KR100782001B1 - Spatial optical modulator with a protective layer - Google Patents
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Abstract
기판; 기판 상에 위치하는 절연층; 중앙 부분이 절연층과 소정의 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층; 구조물층 상에 위치하고, 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체; 및 압전 구동체 상에 위치하고, 압전 구동체를 보호하는 제1 보호층을 포함하는 보호층을 가지는 광변조기 소자가 제시된다. 본 발명에 의하면, 압전 구동체 상에 형성하는 보호층을 통하여 압전 구동체의 동작 특성을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 광변조기 소자의 광 회절 효율 및 그 신뢰성을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.Board; An insulating layer on the substrate; A structure layer having a central portion spaced apart from the insulating layer by a predetermined distance; Located on the structure layer, the piezoelectric drive body for moving the central portion of the structure layer up and down; And a protective layer positioned on the piezoelectric driving body and including a first protective layer protecting the piezoelectric driving body. According to the present invention, it is possible to improve the operating characteristics of the piezoelectric drive body through the protective layer formed on the piezoelectric drive body, thereby maximizing the optical diffraction efficiency and reliability of the optical modulator element.
광변조기 소자, 압전 구동체, 보호층. Optical modulator element, piezoelectric driver, protective layer.
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도.1 is a perspective view showing one embodiment of a piezoelectric type optical modulator element applicable to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 다른 형태를 나타낸 사시도.Figure 2 is a perspective view showing another form of the piezoelectric optical modulator device applicable to the preferred embodiment of the present invention.
도 3은 도 1의 광변조기 소자로 구성된 광변조기 소자 어레이의 평면도. 3 is a plan view of an array of optical modulator elements composed of the optical modulator elements of FIG.
도 4는 도 3의 광변조기 소자 어레이에서의 광변조 원리를 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining a principle of light modulation in the optical modulator element array of FIG.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보호층을 가지는 광변조기 소자의 구조를 나타낸 사시도.Figure 5 is a perspective view showing the structure of an optical modulator element having a protective layer according to an embodiment of the present invention.
도 6은 도 5에 도시된 광변조기 소자에서의 보호층의 구조를 나타낸 단면도.6 is a cross-sectional view showing the structure of a protective layer in the optical modulator element shown in FIG.
도 7은 도 5에 도시된 보호층을 가지는 광변조기 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing the optical modulator device having the protective layer shown in FIG. 5. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 기판 120 : 절연층110: substrate 120: insulating layer
130 : 희생층 140 : 구조물층130: sacrificial layer 140: structure layer
150 : 압전 구동체 151 : 하부 전극150: piezoelectric drive body 151: lower electrode
152 : 압전층 153 : 상부 전극152: piezoelectric layer 153: upper electrode
160 : 보호층 160a : 제1 보호층160:
160b : 제2 보호층160b: second protective layer
본 발명은 멤스 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광변조기 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS structure and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an optical modulator device and a method of manufacturing the same.
멤스(MEMS : Micro Electro Mechanical System)는 초소형 전기 기계 시스템 또는 소자를 말하며, 멤스(MEMS) 기술은 반도체 제조기술을 이용해 실리콘 기판 위에 3차원의 구조물을 형성하는 기술이다. 이러한 멤스(MEMS)는 다양한 응용 분야의 하나로서 광학 분야에 응용되고 있다. 멤스(MEMS) 기술을 이용하면 1mm보다 작은 광학부품을 제작할 수 있으며, 이를 통해 초소형 광시스템을 구현할 수 있다. 초소형 광시스템에 해당하는 광변조기 소자, 마이크로 렌즈 등의 마이크로 광학 부품은 빠른 응답속도와 작은 손실, 집적화 및 디지털화의 용이성 등의 장점으로 인하여 통신장치, 디스플레이 및 기록장치에 채택되어 응용되고 있다.MEMS (Micro Electro Mechanical System) refers to a micro electromechanical system or device, and MEMS technology is a technology for forming a three-dimensional structure on a silicon substrate using semiconductor manufacturing technology. MEMS is applied to the optical field as one of various application fields. MEMS technology enables the fabrication of optical components smaller than 1mm, enabling ultra-compact optical systems. Micro-optical components such as optical modulator elements and micro lenses, which are miniature optical systems, have been adopted and applied to communication devices, displays, and recording devices due to advantages such as fast response speed, small loss, and ease of integration and digitization.
광변조기 소자는 광섬유 또는 광주파수대(光周波數帶)의 자유공간을 전송매체로 하는 경우에 송신기에서 신호를 빛에 싣는(광변조) 회로 또는 장치이다. 광 변조기 소자는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 빛의 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식으로 나뉘며, 간접 방식은 다시 구동되는 방식에 따라 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉜다. An optical modulator element is a circuit or device for transmitting a signal to light (optical modulation) in a transmitter when a free space of an optical fiber or an optical frequency band is used as a transmission medium. The optical modulator element is divided into a direct method of directly controlling the on / off of light and an indirect method using reflection and diffraction of light, and the indirect method is divided into an electrostatic method and a piezoelectric method according to the method of being driven again.
이때, 간접 방식의 광변조기 소자에서는 그 구동방식에 상관없이 입사광이 반사된 반사광의 경로 차이에 의해 발생하는 간섭을 통해 광변조를 수행하게 된다. 특히 압전 방식의 광변조기 소자에서는 인가되는 소정의 전압에 따라 수축 및 팽창하는 압전 구동체의 구동력을 이용하여 반사광의 경로 차이를 발생시킨다.(후술할 도 3 및 도 4의 설명 참조). 따라서 압전 방식의 광변조기 소자에서는 광 회절 특성의 구현을 위해 압전 구동체의 역할이 특히 중요하다. In this case, the indirect optical modulator device performs the optical modulation through interference generated by the path difference of the reflected light reflected by the incident light regardless of the driving method. In particular, in the piezoelectric type optical modulator device, a path difference of reflected light is generated by using a driving force of a piezoelectric driver that contracts and expands according to a predetermined voltage applied (see description of FIGS. 3 and 4 to be described later). Therefore, in the piezoelectric optical modulator device, the role of the piezoelectric driver is particularly important for realizing optical diffraction characteristics.
그러나 종래 기술에 따르면, 광변조기 소자의 제조 공정을 진행함에 따라 주변 수분의 흡습 등에 의한 영향으로 인하여 압전 구동체의 동작 특성이 변화되는 문제점이 있다. 압전 구동체의 동작 특성이 변화되면 광변조기 소자에서의 리본과 절연층 간의 높이(간격)도 변화되며, 이러한 높이의 변화에 의해 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성이 열화되는 문제점이 있다. However, according to the related art, as the manufacturing process of the optical modulator device proceeds, there is a problem in that the operating characteristics of the piezoelectric driving body are changed due to the influence of moisture absorption of the surrounding moisture. When the operating characteristics of the piezoelectric actuator are changed, the height (interval) between the ribbon and the insulating layer in the optical modulator element is also changed, and the optical diffraction characteristics and reliability of the entire optical modulator element are deteriorated by such a change in height. .
따라서, 본 발명은 광변조기 소자의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 광변조기 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides an optical modulator device and a method of manufacturing the same that can maximize the light diffraction characteristics and reliability thereof of the optical modulator device.
또한, 광변조기 소자의 특성 열화를 방지하기 위해, 주변 수분의 흡습 등에 의한 압전 구동체의 오동작을 최소화할 수 있는 광변조기 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.In addition, in order to prevent deterioration of the characteristics of the optical modulator device, an optical modulator device and a method of manufacturing the same that can minimize the malfunction of the piezoelectric drive body due to moisture absorption of the surroundings.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다. Other objects of the present invention will be readily understood through the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 기판 상에 위치하는 절연층; 중앙 부분이 절연층과 소정의 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층; 구조물층 상에 위치하고, 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체; 및 압전 구동체 상에 위치하고, 압전 구동체를 보호하는 제1 보호층을 포함하는 보호층을 가지는 광변조기 소자가 제공된다.According to an aspect of the invention, the substrate; An insulating layer on the substrate; A structure layer having a central portion spaced apart from the insulating layer by a predetermined distance; Located on the structure layer, the piezoelectric drive body for moving the central portion of the structure layer up and down; And a protective layer disposed on the piezoelectric driving body and including a first protective layer protecting the piezoelectric driving body.
또한, 본 발명에 따른 보호층을 가지는 광변조기 소자는 절연층의 상부 및 구조물층의 하부에 위치하고, 구조물층을 지지하는 희생층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 희생층은 구조물층의 중앙 부분의 하면에 위치하는 부분이 식각되어 절연층과 소정의 간격만큼 이격되게 한다.In addition, the optical modulator device having a protective layer according to the present invention may further include a sacrificial layer positioned on the upper portion of the insulating layer and the lower portion of the structure layer, and supporting the structure layer. The sacrificial layer may be etched away from the insulating layer by a predetermined distance from the lower portion of the center portion of the structure layer.
또한, 본 발명의 압전 구동체는 하부 전극; 하부 전극 상에 위치하고, 소정의 전압에 상응하여 수축 및 팽창을 하여 구조물층의 중앙 부분에 상하 구동력을 발생시키는 압전층; 및 압전층 상에 위치하고, 하부 전극 간에 압전층에 형성되는 소정의 전압을 인가하는 상부 전극을 포함할 수 있다.In addition, the piezoelectric drive body of the present invention; A piezoelectric layer disposed on the lower electrode and contracting and expanding according to a predetermined voltage to generate vertical driving force in a central portion of the structure layer; And an upper electrode disposed on the piezoelectric layer and applying a predetermined voltage formed on the piezoelectric layer between the lower electrodes.
여기서, 제1 보호층은 절연 물질로 이루어질 수 있고, 절연 물질에는 Al2O3, TiO2, Ta2O5, SiO2, SiN 및 SiBN 중 어느 하나가 이용될 수 있다.Here, the first protective layer may be made of an insulating material, and any one of Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , SiN, and SiBN may be used as the insulating material.
또한, 본 발명에 따른 보호막을 가지는 광변조기 소자는 제1 보호층 상에 위치하고, 제1 보호층을 보호하는 제2 보호층을 더 포함할 수 있다.In addition, the optical modulator device having the protective film according to the present invention may further include a second protective layer positioned on the first protective layer and protecting the first protective layer.
여기서, 제2 보호층은 절연 물질로 이루어질 수 있고, 절연 물질에는 Al2O3, TiO2, Ta2O5, SiO2, SiN 및 SiBN 중 어느 하나가 이용될 수 있다.Here, the second protective layer may be made of an insulating material, and any one of Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , SiN, and SiBN may be used as the insulating material.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보호층을 가지는 광변조기 소자를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, an optical modulator element having a protective layer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals and overlapped therewith. The description will be omitted. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 압전 방식의 광변조기 소자에 대해서 먼저 설명하기로 한다.Hereinafter, the piezoelectric optical modulator device applied to the present invention will be described first before describing preferred embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 다른 형태를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing one embodiment of a piezoelectric optical modulator device applicable to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view showing another embodiment of a piezoelectric optical modulator device applicable to a preferred embodiment of the present invention. to be.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 적용되는 압전 방식의 광변조기 소자는 기판(110), 절연층(120), 희생층(130), 구조물층(140) 및 압전 구동체(150)를 포함한다. 또한, 구조물층(140)의 중앙 부분에는 복수의 홀(hole)(140(b), 140(d))이 구비되어 있다. 이때, 홀이 형성되어 있지 않은 구조물층(140)의 중앙 부분 상에는 상부 광반사층(140(a), 140(c))이 형성될 수 있고, 홀의 위치와 대응되는 절연층(120) 상에는 하부 광반사층(120(a), 120(b))이 형성될 수 있다. 또한, 압전 구동체(150)는 상부 및 하부 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 또는 좌우의 수축 또는 팽창 정도에 따라 구조물층(140)을 상하로 움직이도록 제어한다.1 and 2, a piezoelectric optical modulator device applied to the present invention includes a
이 외에 광변조기 소자의 각 부분에 대해서는 후술할 도 5의 설명에서 상세히 설명하기로 하며, 이하 도 3 및 도 4에서는 구조물층(140)과 절연층(120)간의 높이 변화에 따른 광변조 원리를 중심으로 설명한다.In addition, each part of the optical modulator device will be described in detail in the description of FIG. 5 to be described later. In FIGS. 3 and 4, the optical modulation principle according to the height change between the
도 3은 도 1의 광변조기 소자로 구성된 광변조기 소자 어레이의 평면도이고, 도 4는 도 3의 광변조기 소자 어레이에서의 광변조 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 4는 도 3의 BB'선을 기준선으로 하여 나타낸 단면도이다.3 is a plan view of an optical modulator element array including the optical modulator element of FIG. 1, and FIG. 4 is a view for explaining a principle of optical modulation in the optical modulator element array of FIG. 3. 4 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 3 as a reference line.
도 3를 참조하면, 광변조기 소자 어레이는 각각 제1 화소(pixel #1), 제2 화소(pixel #2), …, 제m 화소(pixel #m)를 담당하는 m개의 광변조기 소자(100-1, 100-2, …, 100-m)로 구성된다. 광변조기 소자 어레이는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 화소로 구성되는 것으로 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 광변조기 소자(100-1, 100-2, …, 100-m)는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 m개의 화소 중 어느 하나의 화소들을 담당한다. 따라서, 각각의 광변조기 소자에서 반사 및 회절된 광은 이후 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다. 예를 들면, VGA 640*480 해상도의 경우 480개의 수직 화소에 대해 광 스캔 장치(미도시)의 한 면에서 640번 모듈레이션을 하여 광 스캔 장치의 한 면당 화면 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 이용될 수 있다.Referring to FIG. 3, the optical modulator element array includes the first pixel (pixel # 1), the second pixel (pixel # 2),. And m optical modulator elements 100-1, 100-2,..., 100-m that are responsible for the m-th pixel (pixel #m). The optical modulator element array is responsible for image information of a 1D image of a vertical scan line or a horizontal scan line (assuming that the vertical scan line or the horizontal scan line is composed of m pixels), and each optical modulator element 100-1, 100-2, ..., 100-m) are in charge of any one of m pixels constituting the vertical scan line or the horizontal scan line. Thus, the reflected and diffracted light in each optical modulator element is then projected onto the screen by a light scanning device in a two dimensional image. For example, in the case of VGA 640 * 480 resolution, 640 modulations are performed on one surface of an optical scanning device (not shown) for 480 vertical pixels, thereby generating one frame of one screen per surface of the optical scanning device. Here, the optical scanning device may be a polygon mirror, a rotating bar, a galvano mirror, or the like.
이하 제1 화소(pixel #1)를 중심으로 광변조 원리에 대하여 설명하지만, 다른 화소들에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함은 물론이다. Hereinafter, the principle of light modulation will be described based on the first pixel (pixel # 1), but the same may be applied to other pixels.
본 실시예에서는 도 1에서와 같이 구조물층(140)에 형성된 홀(140(b)-1)이 2개인 것으로 가정한다. 2개의 홀(140(b)-1)로 인하여 구조물층(140) 상부에는 3개의 상부 광반사층(140(a)-1)이 형성된다. 절연층(120)에는 2개의 홀(140(b)-1)에 상응하여 2개의 하부 광반사층이 형성된다. 그리고 제1 화소(pixel #1)와 제2 화소(pixel #2) 사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(120)에는 또 하나의 하부 광반사층이 형성된다. 따라서, 각 화소당 상부 광반사층(140(a)-1)과 하부 광반사층(120(a)-1)의 개수는 동일하게 되며, 이를 통하여 0차 회절광 또는 ±1차 회절광을 이용한 변조광의 휘도 조절이 가능해진다.In the present embodiment, as shown in FIG. 1, it is assumed that two holes 140 (b)-1 are formed in the
도 4를 참조하면, 빛의 파장이 λ인 경우 상부 광반사층(140(a))이 형성된 구조물층(140)과 하부 광반사층(120(a))이 형성된 절연층(120)간의 간격이(2n)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제1 전압이 압전 구동체(150)에 인가된다(도 4의 (a) 참조). 이때, 0차 회절광(반사광)의 경우 상부 광반사층(140(a))에서 반사된 광과 하부 광반사층(120(a))에서 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.Referring to FIG. 4, when the wavelength of light is λ, the distance between the
또한, 상부 광반사층(140(a))이 형성된 구조물층(140)과 하부 광반사층(120(a))이 형성된 절연층(120)간의 간격이 (2n+1)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제2 전압이 압전 구동체(150)에 인가된다(도 4의 (b) 참조). 이때, 0차 회절광(반사광)의 경우 상부 광반사층(140(a))에서 반사된 광과 하부 광반사층(120(a))에서 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다. In addition, the distance between the
이러한 간섭의 결과, 광변조기 소자는 반사 또는 회절광의 광량을 조절하여 신호를 빛에 실을 수 있다. 이상에서는, 상부 광반사층(140(a))이 형성된 구조물층(140)과 하부 광반사층(120(a))이 형성된 절연층(120)간의 간격이 (2n)λ/4 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였으나, 입사광의 회절 또는 반사에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 자명하다.As a result of such interference, the optical modulator element can load a signal on light by adjusting the amount of reflected or diffracted light. In the above, the distance between the
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보호층을 가지는 광변조기 소자의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 5 이하의 도면에서는 구조물층(140)의 중앙 부 분에 홀을 구비하고 있는 광변조기 소자를 중심으로 설명하지만, 이는 일 예에 불과하며 본 발명의 권리범위를 제한하는 것이 아님은 물론이다. 즉, 광 회절 특성을 구현하기 위해 전극간 인가되는 전압에 따라 수축 및 팽창하여 리본에 상하 구동력을 발생시키는 압전 구동체를 포함하는 광변조기 소자라면 어느 것이든 본 발명에 이용 가능하다. 여기서, 리본은 구조물층(140) 중 압전 구동체(150)에 의해 발생하는 구동력에 의해 상하로 움직일 수 있는 소정의 부분을 통칭하는 용어로 사용하며, 본 예에서는 구조물층(140)의 중앙 부분이 여기에 해당한다.5 is a perspective view showing the structure of an optical modulator element having a protective layer according to an embodiment of the present invention. In FIG. 5 and below, an optical modulator device having a hole in a central portion of the
도 5를 참조하면, 광변조기 소자는 기판(110), 절연층(120), 희생층(130), 구조물층(140), 압전 구동체(150) 및 보호층(160)을 포함한다.Referring to FIG. 5, the optical modulator device includes a
기판(110)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 기판(110)을 구성하는 물질로는 실리콘(Si), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 수정(Quartz), 실리카(SiO2) 등의 물질이 사용될 수 있다.The
기판(110) 상에는 절연층(120)이 위치한다. 절연층(120)은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 역할하며, 희생층(130)으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 비해 선택비가 높은 물질로 형성된다. 이때, 절연층(120)으로 사용되는 물질은 실리카(SiO2) 등 일 수 있다.The insulating
이때, 절연층(120) 상에는 빛을 반사 또는 회절시킬 수 있는 하부 광반사층(예를 들어, 도 1의 120(a) 또는 도 2의 120(b))이 형성될 수 있다. 하부 광반사층은 다양한 광반사 물질 예를 들어, 금속 재료(Al, Pt, Cr, Ag 등)가 사용될 수 있 다.In this case, a lower light reflection layer (for example, 120 (a) of FIG. 1 or 120 (b) of FIG. 2) capable of reflecting or diffracting light may be formed on the insulating
절연층(120) 상에는 희생층(130)이 위치한다. 이때, 희생층(130)으로는 실리콘(Si) 또는 폴리 실리콘(Poly-Si) 등의 물질이 사용될 수 있다.The
희생층(130)은 절연층(120) 상에 적층된 후, 후술할 공정(도 7의 (f) 참조)을 통해 일부 또는 전부가 식각될 수 있다. 이러한 식각 공정에 의해 구조물층(140)의 중앙 부분이 절연층(120)과의 사이에서 구동 공간을 확보하며 소정의 간격만큼 이격될 수 있게 한다. 여기서, 구동 공간은 구조물층(140)과 절연층(120) 사이의 빈 공간을 의미하며, 확보된 구동 공간을 통해 구조물층(140)의 중앙 부분 즉, 리본은 압전 구동체(150)의 구동력에 상응하여 상하로 움직일 수 있게 된다. 또한, 식각 공정을 통해 제거되지 않은 희생층(130)은 구조물층(140)을 지지하는 역할을 하게 된다.After the
여기서, 도 5가 예시하는 광변조기 소자에서는 희생층(130)의 일부만이 식각되므로 희생층(130)이 절연층(120)의 양 측단 상에 위치하여 구조물층(140)을 지지하고 있지만, 희생층(130)은 후술할 공정(도 7의 (f) 참조)을 통해 그 전부가 식각될 수도 있다. 이러한 경우 희생층(130)은 구조물층(140)을 지지하는 역할은 하지 않으며, 구조물층(140)이 상하로 움직일 수 있는 구동 공간을 확보하는 역할만을 할 수도 있다. 즉, 희생층(130)의 식각 공정에 상응하여 확보되는 구동 공간의 위치가 달라질 수 있다. 또한, 확보되는 구동 공간의 위치가 달라지는 경우에는 이에 상응하여 구조물층(140) 중 리본의 위치도 달라질 수 있음은 물론이다.Here, in the optical modulator device illustrated in FIG. 5, only a part of the
희생층(130) 상에는 구조물층(140)이 위치한다. 여기서, 구조물층(140)으로 는 Si3N4 등 실리콘나이트나이드 계열(SiXNY)의 물질이 사용될 수 있다.The
이때, 구조물층(140)의 중앙 부분 즉, 리본 상에는 빛을 반사 또는 회절시킬 수 있는 상부 광반사층(예를 들어, 도 1의 140(a) 또는 도 2의 140(c))이 형성될 수 있다. 상부 광반사층은 다양한 광반사 물질 예를 들어, 금속 재료(Al, Pt, Cr, Ag 등)가 사용될 수 있다.In this case, an upper light reflection layer (for example, 140 (a) of FIG. 1 or 140 (c) of FIG. 2) capable of reflecting or diffracting light may be formed on the center portion of the
또한, 구조물층(140)은 후술할 공정(도 7의 (f) 참조)을 통해 특정 형태(본 예에서는 구조물층(140)의 중앙부분에 1개 이상의 홀을 구비한 형태)가 형성되도록 선택적으로 식각될 수 있다. 이러한 경우, 상부 광반사층은 구조물층(140)의 중앙 부분 중 홀이 형성되지 않은 부분에 형성된다.In addition, the
구조물층(140) 상에는 압전 구동체(150)가 위치한다. 압전 구동체(150)는 압전 방식에 따라 리본이 상하로 움직일 수 있도록 하는 구동력을 발생시킨다.The
압전 구동체(150)는 하부 전극(151)과, 하부 전극(151) 상에 형성되며 소정의 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전층(152) 및 압전층(152) 상에 형성되며 하부 전극(151) 간에 압전층(152)에 형성되는 소정의 전압을 인가하는 상부 전극(153)을 포함한다.The
이때, 하부 또는 상부 전극(151, 153)의 전극재료로는 백금(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), IrO2, RuO2 등이 사용될 수 있으며, 상술한 전극재료의 조합 중 어느 하나가 사용될 수도 있다. 하부 또는 상부 전극(151, 153)은 0.01~3㎛ 범위에서 스퍼터(sputter) 또는 진공 증착(evaporation) 등의 방법으 로 형성할 수 있다.In this case, platinum (Pt), nickel (Ni), gold (Au), aluminum (Al), titanium (Ti), IrO 2 , RuO 2, and the like may be used as electrode materials of the lower or
압전층(152)은 하부 전극(151) 상에 습식(스크린 프린팅, Sol-Gel coating 등) 및 건식 방법(스퍼터링, Evaporation, MOCVD, Vapor Deposition 등)으로 0.01~20.0㎛ 범위에서 형성할 수 있다. 여기에서 압전층(152)으로서는 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료가 사용할 수 있으며, 납(Pb), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 티타늄(Ti) 등의 원소를 한 개 이상 포함하여 구성되는 압전 전해 재료도 사용 가능하다.The
압전 구동체(150) 상(본 예에서는 상부 전극(153)의 상부임)에는 보호층(160)이 위치한다. 이러한 보호층(160)은 주변 수분의 흡습 등으로부터 압전 구동체(150)를 보호하는 역할을 한다. 이때, 보호층(160)은 필요에 따라 단일 막 또는 이중 막으로 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 보호층(160)의 구조에 관하여는 이하 도 6에서 상세히 설명하기로 한다.The
도 6은 도 5에 도시된 광변조기 소자에서의 보호층의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 6은 도 5의 A부분을 확대하여 나타낸 것이며, 도 6의 (a) 및 (b)는 도 5에서 도시한 보호층(160)을 단일 막 또는 이중 막의 형태로 보다 세분화하여 도시한 것이다.6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a protective layer in the optical modulator device shown in FIG. 5. FIG. 6 is an enlarged view of portion A of FIG. 5, and FIGS. 6A and 6B show the
여기서, 도 6의 (a) 및 (b)가 예시하는 보호층(160)은 상부 전극(153) 상에만 형성되어 있지만, 압전 구동체(150)의 형태에 따라 하부 전극(151) 상에도 보호층(160)이 형성될 수 있음은 물론이다. 즉, 압전 구동체(150)의 형태가 도 5가 예 시하는 광변조기 소자에서와는 다른 형태를 갖는 경우 예를 들어, 하부 전극(151) 상의 일부 면에만 압전층(152)이 형성되는 경우에는 상부 전극(153)의 상부는 물론 압전층(152)이 형성되어 있지 않은 하부 전극(151)의 상부에도 보호층(160)이 형성될 수 있음은 자명하다.Here, the
도 6의 (a)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보호층(160)은 단일 막(이하, '제1 보호층(160a)'이라 함)으로 구성되고 있다. Referring to FIG. 6A, the
여기서, 제1 보호층(160a)으로는 다양한 절연 물질(dielectric material), 예를 들어 Al2O3, TiO2, Ta2O5, SiO2, SiN, SiBN 등이 사용될 수 있다. 특히, 이러한 절연 물질들 중 Al2O3는 전극과의 부착력(adhesion)이 매우 우수하며, 또한 수분 흡습 방지 기능이 탁월한 특징이 있다. 따라서, 압전 구동체(150) 상에 상술한 절연 물질을 이용한 제1 보호층(160a)을 형성시킴으로써 광변조기 소자의 제조 공정 상에서 또는 실제 구동 상에서 발생하는 주변 수분의 흡습 등으로부터 압전 구동체(150)를 보호할 수 있게 된다.Here, various dielectric materials such as Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , SiN, SiBN, and the like may be used as the first
이때, 제1 보호층(160a)의 증착 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 증착법, 전자빔 증착법(E-beam evaporation) 등의 PVD(물리 기상 증착, Physical Vapor Deposition) 증착법과 MOCVD(Metal Organic CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 등의 CVD(화학 기상 증착, Chemical Vapor Deposition) 증착법 또는 ALD(원자 층 증착, Atomic Layer Deposition) 증착법 등이 이용될 수 있다.At this time, as the deposition method of the first
여기서, PVD 증착법 중 스퍼터링 증착법은 플라즈마 상태의 스퍼터링 기 체(Ar 등의 불활성 기체임)의 운동에너지를 이용하여 증착 물질을 피증착 기판에 달라붙게 함으로써 증착을 한다. 그리고 전자빔 증착법은 전자빔을 이용하여 피증착 기판을 가열함으로써 증착 물질을 녹여 피증착 기판에 증착을 하게 된다.Here, the sputtering deposition method of the PVD deposition method is deposited by using the kinetic energy of the sputtering gas (inert gas such as Ar, etc.) in the plasma state to adhere the deposition material to the substrate to be deposited. In the electron beam deposition method, a deposition material is melted by heating a substrate to be deposited using an electron beam and deposited on the substrate to be deposited.
또한, CVD 증착법은 두가지 이상의 증착 물질을 반응기(reaction chamber)에 혼합시켜 피증착 기판의 표면에서 증착(반응)이 일어나도록 하는 방법으로서 우수한 도포성을 갖는 증착 방법이다. 이때, MOCVD 증착법의 경우에는 금속 유기물 형태의 고체 또는 액체 상태의 증착 물질을 이용하며, PECVD 증착법의 경우에는 플라즈마 상태의 증착 물질을 이용하여 증착을 하게 된다.In addition, the CVD deposition method is a method of mixing two or more deposition materials in a reaction chamber so that deposition (reaction) occurs on the surface of the substrate to be deposited. In this case, the MOCVD deposition method uses a solid or liquid deposition material in the form of a metal organic material, and the PECVD deposition method uses a deposition material in a plasma state.
특히 ALD 증착법은 증착하려는 물질을 구성하는 원소(이하,'소스'라 함) 상호간의 화학적 흡착(chemisorption) 및 탈착(desorption) 과정을 번갈아 진행함으로써 피증착 기판 상에 단원자 층에 해당하는 두께의 막을 형성할 수도 있어 초극 박막의 증착시 유리한 방법이다. ALD 증착법은 소스(예를 들어, 증착하려는 물질이 Al2O3인 경우에는 알루미늄(Al)과 산소(O2)임)를 하나씩 순차적으로 주입시켜 피증착 기판의 표면에서 화학 반응이 일어나도록 한다. 이러한 이유로 ALD 증착법을 이용하면 피증착 기판 상에 단원자 층에 해당하는 초극 박막의 증착이 가능하며, 피증착 기판의 면적 및 피증착 기판의 요철에 관계없이 균일한 두께의 막을 형성할 수 있게 된다. 즉, 피증착 기판 상에 부착성(adhesion) 또는 도포성이 우수한 증착 물질로 이루어진 막을 형성할 수 있는 이점이 있다.In particular, the ALD deposition method alternates the chemical adsorption and desorption processes between the elements (hereinafter, referred to as 'sources') constituting the material to be deposited. A film can also be formed, which is an advantageous method for the deposition of ultra-thin films. The ALD deposition method sequentially injects a source (for example, aluminum (Al) and oxygen (O 2 ) when the material to be deposited is Al 2 O 3 ) one by one so that a chemical reaction occurs on the surface of the substrate to be deposited. . For this reason, using the ALD deposition method, it is possible to deposit an ultrafine thin film corresponding to a monoatomic layer on a substrate to be deposited, and to form a film having a uniform thickness regardless of the area of the substrate to be deposited and the irregularities of the substrate to be deposited. . That is, there is an advantage in that a film made of a deposition material having excellent adhesion or coating property can be formed on the substrate to be deposited.
따라서, ALD 증착법을 포함하는 상술한 증착 방법 중 어느 하나의 증착 방법 을 이용하여 제1 보호층(160a)을 증착함으로써 피증착 기판(즉, 압전 구동체(150))과 증착 물질로 이루어진 막(즉, 제1 보호층(160a)) 간에 부착성(adhesion)을 개선시킬 수 있으며, 결국 피증착 기판과 증착 물질 간의 계면 문제, 예를 들어 압전 구동체(150)와 제1 보호층(160a) 간의 경계면에 빈 공간(void)이 형성되는 것 등을 방지할 수 있게 된다.Therefore, by depositing the first
도 6의 (b)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 보호층(160)은 이중 막(이하, 이중 막 중 하부를 이루는 막을 '제1 보호층(160a)', 상부를 이루는 막을 '제2 보호층(160b)'이라 함)으로 구성되고 있다. 즉, 도 6의 (b)가 나타내는 보호층(160)은 상술한 도 6의 (a)의 제1 보호층(160a)의 상부에 제2 보호층(160b)을 더 적층시키는 방법으로 형성한 것이다. Referring to Figure 6 (b), the
특히, 제1 보호층(160a)을 ALD 증착법으로 증착한 경우에는 증착된 제1 보호층(160a)의 두께가 작아서 보호층(160)으로서의 역할을 수행하지 못하는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 단일 막으로 구성된 보호층(160)은 보호층(160)의 절연 효과를 파괴시키는 기준점이 되는 브레이크 다운 전압(break down voltage)이 감소하거나 또는 보호층(160)에 원하지 않은 누설 전류(leakage current)가 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있다. In particular, when the
이 경우 보호층(160)을 통해 보호되어야 할 압전 구동체(150)의 동작 특성에도 영향을 미치게 되고, 이러한 압전 구동체(150)의 동작 특성의 열화는 광변조기 소자에서의 리본과 절연층(120) 간의 간격의 높이 변화를 초래한다. 또한, 리본과 절연층(120) 간의 간격의 높이 변화는 광변조기 소자 전체의 광 회절 효율을 저하 시키는 요인이 된다.In this case, the operating characteristics of the
따라서, 도 6의 (b)의 보호층(160)은 상술한 문제점을 극복하기 위하여 제1 보호층(160a) 상에 제1 보호층(160a)을 보호하기 위한 제2 보호층(160b)을 더 적층시킴으로써 보다 강한 보호층(160)을 형성할 수 있도록 한다. 즉, 제2 보호층(160b)은 압전 구동체(150)를 직접 보호하는 제1 보호층(160a)을 보호함으로써 압전 구동체(150)를 간접적으로 보호하는 역할을 하게 된다.Therefore, the
여기서, 제2 보호층(160b)으로는 다양한 절연 물질(dielectric material), 예를 들어 Al2O3, TiO2, Ta2O5, SiO2, SiN, SiBN 등이 사용될 수 있다.Here, as the second
이때, 제2 보호층(160b)의 증착 방법으로는 도 6의 (a)의 제1 보호층(160a)에서와 동일하게 ALD 증착법을 포함한 다양한 증착 방법이 이용될 수 있지만, 증착되는 전체 보호층(160)의 두께를 고려할 때 스퍼터링(sputtering) 증착법, 전자빔 증착법(E-beam evaporation) 등의 PVD(물리 기상 증착, Physical Vapor Deposition) 증착법 또는 MOCVD(Metal Organic CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 등의 CVD(화학 기상 증착, Chemical Vapor Deposition) 증착법 등을 이용하는 것이 바람직하다.In this case, as the deposition method of the second
상술한 바와 같이, 본 발명은 압전 구동체(150) 상에 형성되는 보호층(160)을 통하여 압전 구동체(150)의 동작 특성의 변화를 방지하고, 압전 구동체(150)의 수명 단축을 방지할 수 있다. 또한, 압전 구동체(150)의 동작 특성을 개선함으로써 광변조기 소자에서의 리본과 절연층(120) 간의 간격의 높이 변화를 방지하고, 이를 통하여 광변조기 소자 전체의 광 회절 효율 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있다.As described above, the present invention prevents a change in operating characteristics of the
도 7은 도 5에 도시된 보호층을 가지는 광변조기 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an optical modulator device having a protective layer illustrated in FIG. 5.
도 7의 (a)를 참조하면, 기판(110) 상에 절연층(120)을 형성한다. 여기서 절연층(120)은 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 한다. Referring to FIG. 7A, an insulating
도 7의 (b)를 참조하면, 절연층(120) 상에 희생층(130)을 형성한다. 여기서 희생층(130)은 추후 공정(도 7의 (f) 참조)을 거쳐 리본이 구동 공간을 확보하며 절연층(120)과 소정의 간격만큼 이격될 수 있도록 그 일부 또는 전부가 식각될 수 있다.Referring to FIG. 7B, a
도 7의 (c)를 참조하면, 희생층(130) 상에 구조물층(140)을 형성한다. 구조물층(140)은 추후 공정(도 7의 (f) 참조)을 거쳐 특정 형태(예를 들어, 1개 이상의 홀을 구비한 형태)가 형성되도록 선택적으로 식각될 수 있다.Referring to FIG. 7C, the
도 7의 (d)를 참조하면, 구조물층(140)의 양 측단 상에 압전 구동체(150)를 형성한다. 압전 구동체(150)는 구조물층(140) 상에 하부 전극(151)을 적층하고, 하부 전극(151) 상에 압전층(152)를 적층하며, 압전층(152) 상에 상부 전극(153)을 적층한 이후에 구조물층(140)의 양 측단 상에 적층된 상부 전극(153), 압전층(152) 및 하부 전극(151)을 제외한 부분에 적층된 상부 전극(153), 압전층(152) 및 하부 전극(151)을 식각하는 방법으로 형성한다.Referring to FIG. 7D, the
다만, 도 7에서 예시하는 광변조기 소자의 경우와는 달리 압전 구동체(150)가 구조물층(140)의 양 측단 상이 아닌 구조물층(140) 상의 전면에 형성될 수 도 있으며, 이러한 경우에는 상술한 식각 공정은 불필요할 수 도 있음은 물론이다.However, unlike the case of the optical modulator device illustrated in FIG. 7, the
또한, 도 7에서는 도시하지 않았지만, 하부 전극(151)의 식각시에 그 하면에 위치한 구조물층(140)의 상부를 보호하기 위하여 구조물층(140)의 상부와 하부 전극(151)의 하부 사이에 일정 두께의 SiO2층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.In addition, although not shown in FIG. 7, between the upper portion of the
도 7의 (e)를 참조하면, 압전 구동체(150) 상에 보호층(160)을 형성한다. 이때, 보호층(160)은 앞서 설명한 것과 같이 제1 보호층(160a) 만으로 구성된 단일 막으로 형성(도 6의 (a) 참조)하거나, 제1 보호층(160a) 및 제2 보호층(160b)으로 구성된 이중 막으로 형성(도 6의 (b) 참조)할 수 있다. Referring to FIG. 7E, the
이때, 보호층(160)을 이중 막으로 형성하는 경우에는 압전 구동체(150) 상에 제1 보호층(160a)를 적층한 후, 제1 보호층(160a) 상에 제2 보호층(160b)을 적층하는 방법으로 형성할 수 있다. 여기서, 제2 보호층(160b)을 적층하는 공정은 제1 보호층(160a)을 적층하는 공정을 마친 후 연이어 진행하는 것이 바람직하지만, 후술할 도 7의 단계 (f)를 거친 이후에 진행할 수 도 있음은 물론이다.In this case, when the
여기서, 보호층(160)을 단일 막으로 구성하는 경우에 제1 보호층(160a)의 증착 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 증착법, 전자빔 증착법(E-beam evaporation) 등의 PVD(물리 기상 증착, Physical Vapor Deposition) 증착법과 MOCVD(Metal Organic CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 등의 CVD(화학 기상 증착, Chemical Vapor Deposition) 증착법 또는 ALD(원자 층 증착, Atomic Layer Deposition) 증착법 등이 이용될 수 있다. In this case, when the
보호층(160)을 이중 막으로 구성하는 경우에는 제1 보호층(160a)은 ALD 증착법으로 형성하고, 제2 보호층(160b)은 스퍼터링(sputtering) 증착법, 전자빔 증착법(E-beam evaporation) 등의 PVD(물리 기상 증착, Physical Vapor Deposition) 증착법 또는 MOCVD(Metal Organic CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 등의 CVD(화학 기상 증착, Chemical Vapor Deposition) 증착법 등을 이용하는 것이 바람직하다. 다만, 보호층(160)의 증착법은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 증착법이 이용 가능함은 자명하다.When the
도 7의 (f)를 참조하면, 희생층(130)은 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 의해 리본이 구동 공간을 확보하며 절연층(120)과 소정의 간격만큼 이격될 수 있도록 그 일부 또는 전부가 식각된다.Referring to FIG. 7F, the
이때, 희생층(130)의 식각 공정 이전에 구조물층(130)을 선택적으로 식각하는 공정이 선행될 수도 있다. 즉, 본 예에서는 희생층(130)의 식각 공정 이전에 리본에 복수의 홀이 형성시키는 식각 공정이 선행되며, 이러한 경우에는 이후 진행되는 희생층(130)의 식각 공정은 리본에 형성된 홀로 에천트를 주입하는 방법으로 행해질 수 있다.In this case, a process of selectively etching the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 보호층을 가지는 광변조기 소자 및 그 제 조 방법에 의하면, ALD 증착법 등을 이용하여 보호층을 적층시킴으로써 압전 구동체와 보호층 간의 부착성(adhesion)을 개선시킬 수 있다. 따라서, 압전 구동체와 보호층 간의 계면에 빈 공간(void)이 형성되는 것을 방지하여 압전 구동체의 동작 특성의 불량을 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the optical modulator element having the protective layer and the manufacturing method thereof according to the present invention, the adhesion between the piezoelectric driver and the protective layer can be improved by laminating the protective layer using ALD deposition or the like. Can be. Therefore, it is possible to prevent voids from being formed at the interface between the piezoelectric drive body and the protective layer, thereby reducing defects in operating characteristics of the piezoelectric drive body.
또한, 보호층을 통하여 주변 흡습 등에 의한 압전 구동체의 오동작을 최소화할 수 있다. 이를 통하여 압전 구동체의 동작 특성의 열화를 방지하고, 압전 구동체의 수명 단축을 막을 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to minimize the malfunction of the piezoelectric drive body due to the ambient moisture absorption through the protective layer. Through this, it is possible to prevent deterioration of operating characteristics of the piezoelectric driving body and to prevent shortening of the life of the piezoelectric driving body.
또한, 압전 구동체의 특성 열화를 방지함으로써 광변조기 소자에서의 리본과 절연층 간의 간격의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있고, 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, by preventing the deterioration of the characteristics of the piezoelectric drive body, the height of the gap between the ribbon and the insulating layer in the optical modulator element can be kept constant, and the effect of maximizing the optical diffraction characteristics and reliability of the entire optical modulator element can be achieved. have.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below It will be appreciated that modifications and variations can be made.
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- 2006-10-02 KR KR1020060097435A patent/KR100782001B1/en not_active IP Right Cessation
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