate glass) 또는 BPSG(borophosphosilicate glass)을 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition:이하,CVD라 칭함)으로 증착하여 패시베이션층(120)을 형성한다.

이후, 식각 공정에서의 식각 용액 예를 들면 불산(HF) 용액에 노출되어 화학적 손상을 입는 것을 방지시킬 수 있도록 상기 패시베이션층(120)상에 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 양호한 실리콘 질화물(Si₃N₄)을 약 700∼800℃의 온도 범위에서 저압 화학 기상 증착 공정 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition;이하,'LPCVD'라 칭함.)으로 패시베이션층(120)의 상부에 소정 두께로 적층하여 도 2a에 도시된 바와 같은 식각 스톱층(130)을 형성하며, 이렇게 형성된 식각 스톱층(130)은 이후의 식각 공정에서 사용되는 식각 용액에 의한 화학적 손상으로부터 상기 패시베이션층(120)을 양호하게 보호한다.

이후, 상기 구동 기판(100)의 상부에 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG) 등을 화학 기상 증착 공정 (CVD) 등에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로써 도 2b에 도시된 바와 같이 희생층(Sacrificial Layer)(250)을 형성시킨 후 미세 패턴 형성 공정에 의하여 상기 희생층(250)을 소정 선폭 크기의 패턴을 구비한 소정 형상으로 형성시키며 그 결과 상기 희생층(250)의 패턴을 통하여 노출되는 상기 구동 기판(100)의 일부는 액츄에이터(200)의 지지부 및 브리지를 형성시키기 위한 장소로 제공된다.

상기된 바와 같이 구동 기판(100)상에 소정 패턴의 선폭 크기를 갖는 소정 형상의 희생층(250) 및 상기 희생층(250)의 패터닝을 통하여 노출된 상기 구동 기판(100)의 식각 스톱층(130)상에 소정의 절연 물질을 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD) 등의 화학적 기상 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜 도 2c에 도시된 바와 같이 멤브레인(210)을 형성시킨다.

한편, 박막형 광로 조절 장치의 멤브레인(210)은 그 일단이 캔틸레버 구조를 유지하기 위한 지지부로서 작동하며, 상기 멤브레인(210)을 형성하기 위한 재료는 희생층 제거 공정시 사용되는 식각 용액 예를 들어 불산(HF) 용액에 내성이 강하고, 액츄에이팅(Actuating)을 견딜 수 있는 기계적 강도를 가져야 하며, 플랫한 미러를 얻을 수 있어야 하는 조건을 만족시킬 수 있어야 한다.

따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에서는 상기 멤브레인(210)을 아몰퍼스 실리콘과 폴리 실리콘의 변환점인 575℃이하의 저온에서 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정에 의해 아몰퍼스 실리콘으로 형성하며, 다음과 같은 공정을 통하여 폴리 실리콘으로 변화시키며 스트레스를 조절한다.

먼저, 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD)에 의해 575℃ 이하에서 아몰퍼스 실리콘(Amorphous Silicon)을 상기 식각 스톱층(130)의 상부에 소정 두께로 증착시킨다.

이후, 상기 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD)이 끝난 상태 그대로 소정 두께로 적층된 아몰퍼스 실리콘층을 아몰퍼스 실리콘과 폴리 실리콘의 변환점(Transition Point)인 575℃이상의 575∼650℃(바람직하게 약 600℃정도)로 열공정 처리를하여 폴리 실리콘층으로 이루어진 멤브레인(210)을 형성하며, 이때의 열공정은 인슈츠 어닐링 공정(In-Situ Annealing)에 의해 이루어진다.

한편, 상기 폴리실리콘을 종래의 멤브레인을 형성하는 재료로 사용되던 실리콘 질화물(SiN_x)과 비교해 보면, 먼저 식각 속도가 30Å/min정도로 식각 선택성(Etch Selective) 면에서 30Å/min 이상의 실리콘 질화물(SiN_x)보다 더 우수하고, 그 기계적 강도가 140∼210GPa로 약 73GPa 정도의 기계적 강도를 갖는 실리콘 질화물(SiN_x)보다 더 우수함을 알 수 있다. 또한, 스트레스 조절에 의한 플랫한 미러의 형성 역시 본 발명에 따른 스트레스 조절로 해결할 수 있다.

상기 멤브레인(210)상에는 콘택홀 형성 공정에 의하여 상기 구동 기판(100)에 내장된 능동 소자(도시 생략된)에 전기적으로 연결된 컨택트 메탈(105)을 노출시키기 위해 도 2e에 도시된 바와 같은 비아홀(Via-Hole)을 형성한다.

이후, 상기 비아홀에 도전성을 갖는 백금(Pt), 티타튬(Ti), 또는 탄탈륨(Ta)과 갖은 금속을 리프트 오프(Lift-off) , 플러깅(Plugging) 등과 같은 공정으로 장착하여 도 2e에 도시된 바와 같이 플러그 메탈(205)을 형성하며, 이와 같이 형성된 플러그 메탈(205)은 이후 공정에 의해 형성될 하부 전극(220)과 비아홀 형성을 통해 노출된 컨택트 메탈(105)을 전기적으로 접속한다.

또한, 상기 멤브레인(210) 및 플러그 메탈(205)상에 백금(Pt) 또는 탈탄륨(Ta)과 같이 양호한 도전 특성을 나타내는 도전성 금속을 스퍼터링 증착 공정과 같은 진공 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 하부 전극(220)을 형성시키며 이러한 하부 전극(220)은 상기된 바와 같이 멤브레인(210)으로부터 상기 구동 기판(100)의 매탈 패드(105)까지 연결된 플러그 메탈(205)에 의하여 구동 기판(100) 내부에 내장된 복수개의 능동 소자와 전기적으로 연결되어 있으며 이러한 하부 전극(220)은 이 후의 식각 공정에 의하여 소정 형상으로 형성되고 신호 전극으로 작동하는 하부 전극(220)을 구성한다.

이때, 상기 하부 전극(220)의 일부 특히 소정 형상으로 형성되는 액츄에이터(200)의 브리지(도시 생략된)를 구성하는 상기 하부 전극(220)의 일부를 반응성 이온 식각 공정(R.I.E.)과 같이 이방성 에칭 특성이 양호한 건식 식각 공정에 의하여 제거하여서 상기 복수개의 능동 소자를 통하여 하부 전극(220)에 유입되는 전기적 신호를 화소 단위로 분리시키기 위한 이소 컷팅부(I.C.)를 형성시킨다.

이후, 상기 이소 컷팅부(도시 생략된)를 통하여 노출되는 상기 멤브레인(210)의 일부 및 상기 하부 전극(220)상에 압전 특성을 나타내는 세라믹 재료를 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 변형부(230)를 형성시키며 이러한 변형부(230)를 구성하는 세라믹 재료는 BaTiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃, (Pb,La)(Zr,Ti)O₃조성의 압전 세라믹 또는 Pb(Mg,Nb)O₃조성의 전왜 세라믹으로 이루어져 있고 상기 증착 공정은 스퍼터링 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 또는 졸-겔 공정에 의하여 형성된다.

상기된 바와 같이, 소정 두께로 적층되어 형성된 상기 변형부(230)는 고온 열처리 공정 특히 급가열 공정(Rapid Thermal Annealing System)에 의하여 열처리되며 그 결과 상기 변형부(230)를 구성하고 있는 세라믹 조성물의 결정 구조를 페로브스카이트(Perovskite) 결정 구조로 형성시킴으로써 상기 변형부(230)는 압전 특성을 양호하게 나타낸다.

이후, 상기 변형부(230)의 상부에 물리 기상 증착 공정(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD)에 의하여 전기 전도도 특성이 양호할 뿐만 아니라 반사 특성이 양호한 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)과 같은 금속을 소정 두께로 증착시켜서 상부 전극(240)을 형성시키며 상기 상부 전극(240)은 소정 형상으로 형성된 액츄에이터(200)의 구동부를 틸팅시키기 위한 공통 전극으로 작용할 뿐만 아니라 반사 특성을 갖는 반사면으로 작용한다.

상기된 바와 같은 다단계의 공정에 의해 도 2f에 도시된 바와 같이, 구동 기판(100)상에는 순차적으로 적층되어 있는 복수개의 층들로 이루어진 액츄에이터(200)가 형성되고 이러한 액츄에이터(200)를 구성하는 복수개의 층들은 이 후에 수행되는 식각 공정에 의하여 도 2g에 도시된 바와 같이 패터닝됨으로써 소정 형상의 액츄에이터(200)를 형성시키며, 그 결과 상기 희생층(250)의 일부가 노출된다.

상기된 바와 같이, 구동 기판(100)상에 적층된 복수개의 층들의 일부를 상기 액츄에이터(200)를 구성하는 소정 형상으로 형성시키기 위한 식각 공정은 이방성 식각 특성이 양호한 건식 식각 공정 예를 들면 반응성 이온 식각(RIE) 공정에 의하여 수행된다.

한편, 상기된 바와 같이 소정 형상으로 형성된 상기 액츄에이터(200)를 캔틸레버 구조로 형성시키기 위하여 상기 구동 기판(100)상에 소정 형상으로 잔존하는 상기 희생층(250)을 식각 공정에 의하여 제거할 때 상기 액츄에이터(200)의 측면이 상기 식각 용액에 노출되어서 액츄에이터를 구성하는 복수개의 층들이 박리되는 것을 방지시키기 위하여 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 도 2h에 도시된 바와 같이 식각 보호막(260)을 형성시킨다.

이때, 상기 식각 보호막(260)은 상기 멤브레인(210)상에 형성된 노출 부위를 완전히 외부로부터 차단시킬 수 있도록 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 식각 보호 물질을 소정 두께로 도포시킴으로서 형성되며 이러한 보호막을 구성하는 식각 보호 물질은 식각 공정에 사용되는 식각액 특히 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 양호한 폴리머(POLYMER)로 이루어진다.

한편, 상기 액츄에이터(200)의 패턴을 통하여 노출된 상기 희생층은 등방성 식각 특성이 양호하게 나타나는 식각 공정에 의하여 도 2i에 도시된 바와 같이 제거되며, 이 때 상기 식각 스톱층(130)은 손상받지 않은 상태로 유지되어 있으므로 상기 패시베이션층(120)은 상기 능동 소자를 양호하게 보호하게 되며 상기 식각 공정에 사용되는 식각 용액은 상기 희생층을 구성하는 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG)에 대한 식각 특성이 양호한 불산(HF) 용액으로 이루어져 있다.

이 후에, 이온 밀링 공정 등의 건식 식각 공정에 의하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)상에 소정 두께로 잔존하는 상기 보호막을 부분적으로 제거하여서 상기 상부 전극(240)을 노출시켜 미러 어레이의 반사면으로 작동할 수 있게 한다.

상기와 같은 다단계의 공정을 거쳐 도 2j에 도시된 바와 같이 제조된 박막형 광로 조절 장치는 외부의 제어 시스템으로부터 구동 기판(100)에 내장되어 있는 능동 소자를 통하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)에 전기적 신호가 인가되면 상기 하부 전극(220)과 상기 상부 전극(240)사이에 소정 크기의 전위차가 발생되고 이러한 전위차 발생에 의해 상기 변형부(230)는 압전 변형을 나타내며 이에 의하여 복수개의 액츄에이터(200)가 개별적으로 구동하게 된다.

즉, 반사면으로 작용하는 상기 상부 전극(240)의 표면으로 입사된 광원의 백색광은 상기 액츄에이터(200)의 구동에 의하여 변경된 광로를 따라 반사되어서 도시되어 있지 않은 스크린상에 화상을 표시하게 된다.

이상, 상기 내용은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

이상 설명한 바와같이, 본 발명에 따라 멤브레인을 575℃이하의 저온에서 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정에 의해 아몰퍼스 실리콘으로 형성한 후 인슈츠 어닐링 공정으로 스트레스를 조절하며 폴리 실리콘으로 변환함으로써 종래의 고온 공정에 따른 아웃 개싱 발생, 모스(MOS) 구조의 파괴 등의 문제점을 방지하여 박막형 광로 조절 장치의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. M×N(M, N은 정수) 배열의 능동 소자를 구비하는 구동 기판의 상부에 상기 능동 소자 각각에 대응해서 멤브레인, 변형부, 하부전극, 상부전극으로 이루어지는 액츄에이터를 형성하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법에 있어서,

   상기 멤브레인은,

   아몰퍼스 실리콘으로 형성하는 단계와;

   상기 아몰퍼스 실리콘을 열처리해서 다결정 실리콘으로 다결정화하는 단계로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은, 575℃이하에서 저압 화학 기상 증착 기법에 의해서 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 멤브레인을 다결정화하기 위한 열처리 공정은,

   575℃∼650℃의 온도범위 내에서 인슈츠 어닐링(In-Situ Anealing)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로 조절 장치의 제조 방법.