KR100459409B1 - 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법은 브릿지 형의 리본을 사용하여 기계적인 구동시 응력이 집중되어, 그 구동의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 멤브레인형 기판의 중앙부에서 상하부면이 노출되며, 기판에 평행한 평면구조이며, 실리콘 질화막과 금속이 적층된 리본과; 상기 리본에 선택적으로 접지전압 또는 구동전압을 인가하는 제1 및 제2전극과; 상기 전극중 접지전압을 인가하는 전극에만 선택적으로 연결되며, 상기 리본의 상부측으로 소정거리 이격된 브리지형의 도금층 접지전극을 포함하여 구성되는 공간 광 모듈레이터를 표면 미세 가공 기술과 벌크 미세 가공 기술을 혼합 사용하여 제조하여, 공간 광 모듈레이터에서 광을 반사하는 리본을 브릿지형이 아닌 기판과 평행한 평면형으로 형성하여, 구동시 응력이 집중되는 것을 방지하여 기계적인 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 금속과 실리콘 질화막이 적층된 리본을 사용하여, 실리콘 질화막의 반사특성의 우수성과 기계적 탄성의 우수성을 살려, 리본의 복원력을 향상시킴과 아울러 반복적인 구동에 의해서도 구동거리가 변경되지 않도록 함으로써, 공간 광 모듈레이터의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

Description

공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법{SPATIAL LIGHT MODULATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 구조 및 제조공정을 단순화하며, 리본의 기계적 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

레이저 빔을 이용한 디스플레이 방식 중 최근에 개발된 격자 광 밸브(GRATING LIGHT VALVE) 방식은 빔의 회절 현상을 이용하여 화상을 구성하는 방법이다.

이 방식은 명암, 색상 등이 우수한 특성을 나타낸다. 상기 격자 광 밸브에서 광의 회절을 위한 공간 광 모듈레이터는 표면의 미세 가공(SURFACE MICRO MACHINING) 기술을 이용하여 제작한 것으로, 실리콘 기판 상에 마이크로 브릿지 형태의 리본을 형성하고, 그 리본을 다수 단위로 하는 픽셀로 구성된다.

이하, 상기와 같은 구조의 종래 공간 광 모듈레이터의 구성 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

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

상기 기판(1)은 실리콘 기판이며, 상기 절연층(2)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막과 같은 유전막이다.

상기 고온용 금속막인 하부전극(3)은 텅스텐을 사용한다.

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.

도2a는 상기 모든 리본(4)에 전압이 인가되지 않은 경우 입사된 광이 그대로 반사되는 것의 모식도이고, 도2b는 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 공간 광 모듈레이터의 동작에서 전압이 인가된 리본(4)이 기판(1)측으로 내려가는 거리는 조사되는 광의 파장의 1/4이 되어야 최적의 회절효율을 얻을 수 있다.

도3은 상기 GLV를 이용한 투사장치의 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(31)의 광을 GLV(32)측으로 반사함과 아울러 GLV(32)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 프리즘(33)과; 상기 GLV(32)에서 회절된 광을 집속하여 스크린(35)에 표시하는 렌즈(34)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 공간 광 모듈레이터의 리본(4)에 전압이 인가되지 않아 공간 광 모듈레이터의 표면이 거울면 처럼 평탄하게 위치하는 경우 조사되는 광원(31)의 광은 수직으로 반사되며, 이를 0차광이라고 하고, 상기 리본(4)의 일부에 전압이 인가되어 공간 광 모듈레이터의 반사면에 단차가 발생하여 회절되는 광을 ±1차광이라고 하면, 상기 0차광과 ±1차광이 중첩되지 않는 부분에 상기 프리즘(33)을 위치시켜 렌즈(34)에 ±1차광 만이 도달할 수 있도록 하며, 상기 렌즈(34)를 통해 집속된 광은 스크린(35) 상에 표시된다.

그러나 상기와 같은 종래 공간 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.

또한, 상기 브릿지형의 리본(4)을 형성하기 위하여, 희생층을 사용하며, 공정 후에는 희생층을 제거하는 공정이 필요하기 때문에 공정이 용이하지 않은 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 브릿지 형태의 리본을 사용하지 않고, 광을 변조시키는 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판과 평행한 평면구조의 리본을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 리본은 높은 기계적 탄성을 가지도록 금속과 실리콘 질화막이 적층된 형태임을 특징으로 한다.

상기 구조를 구현하기 위하여 도금에 의한 표면 미세 가공 기술과 기판을 선택적으로 식각하는 벌크 미세 가공 기술을 혼합하여 사용하는 제조방법을 사용함을 그 구성적 특징으로 한다.

도1은 종래 공간 광 모듈레이터의 사시도.

도2a 및 도2b는 각각 공간 광 모듈레이터의 동작에 따른 반사광 형태의 모식도.

도3은 일반적인 공간 광 모듈레이터를 사용한 투사장치의 구성도.

도4a 내지 도4c는 본 발명 공간 광 모듈레이터의 제조공정 수순 사시도.

도5는 본 발명 공간 광 모듈레이터의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:실리콘 기판 11:실리콘 질화막

12:접지패드 13:접지배선

14, 18:절연막 16:고정 리본 반사막

16',17':전극 17:구동 리본 반사막

21:희생층 22:시드 금속층

23:도금층 접지전극

상기와 같이 구성되는 본 발명을 그 실시예를 통해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도4a 내지 도4c는 본 발명 광모듈레이터의 제조공정 수순사시도로서, 이에도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)의 상부면에 실리콘 질화막(11)을 증착하고, 그 실리콘 질화막(11)의 상부일부에 접지패드(12) 및 접지배선(13)을 형성한 후, 상기 접지배선(13) 상에 절연막(14)을 형성하고, 상기 절연막(14)에 콘택홀을 형성하여, 접지배선(13)의 일부를 노출시킨 후, 고정 리본 반사막(16), 전극(16'), 구동 리본 반사막(17), 전극(17')을 형성한 후, 상기 실리콘 질화막(11)의 노출된 부분을 건식식각하는 단계(도4a)와; 상기 구조의 상부전면에 절연막(18)을 증착하고, 그 절연막(18)을 패터닝하여 전극(16', 17') 및 상기 접지패드(12)의 상부일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 상기 고정 및 구동 리본 반사막(16, 17)의 상부를 노출시키는 패턴을 형성하고, 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)의 상부측에 희생층(21)을 형성하는 단계(도4b)와; 상기 희생층(21)의 상부 및 그 측면일부에 시드 금속층(22)을 형성한 후, 그 시드 금속층(22)에 금속을 도금하여 도금층 접지전극(23)을 형성한 다음, 상기 희생층(21)을 제거한 후, 기판의 저면 중앙부를 식각하여, 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)의 하부측 실리콘 질화막(11)이 노출되도록 하는 단계(도4c)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 공간 광 모듈레이터 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도4a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)의 상부전면에 실리콘 질화막(11)을 증착한다.

이때, 실리콘 질화막(11)은 기계적 탄성이 우수한 것이며, 실리콘 질화막(11)이 실질적으로 구동 리본으로 작용한다.

상기 실리콘 질화막(11)은 저압 화학기상증착법(LPCVD)을 통해 증착한다.

그 다음, 상기 실리콘 질화막(11)의 상부전면에 텅스텐, 텅스텐실리사이드 또는 몰리브덴과 같은 고온용 금속막(REFRACTORY METAL FILM)을 스퍼터링법으로 형성한다.

그 다음, 상기 증착된 고온용 금속막을 패터닝하여 접지패드(12)와 접지배선(13)을 형성한다.

상기 도면에서 알 수 있듯이 상기 접지패드(12)는 기판(10)의 상부면에서 좌측의 일면에 하나의 패턴으로 형성되며, 그 접지패드(12)와 연결되는 접지배선(13)은 U자형으로 형성된다.

그 다음, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연막(14)을 증착하고, 패터닝하여 상기 접지배선(13)의 상부와 그 주변의 실리콘 질화막(11)의 일부에만 위치하는 절연막(14) 패턴을 형성한다.

그 다음, 상기 절연막(14)에 콘택홀을 형성하여 부분적으로 상기 접지배선(13)을 노출시킨다.

이때, 콘택홀이 형성되는 부분은 이후에 고정 리본 반사막 전극(16')이 연결되는 부분이다.

그 다음, 상기 구조의 상부전면에 알루미늄 또는 금을 스퍼터링법으로 증착한다. 이때, 알루미늄 또는 금을 사용하는 이유는 광의 반사도가 우수한 금속을 사용하기 위함이다.

그 다음, 상기 증착된 알루미늄 또는 금을 패터닝하여 고정 리본반사막(16), 전극(16'), 구동 리본 반사막(17), 전극(17')을 형성한다.

상기 고정 리본 반사막(16)이 연결되는 전극(16')은 상기 형성한 콘택홀을 통해 접지배선(13)과 연결되는 것이며, 구동 리본 반사막(17)이 연결되는 전극(17')은 접지전극(12)과 평행한 위치까지, 즉 실리콘 질화막(11)의 상부측으로 연장되도록 형성한다.

상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17) 각각은 한의 전극(16'),(17')에 대하여 복수개가 연결되며, 도면에서는 각각 3개의 반사막(16,17)이 전극(16',17')에 연결되는 예를 도시하였다.

또한, 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)은 각각 마주하는 위치에서 상호 교변하여 위치하도록 배치된다.

그 다음, 상기 고정 리본 반사막(16), 구동 리본 반사막(17) 및 각 전극(12, 16', 17')를 하드 마스크로 사용하는 건식식각공정으로 상기 노출되어 있는 실리콘 질화막(11)의 상부일부를 건식식각한다.

상기 건식식각되는 실리콘 질화막(11)의 두께는 실질적으로 리본의 두께가 되므로, 적당한 두께를 선택하여 식각하며, 리본의 두께 조정이 용이하게 된다.

그 다음, 도4b에 도시한 바와 같이 상기 구조의 상부전면에 실리콘 산화막 등의 절연막(18)을 증착한다.

그 다음, 상기 절연막(18)을 패터닝하여 리본 반사박(16, 17)이 노출되도록 하고, 상기 전극(16', 17') 및 상기 접지패드(12)의 상부일부를 노출시키는 콘택홀을 형성한다.

그 다음, 상기 구조의 상부전면에 폴리이미드(POLYIMIDE)와 같은 유기막을 도포하고, 패턴을 형성하여 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)의 상부측에 희생층(21)을 형성한다.

그 다음, 도4c에 도시한 바와 같이 상기 희생층의 상부 및 그 측면 일부에 시드 금속층(22)을 형성한다.

이때 시드 금속층은 상기 전극(16')의 상부를 노출시키는 콘택홀에 채워지도록 형성한다.

즉, 상기 희생층(21)을 사이에 두고, 상기 고정 리본 반사막(16)이 연결되는 각 전극(16')를 연결하도록 형성한다.

그 다음, 상기 시드 금속층에 금이나 구리 전해용액을 이용하여 수㎛의 두께를 가지는 도금층 접지전극(23)을 도금하여 형성한다.

그 다음, 상기 희생층(21)을 선택적으로 제거한다.

그 다음, 상기 기판의 후면에 실리콘 질화막(24)을 형성하고, 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)의 하부측 실리콘 질화막(24)을 제거한 후, 노출되는 기판(10)의 저면 중앙부를 식각하여, 기판(10)을 멤브레인형으로 형성하여, 고정 리본 반사막(6)과 구동 리본 반사막(17)의 하부측 실리콘 질화막(11)이 노출되도록 한다.

그 다음, 상기 노출된 실리콘 질화막(11)의 하부를 소정의 두께로 식각하여, 상기 구동 리본 반사막(17)과 고정 리본 반사막(16)의 하부에만 상기 실리콘 질화막(11)이 잔존하도록 한다.

상기와 같이 실리콘 질화막(11)의 저면을 식각하여, 각 반사막(16, 17)의 저면에만 상기 실리콘 질화막(11)이 잔존하도록 하는 공정은, 이전의 공정에서 상기 구동 리본 반사막(17)과 고정 리본 반사막(16)의 주변에 노출된 실리콘 질화막(11)을 소정의 깊이로 식각하였으므로, 저면은 그 두께를 일정하게 식각하여도, 상기 각 반사막(16,17)의 저면에만 실리콘 질화막(11)을 잔존시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 형성된 구동 리본 반사막(17)은 전극(17')에 고전압이 인가되고, 도금층 접지전극(23)과의 전압차에 의해 구동되며, 고정 리본 반사막(16)은 전극(16')에 접지전압이 인가되어 도금층 접지전극(23)과 전압차가 없으므로, 구동되지 않고 고정된다.

이와 같은 제조공정을 통해 제조된 본 발명은 구동 리본 반사막(17)과 고정 리본 반사막(16)이 기판(10)과 수평한 형태이며, 종래와 같이 브릿지 구조가 아니므로 응력의 집중에 의한 구동불량을 방지할 수 있게 된다.

도5는 상기 도4c에 있어서, A-B방향의 단면을 도시한 본 발명 공간 광 모듈레이터의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 중앙부에 천공이 형성된 멤브레인형 기판(10)과; 상기 기판(10)의 천공 부분의 상부측에서 상기 기판(10)의 상부면과 평행하게 위치하는 고정 리본 반사막(16) 및 구동 리본 반사막(17)과; 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)의 저면에 위치하는 실리콘 질화막(11)과; 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17) 각각에 연결되는 전극(16', 17')과; 상기 전극(16')에 연결되는 접지배선(13)과; 상기 전극(16')에 연결됨과 아울러 상기 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)과는 상부측으로 소정거리 이격된 도금층 접지전극(23)을 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성적 특징은 기판(10)과 광을 회절시키는 고정 리본 반사막(16) 및 구동 리본 반사막(17)이 평행한 것이며, 그 고정 리본 반사막(16)과 구동 리본 반사막(17)이 브릿지 형이 아닌 평면형으로 구성되어, 응력이 집중되는 부분이 없어 그 리본의 구동시 기계적인 안정성 및 신뢰성이 보장된다.

또한, 리본과 실리콘 질화막(11)을 접합하여 사용함으로써, 실리콘 질화막(11)을 사용하여 광의 반사가 이루어지도록 함과 아울러 그 실리콘 질화막(11)의 특징인 기계적 탄성의 우수성에 의해 구동후 원 상태로의 복원이 용이하며, 반복 적인 구동에 의해 그 구동 거리에 변화가 생기지 않아, 공간 광 모듈레이터의 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 공간 광 모듈레이터 및 그 제조방법은 공간 광 모듈레이터에서 광을 반사하는 리본을 브릿지형이 아닌 기판과 평행한 평면형으로 형성하여, 구동시 응력이 집중되는 것을 방지하여 기계적인 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 금속과 실리콘 질화막이 적층된 리본을 사용하여, 실리콘 질화막의 반사특성의 우수성과 기계적 탄성의 우수성을 살려, 리본의 복원력을 향상시킴과 아울러 반복적인 구동에 의해서도 구동거리가 변경되지 않도록 함으로써, 공간 광 모듈레이터의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

그리고, 공정을 단순화시켜 수율을 향상시키며, 대량생산에 용이한 효과가있다.

Claims (8)

1. 실리콘 질화막이 형성된 기판의 상부에 접지패드 및 그 접지패드에 연결되는 접지배선을 형성하는 단계와; 상기 접지배선의 상부에 절연막을 형성하고, 그 절연막에 다수의 콘택홀을 형성하여 접지배선의 일부를 노출시키는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 금속을 증착하고 패터닝하여, 상기 노출된 접지배선에 연결되는 제1전극과, 연결되지않는 제2전극을 형성함과 아울러 상기 제1전극과 제2전극의 일측에 접하며, 상호 교차되어 위치하는 리본을 형성하는 단계와; 상기 리본의 주변에 노출된 실리콘 질화막을 소정 깊이로 식각하는 단계와; 상기 구조의 상부전면에 절연막을 증착하고, 상기 접지전극 및 제1전극, 제2전극 및 리본을 노출시키는 패턴을 형성하는 단계와; 상기 리본과는 소정거리 이격되며, 상기 접지전극 및 제1전극에 연결되는 도금층 접지전극을 형성하는 단계와; 상기 기판을 멤브레인형으로 형성하고, 노출되는 실리콘 질화막의 저면을 소정의 두께로 식각하여 상기 리본의 저면에만 실리콘 질화막을 잔존시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 도금층 접지전극을 형성하는 단계는 상기 노출된 리본영역의 상부에 폴리이미드 희생층을 형성하는 단계와; 상기 폴리이미드 희생층의 상부 및 상기 콘택홀을 통해 노출된 제1전극에 연결되는 시드 금속층을 형성하는 단계와; 상기 시드 금속층의 상부에 도금을 통해 도금층 접지전극을 형성하는 단계와; 상기 폴리이미드 희생층을 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 멤브레인형으로 형성하는 단계는 기판의 저면에 실리콘 질화막을 형성하고, 그 실리콘 질화막의 중앙부를 식각하여 기판의 중앙부를 노출시키는 단계와; 상기 노출된 기판을 식각하여 상기 리본의 하부측에 위치하는 실리콘 질화막을 노출시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 접지전극과 접지배선은 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 몰리브덴 중 선택된 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터 제조방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 도금층 접지전극은 금 또는 구리 전해용액을 사용하여, 수㎛의 두께로 도금하여 형성하는 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터 제조방법.
6. 멤브레인형 기판의 중앙부에서 상하부면이 노출되며, 기판에 평행한 평면구조이며, 실리콘 질화막과 금속이 적층된 리본과; 상기 리본에 선택적으로 접지전압 또는 구동전압을 인가하는 제1 및 제2전극과; 상기 전극중 접지전압을 인가하는 전극에만 선택적으로 연결되며, 상기 리본의 상부측으로 소정거리 이격된 브리지형의 도금층 접지전극을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터.
7. 제 6항에 있어서, 상기 접지전압을 인가하는 전극은 하부의 절연막에 형성된 콘택홀을 통해 접지전극에 연결되는 접지배선과 연결되는 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터.
8. 제 6항에 있어서, 상기 리본은 접지전압을 인가하는 제1전극에 연결된 리본과, 구동전압을 인가하는 제2전극에 연결된 리본이 평면상에서 상호 교번하여 위치하는 것을 특징으로 하는 공간 광 모듈레이터.