KR100425686B1 - 광 모듈레이터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판의 상부에 절연층과 산화막을 순차적으로 증착하고, 상기 산화막의 중앙부를 식각하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고, 패터닝하여 상기 절연층의 중앙 상부에 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 비정질 실리콘을 증착하고, 평탄화하여 상기 산화막의 식각영역 내에 위치하는 비정질 실리콘 패턴을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 실리콘 질화막과 금속을 순차적으로 증착한 후, 그 실리콘 질화막과 금속을 패터닝하여 복수의 리본과 그 리본 상에 위치하는 상부전극을 형성하는 단계와; 상기 잔존하는 비정질 실리콘 패턴을 선택적으로 제거하는 단계를 통해, 기판상에 위치하는 절연층과; 상기 절연층의 중앙상부에 위치하는 하부전극과; 상기 절연층의 주변 상부에 위치하는 산화막과; 상기 산화막 상에 양측단이 위치하며, 중앙부가 상기 하부전극과는 소정거리 이격되는 복수의 직선형 리본과; 상기 복수의 리본 각각의 상부에 위치하는 상부전극으로 구성되는 광 모듈레이터를 제조하여 리본의 기계적인 구동에 의해 발생하는 응력을 산화막측으로 분산시켜 보다 안정적인 구동이 가능하며, 이에 따라 그 동작의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

광 모듈레이터 및 그 제조방법{OPTICAL MODULATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광 모듈레이터의 브릿지의 기계적인 안정성을 높여 그 동작의 신뢰성을 향상시키는데 적당하도록 한 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래 디스플레이에 사용되는 1차원 광 모듈레이터는 입사광을 회절시켜 변조시키는 것으로, 대표적인 것이 미국의 SLM(SILICON LIGHT MACHINE) 사의 GLV(GRATING LIGHT VALVE)이다. 이 GLV는 반사형으로서 그 속도 및 콘트라스트 특성이 우수하여 차기 디스플레이용 모듈레이터로 대두되고 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상기 GLV의 구조 및 동작 특성을 상세히 설명한다.

도1은 상기 GLV의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)의 상부에 절연막(2)이 위치하며, 그 절연막(2)의 상부일부에 텅스텐과 같은 고온용 금속막인 하부전극(3)이 위치하고, 그 하부전극(3)과는 소정거리 이격되며 양측단이 상기 절연막(2)에 접합된 브리지 형태의 복수의 리본(4)이 위치한다.

또한, 상기 복수의 리본(4)은 광반사도가 높으며, 상기 하부전극(3)에 대한 상부전극의 역할을 수행할 수 있는 도전물질을 사용하며, 이 예로는 알루미늄을 들수 있다.

상기 하부전극(3)과 상기 복수의 리본(4) 중 교번하는 위치의 리본(4)에 전압을 인가하면 그 전압이 인가된 리본(4)이 기판(1)측으로 휘어지게 되며, 주변의 전압이 인가되지 않는 리본(4)은 고정되어 있어, 기판(1)으로 부터 리본(4)의 이격거리를 변화시킬 수 있게 된다.

이와 같이 리본(4)의 일부의 상부면을 다른 리본(4)의 상부면에 대하여 동일평면 상에 있지 않도록 함으로써, 외부에서 입사되는 광에 대한 격자를 형성하게 되며, 그 격자에 의한 회절을 이용하여 광을 변조(MODULATION)할 수 있게 된다.

즉, 상기 복수의 리본(4) 중 전압을 인가할 수 있는 리본(4)에 전압을 인가하지 않으면 모든 리본(4)의 상부면은 모두 동일 평면상에 위치하게 되며, 이는 거울면과 동일한 효과를 나타내어 그 리본(4)의 상부면에 수직으로 입사되는 광을 그대로 반사하게 된다.

또한, 상기 복수의 리본(4) 중 전압을 인가할 수 있도록 구성된 리본(4)에 전압을 인가하면, 상기 설명한 바와 같이 그 전압이 인가된 리본(4)은 기판(1) 측으로 휘어지게 되어 리본(4)의 상부면은 격자형 구조를 나타내게 되어, 수직으로 조사되는 광을 회절시키게 된다.

도2는 상기 도1의 우측면도로서, 리본(4)과 하부전극(3)의 사이인 에어갭영역에서 상기 전압이 인가된 리본(4)이 기판(1)과의 이격거리가 줄어들도록 기계적으로 구동됨을 알 수 있다.

도3a는 상기 모든 리본(4)에 전압이 인가되지 않은 경우 입사된 광이 그대로 반사되는 것의 모식도이고, 도3b는 일부의 리본(4)에 전압이 인가되어 격자형 표면을 형성하여, 광이 회절되도록 하는 과정의 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 전압의 인가여부에 따른 반사면의 변화를 이용하여 광을 변조할 수 있게 된다.

상기 GLV의 동작에서 전압이 인가된 리본(4)이 기판(1)측으로 내려가는 거리는 조사되는 광의 파장의 1/4이 되어야 최적의 회절효율을 얻을 수 있다.

도4는 상기 GLV를 이용한 투사장치의 평면도 및 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(41)의 광을 GLV(42)측으로 반사함과 아울러 GLV(42)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 프리즘(43)과; 상기 GLV(42)에서 회절된 광을 집속하여 스크린(45)에 표시하는 렌즈(44)로 구성된다.

이와 같은 GLV(42)를 이용한 투사장치는 GLV(42)에서 회절된 광과 직접 반사되는 광원(41)의 광을 분리하여, 회절된 광 만을 사용하여 표시하게 되므로, 상기 반사되는 광과 회절되는 광을 정확하게 분리해야 콘트라스트가 향상된다.

상기 GLV(42)의 리본(4)에 전압이 인가되지 않아 GLV(42)의 표면이 거울면 처럼 평탄하게 위치하는 경우 조사되는 광원(41)의 광은 수직으로 반사되며, 이를 0차광이라고 하고, 상기 리본(4)의 일부에 전압이 인가되어 GLV(42)의 반사면에 단차가 발생하여 회절되는 광을 ±1차광이라고 하면, 상기 0차광과 ±1차광이 중첩되지 않는 부분에 상기 프리즘(43)을 위치시켜 렌즈(44)에 ±1차광 만이 도달할 수 있도록 하며, 상기 렌즈(44)를 통해 집속된 광은 스크린(45) 상에 표시된다.

그러나 상가와 같은 종래 광 모듈레이터는 브릿지형의 리본(4)이 상하의 기계적인 구동을 하여, 절연막(2)과의 접하는 부분인 브릿지 포스트에 응력(STRESS)이 집중되며, 이에 따라 기계적인 구성이 취약한 구조적인 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 종래 광 모듈레이터는 브릿지형의 리본이 전계에 의해 기계적으로 상하의 변위를 가지는 것을 이용하여 광을 변조하였으나, 그 브릿지형 리본의 기판과 접하는 부분인 포스트 부분에 응력이 집중되어 기계적으로 취약한 구조를 나타내며, 이에 따라 반복적인 동작으로 인하여 그 기판과 리본과의 이격거리에 변동이 발생하는 등 동작의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 상기 브릿지 포스트에 집중되는 응력을 분산 시킬 수 있는 광 모듈레이터 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 광 모듈레이터의 사시도.

도2는 도1의 우측면도.

도3a 및 도3b는 전압의 인가여부에 따른 반사광의 모식도.

도4는 도1을 이용한 표시장치의 구성도.

도5a 내지 도5g는 본 발명 광 모듈레이터의 제조공정 수순단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

50:기판 51:절연막

52:산화막 53:하부전극

54:비정질 실리콘 55:리본

56:상부전극

상기와 같은 목적은 기판의 상부에 절연층과 산화막을 순차적으로 증착하고, 상기 산화막의 중앙부를 식각하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고, 패터닝하여 상기 절연층의 중앙 상부에 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 비정질 실리콘을 증착하고, 평탄화하여 상기 산화막의 식각영역 내에 위치하는 비정질 실리콘 패턴을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 실리콘 질화막과 금속을 순차적으로 증착한 후, 그 실리콘 질화막과 금속을 패터닝하여 복수의 리본과 그 리본 상에 위치하는 상부전극을 형성하는 단계와; 상기 잔존하는 비정질 실리콘 패턴을 선택적으로 제거하는 단계를 통해 기판상에 위치하는 절연층과; 상기 절연층의 중앙상부에 위치하는 하부전극과; 상기 절연층의 주변 상부에 위치하는 산화막 지지층과; 상기 산화막 지지층 상에 양측단이 위치하며, 중앙부가 상기 하부전극과는 소정거리 이격되는 복수의 직선형 리본과; 상기 복수의 리본 각각의 상부에 위치하는 상부전극으로 구성되는 광 모듈레이터를 제조함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도5a 내지 도5g는 본 발명 광 모듈레이터의 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(50)의 상부에 절연막(51)을 형성하고, 그 절연막(51) 상에 산화막(52)을 증착하는 단계(도5a)와; 상기 산화막(52)의 중앙부를 식각하여 그 하부측의 절연막(51)을 노출시키는 단계(도5b)와; 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고, 패터닝하여 상기 노출된 절연막(51)의 중앙부에 위치하는 하부전극(53)을 형성하는 단계(도5c)와; 상기 구조의 상부전면에 비정질실리콘(54)을 증착하는 단계(도5d)와; 상기 증착된 비정질실리콘(54)을 연마하여 상기 산화막(52)의 식각영역 내에 위치하는 비정질실리콘(54) 패턴을 형성하는 단계(도5e)와; 상기 구조의 상부전면에 리본용 박막과 금속을 순차적으로 증착한 후, 패터닝하여 리본(55)과 그 리본(55) 상에 위치하는 상부전극(56)을 형성하는 단계(도5f)와; 상기 비정질실리콘(54) 패턴을 제거하는 단계(도5g)로 이루어진다.

이하, 상기와 같은 본 발명 광 모듈레이터 제조방법과 그 제조방법을 통해 얻어지는 광 모듈레이터의 구조에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.

먼저, 도5a에 도시한 바와 같이 기판(50)의 상부전면에 절연막(51)과 산화막(52)을 순차적으로 증착한다.

이때, 기판(50)은 실리콘 기판 또는 유리 기판 중 선택된 하나를 사용한다.그리고, 절연막(51)은 질화막(Si₃N₄)을 저압 화학기상증착법(LPCVD)을 사용하여 증착한다.

또한, 상기 산화막(52)도 저압 화학기상증착법을 사용하여 증착하며, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 리본의 기계적인 상하 이동 거리를 고려하여 그 높이를 결정하여 증착한다.

그 다음, 도5b에 도시한 바와 같이 사진식각공정을 통해 상기 산화막(52)의 중앙부를 선택적으로 식각하여 유리면인 절연막(51)의 중앙상부가 노출되도록 한다.

이때의 식각공정은 상기 절연막(51)의 유리면이 손상되지 않으며, 식각시간을 단축하기위해 2단계의 식각공정으로 진행한다. 즉 먼저, CHF₃가스를 사용하는 플라즈마 식각법으로 상기 산화막(52)의 전체 두께중 2/3이상의 두께를 제거한다. 이때 CHF₃가스는 식각선택비는 낮으나 산화막(52)의 식각이 빠른 시간내에 이루어진다.

그러나 상기 CHF₃가스를 계속사용하여 산화막(52)을 식각하게 되면, 상기 질화막인 절연막(51)과 산화막(52)과의 식각선택비가 좋지않아 상기 절연막(51)의 상부측도 식각되어 원하는 유리면을 획득할 수 없게 된다.

상기한 점을 고려하여 다음의 식각공정은 질화막과 산화막의 식각선택비가 우수한 산화물 애칭용액인 BOE(buffered oxide etchant)를 사용하여 잔류하는 산화막(52)을 모두 식각하여 그 하부의 절연막(51)의 유리면을 획득할 수 있게 된다.

그 다음, 도5c에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부에 금속을 증착하고 패터닝하여 상기 노출된 절연막(51)의 중앙부에 위치하는 하부전극(53)을 형성한다.

이때 하부전극(53)을 형성할때 사용하는 금속은 이후의 고온공정에서 안정한 턴스텐(W) 또는 텅스텐 실리사이드(WSi)와 같은 고온용 금속박막을 스퍼터링과 같은 박막 증착법을 사용하여 증착한 후, 패터닝하여 형성한다.

그 다음, 도5d에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 비정질 실리콘(54)을 증착한다. 이때 비정질 실리콘(54)은 희생층(sacrificial layer)으로 사용되어 지며, 상기 비정질실리콘(54)의 두께는 상기 산화막(52)이 식각된 두께 보다 두껍게 증착하여 상기 산화막(52)의 식각영역이 모두 메워지도록 증착한다.

그 다음, 도5e에 도시한 바와 같이 상기 증착된 비정질 실리콘(54)을 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 사용하여 상부로부터 평탄화하여 상기 식각되지 않은 산화막(52)의 표면이 노출될때까지 진행한다.

이와 같은 화학적 기계적 연마공정을 통해 잔존하는 비정질 실리콘(54)의 표면은 상기 산화막(52)의 시각되지 않은 영역의 표면과 동일 수준에 위치하게 된다. 즉, 상기 산화막(52)의 식각영역 내에만 상기 비정질 실리콘(54)이 잔존하게 된다.

그 다음, 도5f에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 리본 형성물질과 금속을 순차적으로 증착하고, 사진식각공정을 통해 패터닝하여 복수의 리본(55)과 그 리본(55)의 상부에 위치하는 상부전극(56)을 형성하게 된다.

이때 리본(55) 형성물질은 기계적인 탄성이 우수한 질화막(Si₃N₄)을 사용하며, 상기 상부전극(56)을 형성하는 금속은 알루미늄을 사용한다.

상기 복수의 리본(55)은 종래와 같이 브릿지형이 아닌 평면상에서 긴 형태를 나타내며, 이에 따라 종래와 같이 응력이 집중되는 부분이 없고, 상기 산화막(52)상에 위치하는 리본(55)의 일부에 의해 지지된다.

그 다음, 도5g에 도시한 바와 같이 상기 희생층인 비정질 실리콘(54)을 선택적으로 제거하여 상기 하부전극(53)과 리본(55)의 사이에 공기층을 형성하여 광 모듈레이터를 제작한다.

이때, 상기 비정질 실리콘(54)을 제거하는 공정은 비정질 실리콘을 선택적으로 제거할 수 있는 XeF₂가스를 사용하여 식각한다.

이처럼 광 모듈레이터를 제작한 후, 상기 상부전극(56)의 일부와 상기 하부전극(53) 사이의 전계에 의해 그 상부전극(56)에 전압이 인가된 리본(55)이 상기 하부전극(53) 측으로 휘어지는 기계적인 운동을 하게 된다.

이때의 기계적인 운동은 종래와 같이 브릿지형의 리본 구조에서는 산화막과 접하는 리본의 일부와, 그 산화막과는 단차를 가지는 리본의 일부를 연결하는 부분에 응력이 집중되었으나, 본 발명은 리본의 전영역의 단차가 동일하여, 리본이 기계적인 구동을 하는 경우에도 상기 산화막(52)과 접하는 리본(55)의 전면으로 응력이 분산됨으로써, 그 기계적인 구동에 대한 신뢰성이 증가하게 된다.

상기 본 발명의 광 모듈레이터의 구조를 다시 한번 정리하면, 기판(50)과; 그 기판(50)의 상부전면에 위치하는 절연막(51)과; 상기 절연막(51)의 상부 측면부에 위치하는 산화막(52)과; 상기 절연막(51)의 중앙상부에서 상기 산화막(52)과는 소정거리 이격됨과 아울러 상기 산화막(52)의 표면보다 낮은 단차의 표면을 가지는 하부전극(53)과; 상기 산화막(52)의 상부에 양측단이 위치함과 아울러 그 중앙부가 상기 하부전극(53)과는 일정거리 이격되도록 위치하는 복수의 리본(55)과; 상기 복수의 리본(55) 각각의 상부에 위치하는 상부전극(56)으로 구성된다.

상기 리본(55)은 전체가 수평방향으로 동일한 평면상에 위치하는 곧은 형태이며, 이와 같은 구조를 통해 그 리본(55)의 기계적인 구동시 발생하는 응력을 산화막(52) 측으로 분산시켜 기계적으로 안정한 동작을 하게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 광 모듈레이터 및 그 제조방법은 리본의 구조를 브릿지형이 아닌 직선형으로 변경함과 아울러 그 양측단의 하부에 지지구조를 산화막을 사용하여 구현함으로써, 그 리본의 기계적인 구동에 의해 발생하는 응력을 산화막측으로 분산시켜 보다 안정적인 구동이 가능하며, 이에 따라 그 동작의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 기판과; 상기 기판상에 위치하는 절연층과; 상기 절연층의 중앙상부에 위치하는 하부전극과; 상기 하부전극과는 소정거리 이격되는 상기 절연층의 상부에 위치하는 산화막과; 상기 산화막 상에 양측단이 위치하며, 중앙부가 상기 하부전극과는 소정거리 이격되는 복수의 직선형 리본과; 상기 복수의 리본 각각의 상부에 위치하는 상부전극으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 유리기판 또는 실리콘 기판 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 표면이 유리막인 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하부전극은 텅스텐 또는 텅스텐 실리사이드 중 선택된 하나이며, 상부전극은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 리본은 기계적인 탄성이 우수한 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터.
6. 기판의 상부에 절연층을 증착하고, 그 절연층의 상부에 산화막을 증착하는 단계와; 사진식각공정으로 상기 산화막의 중앙부를 식각하여 그 하부의 절연층을 노출시키는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고, 패터닝하여 상기 노출된 절연층의 중앙 상부에 하부전극을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 비정질 실리콘을 증착하고, 평탄화하여 상기 산화막의 식각영역 내에 위치하는 비정질 실리콘 패턴을 형성하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 실리콘 질화막과 금속을 순차적으로 증착한 후, 그 실리콘 질화막과 금속을 패터닝하여 복수의 리본과 그 리본 상에 위치하는 상부전극을 형성하는 단계와; 상기 잔존하는 비정질 실리콘 패턴을 선택적으로 식각하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 절연층은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 제조방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 산화막의 중앙부를 식각하는 단계는 CHF₃가스를 사용하는 플라즈마 식각법으로 상기 산화막의 중앙부를 1차적으로 식각하는 제1식각단계와; BOE(buffered oxide etchant)를 사용하여 잔류하는 상기 산화막의 중앙부를 식각하는 제2식각단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 제조방법.
9. 제 6항에 있어서, 상기 비정질 실리콘을 선택적으로 제거하는 단계는 XeF₂가스를 사용하는 식각공정으로 제거하는 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 제조방법.