KR100601481B1 - 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법 - Google Patents

회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하부 지지대상에 하부 보호층을 형성하여 식각시에 하부 지지대의 과식각을 방지함으로써, 하부 지지대 및 마이크로 미러의 표면 평탄도를 향상시킨 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광변조기, 회절형 광변조기, MEMS, 압전, 마이크로 미러

Description

회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법{Diffractive thin-film piezoelectric optical modulator and method for fabricating the same}
도 1은 종래의 정전기 방식 격자 광변조기의 사시도이다.
도 2는 종래의 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4m은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법의 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부유부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6k는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부유부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법의 흐름을 나타내는 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200, 300 : 회절형 박막 압전 광변조기 201, 301 : 기판
202, 302 : 식각방지층 203, 303 : 하부 지지대
204, 304 : 하부 보호층 205, 305 : 하부 전극층
206, 306 : 압전 재료층 207, 307 : 상부 전극층
208, 308 : 마이크로 미러 209, 309 : 희생층
210, 310 : 마스크층 A : 함몰부
B : 부유부
본 발명은 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부 지지대와 하부 전극간에 하부 보호층을 형성하여 하부 지지대의 표면 평탄도를 향상시킴으로써, 마이크로 미러의 표면 평탄도를 향상시킨 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체소자 제조공정을 이용하여 마이크로 미러, 마이크로렌즈, 스위치 등의 마이크로 광학부품 및 마이크로 광센서, 마이크로 바이오칩, 마이크로 무선통신소자를 제작하는 마이크로머시닝 기술이 개발되고 있다. 이러한 마이크로머시닝 기술과 이 기술로 제작한 소자 및 시스템을 일컫는 MEMS(Micro Electro-Mechanical system) 분야가 하나의 제작기술분야 및 응용분야로서 자리잡아가고 있다.
특히, 마이크로 미러는 대형 화상표시장치, 광신호분배기, 바코드스캐너, 광신호감쇠기에 적용되어 상용화되어 있거나 상용화 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래의 정전기 방식 격자 광변조기의 사시도로서, 미국특허번호 제 5,311,360 호에 개시되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 미국특허번호 제 5,311,360 호에 개시된 광변조기 (10)는 반사 표면부를 가지며 기판(16) 상부에 부유(suspended)하는 다수의 일정하게 이격된 변형 가능 반사형 리본(18)을 포함한다. 절연층(11)이 실리콘 기판(16)상에 증착된다. 다음으로, 희생 이산화실리콘층(12)의 증착이 후속한다.
이산화실리콘층(12)의 일부가 식각되어 리본(18)이 질화물 프레임(20)에 의해 이산화실리콘층(12)상에 유지되어 있다.
단일 파장 λ0을 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리본(18)의 두께와 이산화실리콘층(12)의 두께가 λ0/4가 되도록 설계된다.
리본(18)상의 반사 표면과 기판(16)의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기(10)의 격자 진폭은 리본(18)과 기판(16)사이에 전압을 인가함으로써 제어된다.
그러나, 미국특허번호 제 5,311,360 호에 개시된 광변조기는 마이크로 미러의 위치 제어를 위해서 정전기 방식을 이용하는데, 이 경우 동작 전압이 비교적 높으며(보통 30V 내외) 인가전압과 변위의 관계가 선형적이지 않은 등의 문제점이 있기 때문에, 결과적으로 광을 조절하는데 신뢰성이 높지 않는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 박막 압전 방식의 광변조기가 제안되었다.
도 2는 종래의 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 회절형 박막 압전 광변조기(100)는 실리콘 기판(101), 상기 실리콘 기판(101)상에 형성된 하부 지지대(102), 상기 하부 지지 대(102)의 양측에 위치하는 하부 전극층(103), 상기 하부 전극층(103)상에 형성된 압전 재료층(104), 상기 압전 재료층(104)상에 형성된 상부 전극층(105), 및 상기 하부 지지대(102)의 중앙에 위치하는 마이크로 미러(106)를 포함한다.
이러한 종래의 회절형 박막 압전 광변조기(100)는 하부 전극층(103)과 상부 전극층(105)에 전압이 인가되면 압전 재료층(104)이 수축 및 팽창하여 하부지지대(102)와 마이크로 미러(106)가 상하 운동을 하게 된다.
그러나, 종래의 회절형 박막 압전 광변조기(100)는 마이크로 미러(106)를 형성하기 위하여 하부 전극층(103), 압전 재료층(104) 및 상부 전극층(105)의 중앙 부분을 식각할 때, 과식각(over-etching)이 발생하여 하부 지지대(102)의 중앙 부분도 식각되는 문제점이 있었다.
따라서, 종래의 회절형 박막 압전 광변조기(100)는 하부 지지대(102)의 중앙 부분의 표면이 거칠기 때문에, 이후 형성되는 마이크로 미러(106)의 표면도 거칠어지는 문제점이 있었다.
이러한 마이크로 미러(106)의 표면의 거칠기 때문에, 종래의 회절형 박막 압전 광변조기(100)는 마이크로 미러(106)의 반사도가 저하되고, 회절형 박막 압전 광변조기(100)의 광효율도 저하되는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 하부 지지대의 표면 평탄도를 향상시켜 마이크로 미러의 표면 평탄도를 향상시키는 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 1 관점에 따른 회절형 박막 압전 광변조기는 중앙 부분에 에어 스페이스를 제공하기 위한 함몰부가 형성되어 있는 기판; 중앙 부분이 상기 기판의 함몰부로부터 이격되도록 양끝단의 하면이 상기 기판의 함몰부를 벗어난 양측에 부착되어 있으며, 상기 기판의 함몰부로부터 이격된 부분이 상하 이동가능한 하부 지지대; 상기 하부 지지대의 양측에 각각 적층되어 있으며, 제조시 상기 하부 지지대의 과식각을 방지하는 하부 보호층; 상기 하부 보호층상에 각각 형성되며, 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 하부 전극층; 상기 하부 전극층상에 각각 형성되며, 압전 전압이 인가되면 수축 및 팽창 구동력을 발생시키는 한 쌍의 압전 재료층; 상기 압전 재료층상에 형성되며, 상기 하부 전극층과 함께 상기 압전 재료층에 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 상부 전극층; 및 상기 하부 지지대의 중앙 부분에 적층되어 있으며, 외부로부터 입사되는 광선을 반사시키는 마이크로 미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 1 관점에 따른 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법은 (A) 기판에 함몰부를 형성하는 단계; (B) 상기 기판의 함몰부에 희생층을 형성하는 단계; (C) 상기 기판상에 하부 지지대를 형성하고, 상기 하부 지지대상에 하부 보호층, 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계; (D) 상기 기판의 희생층 영역의 상부에 형성된 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층을 순차적으로 식각하여 제거하는 단계; 및 (E) 상기 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층에 제거된 상기 하부 지지대상에 마이크 로 미러를 형성하고, 상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 2 관점에 따른 회절형 박막 압전 광변조기는 기판; 에어 스페이스를 제공하도록 중앙 부분이 상기 기판으로부터 이격되어 부유하고 있고, 양끝단의 하면이 각각 상기 기판에 부착되어 있으며, 상기 기판으로부터 이격된 중앙 부분이 상하 이동가능한 하부 지지대; 상기 하부 지지대의 양측에 각각 적층되어 있으며, 제조시 상기 하부 지지대의 과식각을 방지하는 하부 보호층; 상기 하부 보호층상에 각각 형성되며, 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 하부 전극층; 상기 하부 전극층상에 각각 형성되며, 압전 전압이 인가되면 수축 및 팽창 구동력을 발생시키는 한 쌍의 압전 재료층; 상기 압전 재료층상에 형성되며, 상기 하부 전극층과 함께 상기 압전 재료층에 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 상부 전극층; 및 상기 하부 지지대의 중앙 부분에 적층되어 있으며, 외부로부터 입사되는 광선을 반사시키는 마이크로 미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 2 관점에 따른 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법은 (A) 기판상에 패턴화된 희생층을 형성하는 단계; (B) 상기 기판상에 하부 지지대를 형성하고, 상기 하부 지지대상에 하부 보호층, 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계; (C) 상기 기판의 희생층 영역의 상부에 형성된 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층을 순차적으로 식각하여 제거하는 단계; 및 (D) 상기 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호 층에 제거된 상기 하부 지지대상에 마이크로 미러를 형성하고, 상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 함몰부(A)를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(200)는 함몰부(A)가 형성되어 있는 기판(201), 양끝단의 하면이 상기 기판(201)의 함몰부(A)를 벗어난 양측에 부착되어 있는 하부 지지대(203), 상기 하부 지지대(203)의 양측에 각각 적층되어 있는 하부 보호층(204), 상기 하부 보호층(204)상에 각각 형성된 한 쌍의 하부 전극층(205), 상기 하부 전극층(205)상에 각각 형성된 한 쌍의 압전 재료층(206), 상기 압전 재료층(206)상에 각각 형성된 한 쌍의 상부 전극층(207), 및 상기 하부 지지대(203)의 중앙 부분에 위치하는 마이크로 미러(208)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 함몰부(A)를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(200)는 에어 스페이스(air space)를 형성하기 위한 희생층 제거시에 기판(201)의 식각을 방지하도록 상기 기판(201)상에 형성된 식각방지층(202)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
기판(201)은 중앙 부분에 에어 스페이스를 제공하기 위한 함몰부(A)가 형성되어 있으며, 실리콘에 기반을 둔 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
식각방지층(202)은 함몰부(A)가 형성된 기판(201)상에 형성되며, 에어 스페 이스를 형성하기 위한 희생층 제거시에 기판(201)의 식각을 방지하는 역할을 한다. 기판(201)이 실리콘 기판(201)인 경우, 식각방지층(202)은 열산화 등의 방법으로 형성되는 SiO2층일 수 있다.
하부 지지대(203)는 양끝단의 하면이 기판(201)의 함몰부(A)를 벗어난 양측에 부착되며, 기판(201)의 함몰부(A)에 이격된 부분인 중앙 부분이 상하 이동가능하다. 이러한 하부 지지대(203)를 구성하는 물질은 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 등), 실리콘 질화물(예를 들면, Si3N4 등), 세라믹 물질(예를 들면, Si, ZrO2 , Al2O3 등), SiC 등으로 이루어질 수 있다.
하부 보호층(204)은 하부 지지대(203)의 양측에 각각 적층되어 있으며, 하부 전극층(205) 제거시에 하부 지지대(203)의 식각을 방지하는 역할을 한다.
바람직한 실시예에서, 하부 보호층(204)을 이루는 물질은 식각이 용이하고, 식각시에 하부 지지대(203)를 구성하는 물질에 비하여 식각 선택비가 높은 물질이면 어떠한 물질도 가능하다. 또한, 하부 보호층(204)을 이루는 물질은 저온에서 하부 지지대(203)상에 형성할 수 있는 물질인 것이 보다 바람직하다.
하부 전극층(205)은 하부 보호층(204)상에 형성되며, 압전 재료층(206)에 압전 전압을 제공하는 역할을 한다. 이러한 하부 전극층(205)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
압전 재료층(206)은 하부 전극층(205)상에 형성되며, 상하 양면에 형성된 상부 전극층(207) 및 하부 전극층(205)을 통하여 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 역할을 한다. 이러한 압전 재료층(206)을 구성하는 물질은 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료를 사용할 수 있으며, Pb, Zr, Zn, Ti 등으로 이루어진 군에서부터 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 압전 재료를 사용할 수도 있다.
상부 전극층(207)은 압전 재료층(206)상에 형성되며, 하부 전극층(205)과 마찬가지로 압전 재료층(206)에 압전 전압을 제공하는 역할을 한다. 이러한 상부 전극층(207)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, Ti/Pt, IrO2, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
마이크로 미러(208)는 하부 지지대(203)의 중앙 부분에 위치하며, 외부로부터 입사되는 광선을 반사시키는 역할을 한다. 이러한 마이크로 미러(208)를 구성하는 물질은 Ti, Cr, Cu, Ni, Al, Au, Ag, Pt, Au/Cr 등의 광반사 물질로 이루어질 수 있다.
도 4a 내지 도 4m은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법의 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 4a에서와 같이, 함몰부를 형성하기 위하여, 열산화 등의 방법을 이용하여 기판(201)상에 패턴화된 마스크층(210)을 형성한다.
여기서 기판(201)은 실리콘에 기반을 둔 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
도 4b에서와 같이, 마스크층(210)이 형성되지 않은 부분의 기판(201)을 식각하여 함몰부(A)를 형성한 후, 마스크층(210)을 제거한다.
여기서 기판(201)이 실리콘 기판인 경우, 식각액으로 TMAH 또는 KOH 등을 이용하는 습식 식각 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 기판(201)을 식각하는 방식은 식각액을 이용한 습식 식각 방식이 아닌 플라즈마 등을 이용한 건식 식각 방식을 사용할 수도 있다.
도 4c에서와 같이, 함몰부(A)가 형성된 기판(201)상에 열산화 등의 방법을 이용하여 식각방지층(202)을 형성한다.
여기서 기판(201)이 실리콘 기판인 경우, 식각방지층(202)은 SiO2층으로 이루어진다.
다른 실시예에서, 식각방지층(202)을 형성하는 공정은 사용목적 또는 용도에 따라 생략될 수 있다.
도 4d에서와 같이, 에어 스페이스를 형성하기 위하여, 기판(201)의 함몰부(A)에 폴리 실리콘 또는 비정질 실리콘 등을 증착하여 희생층(209)을 형성한 후, 희생층(209)의 상부에 폴리싱 공정을 수행하여 희생층(209) 표면을 평탄하게 만든다.
여기서 희생층(209)을 증착하는 방법은 저압 화학 기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD) 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 등의 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
도 4e에서와 같이, 기판(201)상에 형성된 식각방지층(202) 및 희생층(209)상 에 하부 지지대(203)를 형성한다. 이때, 하부 지지대(203)는 양끝단의 하면이 희생층(209)을 벗어난 양측의 식각방지층(202)상에 부착되도록 형성한다. 만약, 식각방지층(202)이 없는 경우, 하부 지지대(203)는 양끝단의 하면이 희생층(209)을 벗어난 양측의 기판(201)상에 부착되도록 형성한다.
여기서 하부 지지대(203)를 구성하는 물질은 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 등), 실리콘 질화물(예를 들면, Si3N4 등), 세라믹 물질(예를 들면, Si, ZrO2 , Al2O3 등), SiC 등을 사용할 수 있다.
도 4f에서와 같이, 하부 지지대(203)상에 하부 보호층(204)을 형성한다.
여기서 하부 보호층(204)을 이루는 물질은 식각이 용이하고, 식각시에 하부 지지대(203)를 구성하는 물질에 비하여 식각 선택비가 높은 물질이면 어떠한 물질도 가능하다. 또한, 하부 보호층(204)을 이루는 물질은 저온에서 하부 지지대(203)상에 형성할 수 있는 물질인 것이 보다 바람직하다.
도 4g에서와 같이, 스퍼터링법(sputter) 또는 기상증착법(evaporation) 등을 이용하여 하부 보호층(204)상에 하부 전극층(205)을 형성한다.
여기서 하부 전극층(205)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등을 사용할 수 있다.
도 4h에서와 같이, 스크린 프린팅(screen printing), 졸-겔 코팅(sol-gel coating) 등의 습식 방법, 및 스퍼터링법, 기상증착법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 건식 방법을 이용하여 하부 전극층(205)상에 압 전 재료층(206)을 형성한다.
여기서 압전 재료층(206)을 구성하는 물질은 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료를 사용할 수 있으며, Pb, Zr, Zn, Ti 등으로 이루어진 군에서부터 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 압전 재료를 사용할 수도 있다.
도 4i에서와 같이, 스퍼터링법 또는 기상증착법 등을 이용하여 압전 재료층(206)상에 상부 전극층(207)을 형성한다.
여기서 상부 전극층(207)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, Ti/Pt, IrO2, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
도 4j에서와 같이, 플라즈마 등의 건식 식각 방식을 이용하여 희생층(209) 영역의 상부에 형성된 상부 전극층(207) 및 압전 재료층(206)을 식각하여 제거한다.
도 4k에서와 같이, 플라즈마 등의 건식 식각 방식을 이용하여 희생층(209) 영역의 상부에 형성된 하부 전극층(205)을 식각하여 제거한다. 이때, 하부 보호층(204)이 하부 지지대(203)의 과식각을 방지함으로써, 이후 하부 지지대(203)의 표면의 평탄도를 유지할 수 있다.
도 4l에서와 같이, 식각액 등의 습식 식각 방식을 이용하여 희생층(209) 영역의 상부에 형성된 하부 보호층(204)을 식각하여 제거한다.
여기서 하부 보호층(204)의 식각액에 대한 식각 속도가 하부 지지대(203)의 식각액에 대한 식각 속도보다 높으므로, 식각액의 농도, 식각 시간, 식각 온도 등 의 조건을 조절하여 하부 보호층(204)만 선택적으로 제거할 수 있다.
도 4m에서와 같이, 상부 전극층(207), 압전 재료층(206), 하부 전극층(205) 및 하부 보호층(204)이 제거된 하부 지지대(203)상에 마이크로 미러(208)를 형성하고, XeF2 기체를 이용하여 희생층(209)을 식각하여 제거하면, 본 발명에 따른 함몰부(A)를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(200)가 제조된다.
여기서 마이크로 미러(208)를 구성하는 물질은 Ti, Cr, Cu, Ni, Al, Au, Ag, Pt, Au/Cr 등의 광반사 물질로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부유부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 단면도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 부유부(B)를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(300)는 기판(301), 중앙 부분이 상기 기판(301)에서 소정거리 이격되어 부유하고 있고 양끝단의 하면이 각각 상기 기판(301)에 부착되어 있는 하부 지지대(303), 상기 하부 지지대(303)의 양측에 각각 적층되어 있는 하부 보호층(304), 상기 하부 보호층(304)상에 각각 형성된 한 쌍의 하부 전극층(305), 상기 하부 전극층(305)상에 각각 형성된 한 쌍의 압전 재료층(306), 상기 압전 재료층(306)상에 각각 형성된 한 쌍의 상부 전극층(307), 및 상기 하부 지지대(303)의 중앙 부분에 위치하는 마이크로 미러(308)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 부유부(B)를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(300)는 에어 스페이스를 형성하기 위한 희생층 제거시에 기판(301)의 식각을 방지하도록 상기 기판(301)상에 형성된 식각 방지층(302)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
기판(301)은 실리콘에 기반을 둔 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
식각방지층(302)은 기판(301)상에 형성되며, 에어 스페이스를 형성하기 위한 희생층 제거시에 기판(301)의 식각을 방지하는 역할을 한다. 기판(301)이 실리콘 기판(301)인 경우, 식각방지층(302)은 열산화 등의 방법으로 형성되는 SiO2층일 수 있다.
하부 지지대(303)는 중앙 부분이 기판(301)에서 소정거리 이격되어 부유하고 있고, 양끝단의 하면이 각각 기판(301)에 부착되어 있으며, 소정거리 이격된 중앙 부분이 상하 이동가능하다. 이러한 하부 지지대(303)를 구성하는 물질은 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 등), 실리콘 질화물(예를 들면, Si3N4 등), 세라믹 물질(예를 들면, Si, ZrO2, Al2O3 등), SiC 등으로 이루어질 수 있다.
하부 보호층(304)은 하부 지지대(303)의 양측에 각각 적층되어 있으며, 하부 전극층(305) 제거시에 하부 지지대(303)의 식각을 방지하는 역할을 한다.
바람직한 실시예에서, 하부 보호층(304)을 이루는 물질은 식각이 용이하고, 식각시에 하부 지지대(303)를 구성하는 물질에 비하여 식각 선택비가 높은 물질이면 어떠한 물질도 가능하다. 또한, 하부 보호층(304)을 이루는 물질은 저온에서 하부 지지대(303)상에 형성할 수 있는 물질인 것이 보다 바람직하다.
하부 전극층(305)은 하부 보호층(304)상에 형성되며, 압전 재료층(306)에 압전 전압을 제공하는 역할을 한다. 이러한 하부 전극층(305)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
압전 재료층(306)은 하부 전극층(305)상에 형성되며, 상하 양면에 형성된 상부 전극층(307) 및 하부 전극층(305)을 통하여 전압이 인가되면, 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 역할을 한다. 이러한 압전 재료층(306)을 구성하는 물질은 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료를 사용할 수 있으며, Pb, Zr, Zn, Ti 등으로 이루어진 군에서부터 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 압전 재료를 사용할 수도 있다.
상부 전극층(307)은 압전 재료층(306)상에 형성되며, 하부 전극층(305)과 마찬가지로 압전 재료층(306)에 압전 전압을 제공하는 역할을 한다. 이러한 상부 전극층(307)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, Ti/Pt, IrO2, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
마이크로 미러(308)는 하부 지지대(303)의 중앙 부분에 위치하며, 외부로부터 입사되는 광선을 반사시키는 역할을 한다. 이러한 마이크로 미러(308)를 구성하는 물질은 Ti, Cr, Cu, Ni, Al, Au, Ag, Pt, Au/Cr 등의 광반사 물질로 이루어질 수 있다.
도 6a 내지 도 6k는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부유부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법의 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 6a에서와 같이, 열산화 등의 방법을 이용하여 기판(301)상에 식각방지층(302)을 형성한다. 다음으로, 에어 스페이스를 형성하기 위하여, LPCVD 또는 PECVD 등의 방법을 이용하여 식각방지층(302)상에 폴리 실리콘 또는 비정질 실리콘 등을 증착하여 희생층(309)을 형성한 후, 희생층(309)의 상부에 폴리싱 공정을 수행하여 희생층(309) 표면을 평탄하게 만든다. 그 다음으로, 열산화 등의 방법을 이용하여 희생층(309)상에 패턴화된 마스크층(310)을 형성한다.
여기서 기판(301)은 실리콘에 기반을 둔 기판(301)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 식각방지층(302)은 SiO2층으로 이루어진다.
다른 실시예에서, 식각방지층(302)을 형성하는 공정은 사용목적 또는 용도에 따라 생략될 수 있다.
도 6b에서와 같이, 마스크층(310)이 형성되지 않은 부분의 희생층(309)을 식각한 후, 마스크층(310)을 제거한다.
도 6c에서와 같이, 기판(301)상에 형성된 식각방지층(302) 및 희생층(309)상에 하부 지지대(303)를 형성한다. 이때, 하부 지지대(303)는 양끝단의 하면이 희생층(309)을 벗어난 양측의 식각방지층(302)상에 부착되도록 형성한다. 만약, 식각방지층(302)이 없는 경우, 하부 지지대(303)는 양끝단의 하면이 희생층(309)을 벗어난 양측의 기판(301)상에 부착되도록 형성한다.
여기서 하부 지지대(303)를 구성하는 물질은 실리콘 산화물(예를 들면, SiO2 등), 실리콘 질화물(예를 들면, Si3N4 등), 세라믹 물질(예를 들면, Si, ZrO2 , Al2O3 등), SiC 등을 사용할 수 있다.
도 6d에서와 같이, 하부 지지대(303)상에 하부 보호층(304)을 형성한다.
여기서 하부 보호층(304)을 이루는 물질은 식각이 용이하고, 식각시에 하부 지지대(303)를 구성하는 물질에 비하여 식각 선택비가 높은 물질이면 어떠한 물질도 가능하다. 또한, 하부 보호층(304)을 이루는 물질은 저온에서 하부 지지대(303)상에 형성할 수 있는 물질인 것이 보다 바람직하다.
도 6e에서와 같이, 스퍼터링법 또는 기상증착법 등을 이용하여 하부 보호층(304)상에 하부 전극층(305)을 형성한다.
여기서 하부 전극층(305)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등을 사용할 수 있다.
도 6f에서와 같이, 스크린 프린팅, 졸-겔 코팅 등의 습식 방법, 및 스퍼터링법, 기상증착법, MOCVD 등의 건식 방법을 이용하여 하부 전극층(305)상에 압전 재료층(306)을 형성한다.
여기서 압전 재료층(306)을 구성하는 물질은 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료를 사용할 수 있으며, Pb, Zr, Zn, Ti 등으로 이루어진 군에서부터 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 압전 재료를 사용할 수도 있다.
도 6g에서와 같이, 스퍼터링법 또는 기상증착법 등을 이용하여 압전 재료층(306)상에 상부 전극층(307)을 형성한다.
여기서 상부 전극층(307)을 구성하는 물질은 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, Ti/Pt, IrO2, RuO2 등으로 이루어질 수 있다.
도 6h에서와 같이, 플라즈마 등의 건식 식각 방식을 이용하여 희생층(309) 영역의 상부에 형성된 상부 전극층(307) 및 압전 재료층(306)을 식각하여 제거한다.
도 6i에서와 같이, 플라즈마 등의 건식 식각 방식을 이용하여 희생층(309) 영역의 상부에 형성된 하부 전극층(305)을 식각하여 제거한다. 이때, 하부 보호층(304)이 하부 지지대(303)의 과식각을 방지함으로써, 이후 하부 지지대(303)의 표면의 평탄도를 유지할 수 있다.
도 6j에서와 같이, 식각액 등의 습식 식각 방식을 이용하여 희생층(309) 영역의 상부에 형성된 하부 보호층(304)을 식각하여 제거한다.
여기서 하부 보호층(304)의 식각액에 대한 식각 속도가 하부 지지대(303)의 식각액에 대한 식각 속도보다 높으므로, 식각액의 농도, 식각 시간, 식각 온도 등의 조건을 조절하여 하부 보호층(304)만 선택적으로 제거할 수 있다.
도 6k에서와 같이, 상부 전극층(307), 압전 재료층(306), 하부 전극층(305) 및 하부 보호층(304)이 제거된 하부 지지대(303)상에 마이크로 미러(308)를 형성하고, XeF2 기체를 이용하여 희생층(309)을 식각하여 제거하면, 본 발명에 따른 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 광변조기(300)가 제조된다.
여기서 마이크로 미러(308)를 구성하는 물질은 Ti, Cr, Cu, Ni, Al, Au, Ag, Pt, Au/Cr 등의 광반사 물질로 이루어질 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 회절형 박막 압전 광변조기(200, 300)는 압전 재료층(206, 306)이 각각 단층인 경우에 대하여 설명하였으나, 저전압 구동을 위하여 압 전 재료층(206, 306)을 다층으로 구성할 수 있다. 이 경우, 하부 전극층(205, 305) 및 상부 전극층(207, 307)도 다층으로 구성된다.
즉, 아래에서부터 제 1 하부 전극층, 제 1 압전 재료층, 제 1 상부 전극층, 제 2 하부 전극층, 제 2 압전 재료층, 제 2 상부 전극층, …… 등으로 구성될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 설명하였으나, 이는 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 다양한 변화 및 변형이 가능함은 본 기술분야에서 통상적으로 숙련된 당업자에게 분명할 것이다. 하지만, 이러한 변화 및 변형이 본 발명의 범위 내에 속한다는 것은 이하 특허청구범위를 통하여 확인될 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법은 하부 지지대상에 하부 보호층을 형성하여 하부 전극층 제거시에 하부 지지대의 과식각을 방지함으로써, 하부 지지대의 표면 평탄도가 향상되므로, 마이크로 미러의 표면 평탄도도 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 회절형 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법은 마이크로 미러의 표면 평탄도가 우수하므로, 마이크로 미러의 반사도가 우수하고, 광효율도 향상되는 효과도 있다.

Claims (12)

  1. 중앙 부분에 에어 스페이스를 제공하기 위한 함몰부가 형성되어 있는 기판;
    중앙 부분이 상기 기판의 함몰부로부터 이격되도록 양끝단의 하면이 상기 기판의 함몰부를 벗어난 양측에 부착되어 있으며, 상기 기판의 함몰부로부터 이격된 부분이 상하 이동가능한 하부 지지대;
    상기 하부 지지대의 양측에 각각 적층되어 있으며, 제조시 상기 하부 지지대의 과식각을 방지하는 하부 보호층;
    상기 하부 보호층상에 각각 형성되며, 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 하부 전극층;
    상기 하부 전극층상에 각각 형성되며, 압전 전압이 인가되면 수축 및 팽창 구동력을 발생시키는 한 쌍의 압전 재료층;
    상기 압전 재료층상에 형성되며, 상기 하부 전극층과 함께 상기 압전 재료층에 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 상부 전극층; 및
    상기 하부 지지대의 중앙 부분에 적층되어 있으며, 외부로부터 입사되는 광선을 반사시키는 마이크로 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 지지대 아래의 상기 기판의 함몰부상에 형성되며, 상기 기판의 식 각을 방지하는 식각방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극층상에 순차적으로 적어도 하나씩의 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  4. 기판;
    에어 스페이스를 제공하도록 중앙 부분이 상기 기판으로부터 이격되어 부유하고 있고, 양끝단의 하면이 각각 상기 기판에 부착되어 있으며, 상기 기판으로부터 이격된 중앙 부분이 상하 이동가능한 하부 지지대;
    상기 하부 지지대의 양측에 각각 적층되어 있으며, 제조시 상기 하부 지지대의 과식각을 방지하는 하부 보호층;
    상기 하부 보호층상에 각각 형성되며, 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 하부 전극층;
    상기 하부 전극층상에 각각 형성되며, 압전 전압이 인가되면 수축 및 팽창 구동력을 발생시키는 한 쌍의 압전 재료층;
    상기 압전 재료층상에 형성되며, 상기 하부 전극층과 함께 상기 압전 재료층에 압전 전압을 제공하는 한 쌍의 상부 전극층; 및
    상기 하부 지지대의 중앙 부분에 적층되어 있으며, 외부로부터 입사되는 광 선을 반사시키는 마이크로 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 지지대 아래의 상기 기판상에 형성되며, 상기 기판의 식각을 방지하는 식각방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 상부 전극층상에 순차적으로 적어도 하나씩의 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기.
  7. (A) 기판에 함몰부를 형성하는 단계;
    (B) 상기 기판의 함몰부에 희생층을 형성하는 단계;
    (C) 상기 기판상에 하부 지지대를 형성하고, 상기 하부 지지대상에 하부 보호층, 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계;
    (D) 상기 기판의 희생층 영역의 상부에 형성된 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층을 순차적으로 식각하여 제거하는 단계; 및
    (E) 상기 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층에 제거된 상기 하부 지지대상에 마이크로 미러를 형성하고, 상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (A) 단계 이후에,
    (F) 상기 (D) 단계 및 상기 (E) 단계의 식각 과정에서 상기 기판의 식각을 방지하기 위하여, 상기 함몰부가 형성된 기판상에 식각방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (D) 단계의 상기 하부 보호층을 식각하여 제거하는 과정은 상기 하부 지지대를 구성하는 물질에 대한 식각 선택비보다 상기 하부 보호층을 구성하는 물질에 대한 식각 선택비가 높은 식각액을 이용하여 상기 하부 보호층을 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
  10. (A) 기판상에 패턴화된 희생층을 형성하는 단계;
    (B) 상기 기판상에 하부 지지대를 형성하고, 상기 하부 지지대상에 하부 보호층, 하부 전극층, 압전 재료층 및 상부 전극층을 순차적으로 형성하는 단계;
    (C) 상기 기판의 희생층 영역의 상부에 형성된 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층을 순차적으로 식각하여 제거하는 단계; 및
    (D) 상기 상부 전극층, 압전 재료층, 하부 전극층 및 하부 보호층에 제거된 상기 하부 지지대상에 마이크로 미러를 형성하고, 상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 (A) 단계 이전에,
    (E) 상기 (C) 단계 및 상기 (D) 단계의 식각 과정에서 상기 기판의 식각을 방지하기 위하여, 상기 기판상에 식각방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 (C) 단계의 상기 하부 보호층을 식각하여 제거하는 과정은 상기 하부 지지대를 구성하는 물질에 대한 식각 선택비보다 상기 하부 보호층을 구성하는 물질에 대한 식각 선택비가 높은 식각액을 이용하여 상기 하부 보호층을 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 회절형 박막 압전 광변조기의 제조방법.
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