KR100782003B1 - 접합층을 가지는 광변조기 소자 - Google Patents

접합층을 가지는 광변조기 소자 Download PDF

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Abstract

접합층을 가지는 광변조기 소자가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기판; 기판 상에 위치하는 절연층; 중앙 부분이 절연층과 소정의 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층; 구조물층의 양 측단 상에 위치하는 보호층; 보호층 상에 위치하고, 부착성이 있으며 가스의 확산을 방지하는 접합층; 및 접합층을 게재하여 보호층과 결합하고, 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체를 포함하는 광변조기 소자가 제공될 수 있다. 본 발명에 의하면, 압전 구동체의 하면에 개선된 부착력을 가지며 산소의 확산을 방지할 수 있는 접합층을 위치시킴으로써 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
광변조기 소자, 압전 구동체, 접합층.

Description

접합층을 가지는 광변조기 소자{Spatial optical modulator with a junction layer}
도 1은 하부 전극과 LTO층간의 계면을 나타내는 도면.
도 2는 광변조기 소자에서 압전 구동체의 계면 분리 현상을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 다른 형태를 나타낸 사시도.
도 5는 도 3의 광변조기 소자로 구성된 광변조기 소자 어레이의 평면도.
도 6은 도 5의 광변조기 소자 어레이에서의 광변조 원리를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광변조기 소자의 구조를 나타내는 측면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광변조기 소자의 제조 공정도.
도 9는 도 8의 단계 (d)를 보다 세분화하여 나타낸 세부 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기판 120 : 절연층
130 : 희생층 140 : 구조물층
141 : 보호층 142 : 접합층
150 : 압전 구동체 151 : 하부 전극
152 : 압전층 153 : 상부 전극
본 발명은 멤스 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광변조기 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
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.
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.
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 5 및 도 6의 설명 참조). 따라서 압전 방식의 광변조기 소자에서는 광 회절 특성의 구현을 위해 압전 구동체의 역할이 특히 중요하다.
그러나 종래 기술에 따르면, 광변조기 소자의 장시간 구동시 압전 구동체와 압전 구동체의 하부(즉, 하부 전극의 하부)에 형성되는 LTO층(Low Temperature Oxide layer)간의 계면(도 1의 점선 부분 참조)이 분리되어 광변조기 소자의 불량을 유발하는 문제점이 있다(도 2의 점선 부분 참조). 이는 LTO층과 하부 전극간의 부착(adhesion)을 위해 그 사이에 접합층(junction layer)으로서 적층되는 종래의 Ti 박막이 광변조기 소자를 장시간 구동시킴에 따라 열화되기 때문이다. 도 2의 점선 내의 c 부분은 압전 구동체가 LTO층과 분리되지 않은 상태(도 2의 c 부분 전부가 짙은 황색으로 나타나고 있는 상태)를 보여주며, 도 2의 점선 내의 a 및 b 부분은 압전 구동체의 일부가 LTO층과 분리된 상태(도 2의 a 및 b 부분의 일부가 흰 색 으로 나타나고 있는 상태)를 보여준다. 여기서, 도 2의 a 내지 c 부분은 각각 광변조기 소자에서 압전 구동체가 형성되는 위치를 나타낸다.
또한, 종래의 Ti 박막은 하부 전극의 성막 공정 이후에 진행되는 압전층의 적층을 위한 고온의 급속 열처리 공정(RTA, Rapid Thermal Annealing) 중 확산된 산소에 의해서 산화되는 특성이 있다. 따라서, 확산된 산소에 의해 Ti 박막이 산화됨으로써 LTO층과 쉽게 분리되는 문제점이 있다.
상술한 Ti 박막의 열화는 압전 구동체 전체의 동작 특성 열화를 가져오게 되며, 결국 광변조기 소자의 광 회절 특성 및 그 신뢰성에 악영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명은 광변조기 소자의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 광변조기 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 광변조기 소자에서의 압전 구동체의 동작 특성의 열화를 방지하기 위하여 부착력이 개선된 접합층을 가지는 광변조기 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 압전 구동체의 동작 특성을 극대화 시키기 위하여 산소 등의 확산에 의한 산화를 방지할 수 있는 접합층을 가지는 광변조기 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 기판 상에 위치하는 절연층; 중앙 부분이 절연층과 소정의 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층; 구조물층의 양 측단 상에 위치하는 보호층; 보호층 상에 위치하고, 부착성이 있으며 가스의 확산을 방지하는 접합층; 및 접합층을 게재하여 보호층과 결합하고, 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체를 포함하는 광변조기 소자가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 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.
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.
여기서, 접합층을 구성하는 물질은 Al2O3, TiO2, TiN, TiSiN, TaN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 및 WN 중 어느 하나일 수 있고, 접합층은 산소의 확산을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접합층을 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.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 압전 방식의 광변조기 소자에 대해서 먼저 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전 방식의 광변조기 소자의 다른 형태를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4를 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.
이 외에 광변조기 소자의 각 부분에 대해서는 후술할 도 7의 설명에서 상세히 설명하기로 하며, 이하 도 5 및 도 6에서는 구조물층(140)과 절연층(120)간의 높이 변화에 따른 광변조 원리를 중심으로 설명한다.
도 5는 도 3의 광변조기 소자로 구성된 광변조기 소자 어레이의 평면도이고, 도 6은 도 5의 광변조기 소자 어레이에서의 광변조 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 6은 도 5의 BB'선을 기준선으로 하여 나타낸 단면도이다.
도 5를 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.
이하 제1 화소(pixel #1)를 중심으로 광변조 원리에 대하여 설명하지만, 다 른 화소들에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함은 물론이다.
본 실시예에서는 도 3에서와 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.
도 6을 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 6의 (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.
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 6의 (b) 참조). 이때, 0차 회절광(반사광)의 경우 상부 광반사층(140(a))에서 반사된 광과 하부 광반사층(120(a))에 서 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.
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.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광변조기 소자의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 7을 참조하면, 광변조기 소자는 기판(110), 절연층(120), 희생층(130), 구조물층(140), 보호층(141), 접합층(junction layer)(142) 및 압전 구동체(150)를 포함한다.
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.
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.
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 있다.
절연층(120) 상에는 희생층(130)이 위치한다. 이때, 희생층(130)으로는 실리콘(Si) 또는 폴리 실리콘(Poly-Si) 등의 물질이 사용될 수 있다.
희생층(130)은 절연층(120) 상에 적층된 후, 후술할 공정(도 8의 (e) 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.
여기서, 도 7이 예시하는 광변조기 소자에서는 희생층(130)의 일부만이 식각되므로 희생층(130)이 절연층(120)의 양 측단 상에 위치하여 구조물층(140)을 지지 하고 있지만, 희생층(130)은 후술할 공정(도 8의 (e) 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.
희생층(130) 상에는 구조물층(140)이 위치한다. 여기서, 구조물층(140)으로는 Si3N4 등 실리콘나이트나이드 계열(SiXNY)의 물질이 사용될 수 있다.
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.
또한, 구조물층(140)은 후술할 공정(도 8의 (e) 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.또한, 구조물층(140)은 후술할 공정(도 8의 (e) 참조)을 통해 특정 형태(예를 들어, 1개 이상의 홀(hole)을 구비한 형태)가 형성되도록 선택적으로 식각될 수 있다.
구조물층(140)의 양 측단 상에는 보호층(141)이 위치한다. 보호층(141)은 후 술할 하부 전극(151) 및 접합층(142)의 식각 공정시 그 하부에 위치한 구조물층(140)의 상면이 식각(침식)되지 않도록 보호하는 역할을 한다(도 9의 (d)-(4) 참조). 구조물층(140)의 상면에 침식이 발생하는 경우, 리본 상에 적층되는 상부 광반사층과의 부착력을 저하시키며, 리본과 상부 광반사층 간의 계면에 분리(박리) 현상을 야기할 수 있다. 즉, 구조물층(140) 상면의 침식은 광변조기 소자의 광반사 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 구조물층(140)의 상부에 보호층(141)을 둠으로써 하부 전극(151) 및 접합층(142)의 식각 공정시 구조물층(140)의 상면 침식을 방지할 수 있다. 여기서, 보호층(141)으로는 SiO2 등의 LTO(Low Temperature Oxide) 물질이 이용될 수 있다.
보호층(141) 상에는 접합층(142)이 위치한다. 접합층(142)은 보호층(141)의 상면과 후술할 압전 구동체(150)의 하면(즉, 하부 전극(151)의 하면)간의 접합(부착)을 하는 역할을 한다. 하부 전극(151)은 Pt등의 금속 재료로 구성되기 때문에 SiO2 등의 물질로 구성되는 보호층(141)과 직접적인 부착이 어려운 점이 있다. 따라서, 그 사이에 접합층(142)을 둠으로써 하부 전극(151)의 하면과 보호층(141)의 상면간의 부착력을 개선시킬 수 있다.
접합층(142)으로는 부착력이 우수한 Al2O3, TiO2, TiN, TiSiN, TaN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 및 WN 등의 절연 물질(dielectric material) 중 어느 하나의 물질이 이용될 수 있다.
이때, 접합층(142)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.
여기서, PVD 증착법 중 스퍼터링 증착법은 플라즈마 상태의 스퍼터링 기체(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.
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.
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.
즉, 제1 소스(예를 들어, 알루미늄)를 피증착 기판(본 예에서는 보호층(141)임)이 포함된 증착 챔버 내에 소정 시간동안 주입하여 피증착 기판 상에 흡착시키고, 제2 소스(예를 들어, 산소)를 증착 챔버 내에 소정 시간동안 주입하여 피증착 기판 상에 흡착된 제1 소스와 반응시켜 증착하려는 물질(예를 들어, Al2O3)을 피증착 기판 상에 증착시킬 수 있다. 이러한 과정은 증착하고자 하는 두께의 층이 형성될 때까지 반복하게 된다. 이때, 증착 챔버 내로의 소스의 주입은 그 소스 자체(예를 들어, 산소(O2) 기체)의 주입에 의하거나 또는 증착 챔버 내에서 소스를 제공할 수 있는 물질(예를 들어, 주입하려고 하는 소스가 산소(O2)인 경우에는 물(H2O) 등)의 주입에 의할 수 있다.
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.
따라서, ALD 증착법을 포함하는 상술한 증착 방법 중 어느 하나의 증착 방법을 이용하여 접합층(142)을 적층함으로써 보호층(141)과 하부 전극(151)간의 부착성(adhesion)을 개선시킬 수 있다. 즉, 보호층(141)과 하부 전극(151)간의 계면 분리 현상을 방지할 수 있게 되는 것이다.
또한 이때, 접합층(142)은 산소 등의 확산 방지층(Diffusion Barrier layer) 으로서의 역할을 할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 9의 단계 (d)-(2)의 설명에서 하기로 한다.
접합층(142) 상에는 압전 구동체(150)가 위치한다. 압전 구동체(150)는 압전 방식에 따라 리본이 상하로 움직일 수 있도록 하는 구동력을 발생시킨다.
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.
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 방법으로 형성할 수 있다.
압전층(152)은 하부 전극(151) 상에 습식(스크린 프린팅, Sol-Gel coting 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.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광변조기 소자의 제조 공정도이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 기판(110) 상에 절연층(120)을 형성한다. 여기서 절연층(120)은 식각 정지층(etch stop layer)의 역할을 한다.
도 8의 (b)를 참조하면, 절연층(120) 상에 희생층(130)을 형성한다. 여기서 희생층(130)은 추후 공정(도 8의 (e) 참조)을 거쳐 리본이 구동 공간을 확보하며 절연층(120)과 소정의 간격만큼 이격될 수 있도록 그 일부 또는 전부가 식각될 수 있다.
도 8의 (c)를 참조하면, 희생층(130) 상에 구조물층(140)을 형성한다. 구조물층(140)은 추후 공정(도 8의 (e) 참조)을 거쳐 특정 형태(예를 들어, 1개 이상의 홀을 구비한 형태)가 형성되도록 선택적으로 식각될 수 있다.
도 8의 (d)를 참조하면, 구조물층(140)의 양 측단 상에 보호층(141), 보호층(141) 상에 접합층(142), 접합층(142) 상에 압전 구동체(150)를 형성한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 9에서 한다.
도 8의 (e)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.
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 리 본에 복수의 홀이 형성시키는 식각 공정이 선행되며, 이러한 경우에는 이후 진행되는 희생층(130)의 식각 공정은 리본에 형성된 홀로 에천트를 주입하는 방법으로 행해질 수 있다.
도 9는 도 8의 단계 (d)를 보다 세분화하여 나타낸 세부 공정도이다. 또한, 도 9에서는 도 8에서의 구조물층(140)의 하부에 형성되는 희생층(130), 절연층(120) 및 기판(110)은 생략하여 도시하였다.
도 9의 (d)-(1)을 참조하면, 구조물층(140) 상에 보호층(141)을 적층한 후, 보호층(140) 상에 접합층(142)을 적층한다.
이때, 보호층(140)으로는 SiO2 등의 물질이 이용될 수 있고, 그 적층 방법으로는 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 등의 증착법이 이용될 수 있다.
그리고 접합층(140)으로는 Al2O3, TiO2, TiN, TiSiN, TaN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 및 WN 등의 절연 물질(dielectric material) 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 이러한 절연 물질들은 그 부착력이 우수하며, 산소 등의 확산을 방지하는 우수한 확산 방지 기능을 아울러 갖추고 있다. 이때, 접합층의 적층 방법으로는 상술한 바와 같이 스퍼터링(sputtering) 증착법, 전자빔 증착법(E-beam evaporation), CVD(Chemical Vapor Deposition) 증착법 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 증착법 중 어느 하나의 증착법이 이용될 수 있다.
도 9의 (d)-(2)를 참조하면, 접합층(142) 상에 하부 전극(151)을 적층한 후, 하부 전극(151) 상에 압전층(152)을 적층하고, 그 후 압전층(152) 상에 상부 전극(153)을 적층한다.
이때, 하부 전극(151) 또는 상부 전극(153)으로는 백금(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 등의 전극 재료가 이용될 수 있고, 그 적층 방법으로는 스퍼터링 또는 전자빔 증착법 등이 이용될 수 있다.
또한, 압전층(152)으로는 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료가 이용될 수 있다. 압전층(152)은 고온의 급속 열처리 공정(RTA, Rapid Thermal Annealing)에 의해 하부 전극(151) 상에 적층된다.
여기서, 급속 열처리 공정이 진행됨에 따라 발생하는 산소 등의 가스는 압전층(152)의 하부 방향으로도 확산되며, 확산된 가스에 압전층(152)의 하부에 형성되어 있는 층들의 산화를 일으키는 요인이 된다.
이때, Al2O3, TiSiN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 등으로 형성되는 접합층(142)은 산소 등의 가스에 의한 확산을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 이는 Al2O3, TiSiN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 등의 절연 물질의 경우, 이미 산화 또는 질화되어 있는 상태로서 존재하므로 상술한 급속 열처리 공정에 의해 발생하는 산소 등의 가스에 의한 확산에 의한 영향을 더 이상 받지 않을 수 있기 때문이다. 즉, 상술한 절연 물질들은 화학적으로 또한 열적으로 우수한 안정성(stability)을 갖추고 있기 때문에 가스에 의한 확산 및 열에 의한 스트레스에 의하여 영향을 덜 받는 특성이 있다.
따라서, 상술한 절연 물질을 이용한 접합층(142)을 통하여 가스 확산에 의한 산화를 방지함으로써 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
도 9의 (d)-(3)을 참조하면, 도 9의 단계 (d)-(2)를 통해 하부 전극(151)의 전면 상에 증착했던 상부 전극(153) 및 압전층(152)이 하부 전극(151)의 양 측단의 소정 부분에만 위치할 수 있도록 상부 전극(153) 및 압전층(152)을 식각한다. 이때, 상부 전극(153) 및 압전층(152)의 식각에는 드라이 에쳐(dry etcher) 또는 플라즈마 애셔(plasma asher) 등의 장비를 이용한 건식 식각법(dry etching) 또는 플라스마 식각법(plasma etching)이 이용될 수 있다.
도 9의 (d)-(4)를 참조하면, 상부 전극(153) 및 압전층(152)을 식각한 후에는 하부 전극(151) 및 접합층(142)의 일부를 식각한다. 이때, 하부 전극(151) 및 접합층(142)의 식각에도 역시 드라이 에쳐(dry etcher) 또는 플라즈마 애셔(plasma asher) 등의 장비를 이용한 건식 식각법(dry etching) 또는 플라스마 식각법(plasma etching)이 이용될 수 있다.
여기서, 보호층(141)은 하부 전극(151) 및 접합층(142)의 식각 공정에 있어서 그 하면에 위치한 구조물층(140)의 상면이 식각(침식)되는 것을 방지하는 역할을 한다. 구조물층(140) 상면의 침식은 리본 상에 적층되는 상부 광반사층과의 부착력을 저하시켜 리본과 상부 광반사층 간의 계면에 분리(박리) 현상을 야기할 수 있다. 결국, 구조물층(140) 상면의 침식은 광변조기 소자의 광반사 특성에 악영향을 미치게 되므로, 구조물층(140)의 상면에 보호층(141)을 둠으로써 광변조기 소자 의 광반사 특성을 개선시킬 수 있다.
도 9의 (d)-(5)를 참조하면, 구조물층(140)의 중앙 부분 즉, 리본 상에 적층되어 있는 보호층(141)을 식각한다. 이러한 보호층(141) 일부의 식각 공정은 리본 상에 상부 광반사층이 형성될 위치를 확보하기 위한 것이다.
이때, 보호층(141)의 식각에는 습식 스테이션(wet station) 장비를 이용한 습식 식각법(wet etching)이 이용될 수 있다.
상술한 도 9의 단계 (d)-(1) 내지 도 9의 (d)-(5)의 과정을 통해 도 8의 (d)의 형태가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 접합층을 가지는 광변조기 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 압전 구동체의 하부에 접합층을 형성시킴으로써 부착력(adhesion)을 개선시키고, 압전 구동체와 보호층간의 계면 분리 현상을 방지하여 압전 구동체의 동작 특성의 불량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 접합층을 가지는 광변조기 소자 및 그 제조 방법은 광변조기 소자 제조 공정 중에 발생하는 산소 등의 확산에 의한 산화를 방지할 수 있고, 이를 통하여 압전 구동체의 동작 특성의 열화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 압전 구동체의 동작 특성을 개선함으로써 광변조기 소자의 특성 열화를 방지하고, 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
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.

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 절연층;
    중앙 부분이 상기 절연층과 소정의 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층;
    상기 구조물층의 양 측단 상에 위치하는 보호층;
    상기 보호층 상에 위치하고, 부착성이 있으며 가스의 확산을 방지하는 접합층; 및
    상기 접합층을 게재하여 상기 보호층과 결합하고, 상기 구조물층의 상기 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체
    를 포함하는 광변조기 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 상부 및 상기 구조물층의 하부에 위치하고, 상기 구조물층을 지지하는 희생층을 더 포함하되,
    상기 희생층은 상기 구조물층의 상기 중앙 부분의 하면에 위치하는 부분이 식각되어 상기 절연층과 상기 소정의 간격만큼 이격되게 하는 광변조기 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 구동체는
    하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하고, 소정의 전압에 상응하여 수축 또는 팽창을 하여 상기 구조물층의 중앙 부분에 상하 구동력을 발생시키는 압전층; 및
    상기 압전층 상에 위치하고, 상기 하부 전극 간에 상기 압전층에 형성되는 상기 소정의 전압을 인가하는 상부 전극을 포함하는 광변조기 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합층을 구성하는 물질은 Al2O3, TiO2, TiN, TiSiN, TaN, TaSiN, Ta2O3, Ta2O5 및 WN 중 어느 하나인 광변조기 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접합층은 산소의 확산을 방지하는 광변조기 소자.
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