KR100924285B1 - 광 모듈레이터 소자 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 모듈레이터에 관한 것으로, 특히 리본을 기판의 표면과 동일한 평면상에 위치시키도록 하여 신뢰성과 안전성을 높이고, 대량 생산이 용이하도록 한 광 모듈레이터의 제조방법에 관한 것이다. 종래에는 브릿지형 리본이 상하 기계적인 구동을 하기 때문에 기판과의 접하는 부분인 브릿지 포스트에 응력(STRESS)이 집중되며, 이에 따라 기계적인 구성이 취약한 구조적인 문제점이 있으며, 고속 동작 시 편평도가 확보되지 않아 회절이 일정하지 않은 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 브릿지형 리본을 기판과 동일한 평면상에 위치시키며, 에어갭을 기판 내부에 자유롭게 조절하면서 구성할 수 있도록 하는 것으로, 리본의 구동 전압 및 속도, 사용 레이저 빔의 파장을 고려한 정밀 설계가 가능할뿐만 아니라 기판과 평탄한 브릿지 포스트의 응력 분산으로 인해 기계적 안정성과 신뢰성이 개선되며, 외부 불순물 입자들로부터 소자를 보호할 수 있기 때문에 고성능, 고수율, 저가격의 광 모듈레이터를 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

광 모듈레이터 소자 제조 방법{LIGHT MODULATOR MANUFACTURING METHOD}

도 1은 종래 광 모듈레이터를 도시한 것이다.

도 2는 종래 광 모듈레이터의 동작 원리를 도시한 것이다.

도 3은 종래 광 모듈레이터를 이용한 레이저 디스플레이의 개략도이다.

도 4는 본 발명 광 모듈레이터 제조 방법의 일실시예를 나타낸 수순 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 기판 11: 절연층

12: 제 1포토레지스트 13: 에어갭

14: 희생층 15: 제 2포토레지스트

16: 리본층 17: 패드부

18: 전극층

본 발명은 광 모듈레이터에 관한 것으로, 특히 리본을 기판의 표면과 동일한 평면상에 위치시키도록 하여 신뢰성과 안전성을 높이고, 대량 생산이 용이하도록 한 광 모듈레이터의 제조방법에 관한 것이다.

레이저 빔을 이용한 디스플레이 방식은 레이저 고유의 특징인 장거리 투사 능력과 직진성에 힘입어 수백인치 이상의 고선명, 고화질 화면 출력이 가능하며, 색 구현 영역이 매우 넓은 특징을 지니고 있다.

하지만, 광원의 소형화 및 적절한 광 변조기의 개발이 상용화의 걸림돌이 되었다.

레이저 빔을 이용한 디스플레이 방식 중 1990년 스탠포드 대학의 데이비드 블룸(David Bloom) 교수가 개발한 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 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 광 모듈레이터의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a는 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 실 리콘 산화막과 같은 유전막이다. 상기 고온용 금속막인 하부전극(3)은 텅스텐을 사용한다.

상기 복수의 리본(4)은 광반사도가 높으며, 상기 하부전극(3)에 대한 상부전극의 역할을 수행할 수 있는 알루미늄과 같은 도전물질을 사용한다.

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.

도 1b는 상기 리본(4)의 동작을 더욱 자세히 관찰할 수 있도록 한 광 모듈레이터의 측면도로서, 교번하는 리본(4)에 전압을 인가한 것이다.

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.

상기 리본(4)의 전형적인 수는 픽셀당 6개이며, 이중 3개는 고정되어 있으며 교번되어 위치된 3개는 전압에 따라 하부 전극(3)과 전압차가 생겨 그 정전기력에 의해 움직이게 된다. 따라서, 구동부의 구조가 복잡한 형태를 가지므로 구동부의 기계적 안정성과 고속 동작 시 편평도의 확보는 해결해야할 문제로 남아있다.

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.

또한, 상기 회절되는 회절각은 픽셀이 작을수록 크게 되며, 디스플레이에 있어 큰 회절각은 시스템의 크기를 줄일 수 있기 때문에 바람직하다.

도3은 상기 GLV를 이용한 투사장치의 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(5)의 광을 GLV(7)측으로 반사함과 아울러 GLV(7)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 프리즘(6)과; 상기 GLV(7)에서 회절된 광을 집속하여 스크린(9)에 표시하는 렌즈(8)로 구성된다.

이와 같은 GLV(7)를 이용한 투사장치는 GLV(7)에서 회절된 광과 직접 반사되는 광원(5)의 광을 분리하여, 회절된 광 만을 사용하여 표시하게 되므로, 상기 반 사되는 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(5)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(6)을 위치시켜 렌즈(8)에 ±1차광 만이 도달할 수 있도록 하며, 상기 렌즈(8)를 통해 집속된 광은 스크린(9) 상에 표시된다.

상기한 바와 같이 종래에는 브릿지형 리본이 상하 기계적인 구동을 하기 때문에 기판과의 접하는 부분인 브릿지 포스트에 응력(STRESS)이 집중되며, 이에 따라 기계적인 구성이 취약한 구조적인 문제점이 있으며, 고속 동작 시 편평도가 확보되지 않아 회절이 일정하지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 브릿지형 리본을 기판과 동일한 평면상에 위치시켜 브릿지 포스트 응력을 분산함과 아울러 리본의 성능을 정확하고 다양하게 변형할 수 있으면서도 대략 생산이 용이한 광 모듈레이터 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 제 1절연층을 형성한 후 제 1포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 제 1절연층과 기판의 일부를 식각하는 단계와; 상기 제 1포토레지스트와 상기 제 1절연층을 제거한 후 상기 형성된 기판 상에 제 2절연층을 형성하고, 그 상부에 희생층을 식각된 기판의 높이로 형성한 후 그 상부에 제 2포토레지스트를 형성하는 단계와; 기판 상의 식각 부분에서 상기 제 2포토레지스트를 잔류시키고 상기 식각 부분을 제외한 부분에서 상기 제 2포토레지스트를 제거하여, 상기 식각 부분을 제외한 부분에서 상기 희생층이 드러나도록 상기 제 2포토레지스트가 형성된 구조물을 전면 건식각하는 단계와; 상기 노출된 희생층을 상기 제 2절연층이 드러나도록 건식각하여 상기 식각 부분을 제외한 부분의 희생층을 제거하는 단계와; 상기 잔류하는 제 2포토레지스트를 제거한 후 리본으로 사용될 리본층을 상기 제 2포토레지스트가 제거된 구조물 상에 형성한 후 적절한 위치에서 상기 리본층 및 절연층을 식각하여 접지전극 패드부를 형성하는 단계와; 상기 접지전극 패드부가 형성된 구조물 상부에 전극층을 형성한 후 이를 패터닝하여 상부전극과 접지 전극을 형성하는 단계와; 상기 전극층의 패턴을 이용하여 상기 희생층이 드러나도록 리본층을 식각하여 리본을 형성하고, 상기 드러나는 희생층을 식각하여 상기 희생층을 선택적으로 제거하는 단계로 이루어진다.

상기 리본층은 Si₃N₄ 박막을 리본의 평편도를 고려하여 적절한 인장 응력이 되도록 증착하는 것을 특징으로한다.

상기 기판을 식각하는 깊이를 조절하는 것으로 에어갭의 높이를 조절하여 리본의 동작 거리 및 구동 전압을 조절하는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 광 모듈레이터 소자 제조 방법을 첨부된 도면 4a 내지 4h의 수순 단면도를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10) 상에 SiO₂ 유전막을 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LPCVD) 방법 또는 열산화 막 형성 방법을 통해 형성하여 이를 제 1절연층(11)으로 사용한다. 이는 이후 기판(10) 내부에 형성할 에어갭(air-gap)을 위한 전면 식각 억제층으로 사용된다.

그 다음, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 제 1절연층(11) 상에 제 1포토레지스트(12)를 형성하고 에어갭이 형성될 위치에 맞게 패터닝한 후 건식 식각방법으로 드러난 제 1절연층(11) 및 기판(10)의 일부를 식각하여 에어갭(13)을 형성한다. 상기 기판(10)이 식각되는 에어갭(13)의 깊이는 자유롭게 조절될 수 있는데, 이를 통해 이후 형성될 리본의 동작 전압 및 리본의 동작 거리를 정밀하게 설정할 수 있게된다. 즉, 광 모듈레이터의 성능 및 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 의미가 된다.

그 다음, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1포토레지스트(12)와 상기 제 1절연층(11)을 제거한 후 상기 에어갭(13)이 형성된 기판 상에 제 2절연층(11')을 형성하고, 그 상부에 희생층(14)을 식각된 기판의 높이로 형성한 후 그 상부에 제 2포토레지스트(15)를 형성한다. 상기 제 2절연층(11')은 절연 및 식각 억제층으로서 역시 SiO₂ 유전막을 LPCVD 또는 열산화 공정을 통해 형성되며, 상기 희생층(14)은 폴리 실리콘을 LPCVD 등의 방법으로 형성한다. 이때, 상기 희생층(14)의 두께는 상기 기판 상에 형성한 에어갭(13)의 높이와 동일하게 한다.

이후 형성되는 상기 제 2포토레지스트(15)는 에어갭(13) 부분의 굴곡에 의해 완만한 경사면을 가지게 된다.

그 다음, 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2포토레지스트(15)를 마스크 없이 전면 식각하여 상기 에어갭(13) 부분에 형성된 제 2포토레지스트(15)를 제외 한 제 2포토레지스트(15)가 제거되어 희생층(14)이 드러나도록 한다.

그 다음, 도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 노출된 희생층(14)을 상기 제 2절연층(11')이 드러나도록 건식각하여 기판 상의 희생층(14)을 제거하는데, 에어갭 부분에 형성된 희생층(14)은 그 상부에 잔류하는 제 2포토레지스트(15)에의해 보호된다.

그 다음, 도 4f에 도시된 바와 같이 상기 잔류하는 제 2포토레지스트(15)를 제거하는 것으로 에어갭(13)이 희생층(14)으로 채워진 평탄한 하부 구조물이 구성된다. 그 상부에 리본으로 사용될 Si₃N₄ 리본층(16)을 편평도를 고려한 적절한 인장 응력(tensile stress)이 되도록 형성한 후 적절한 위치에서 상기 리본층(16) 및 절연층(11')을 식각하여 접지전극 패드부(17)를 형성한다. 즉, 기판(10) 자체를 정전기력의 접지 전극으로 사용하기 위해서 상기 에어갭(13) 이외의 위치에 실리콘 기판(10)이 노출되도록 포토레지스트 패턴(미도시)을 이용하여 건식 식각을 실행한 것이다.

그 다음, 도 4g에 도시된 바와 같이, 상기 형성된 구조물 상부에 전극층을 형성한 후 이를 패터닝하여 상부전극(18)과 접지 전극(18')을 형성한다. 상기 전극층으로 사용될 금속 박막은 다수의 고정 및 동작 리본의 형상을 가지는 상부 전극(18)이 됨과 동시에 접지 전극(18') 패드가 되도록 패터닝된다. 그 다음, 상기 형성된 상부 전극(18)을 패턴으로 이용하여 리본층(16)을 건식각 하는 것으로 다수의 리본 브릿지를 형성하면서 하부 희생층(14)을 노출시킨다.

마지막으로, 도 4h에 도시된 바와 같이, 상기 드러난 희생층(14)을 XeF₂가스를 이용하여 식각하여, 선택적으로 제거하는 것으로 에어갭(14')이 형성된다.

즉, 기판(10)과 동일 평면상에 브릿지 구조체를 제작한 광 모듈레이터 소자를 제조할 수 있게 되며, 상기 에어갭(14')의 높이를 조절하는 것으로 리본의 구동 전압 및 속도, 사용 레이저빔의 파장들을 용이하고 정확하게 설정할 수 있다. 또한, 리본 브릿지의 평탄함이 제공하는 기계적 안정성과 신뢰성이 향상되고, 불순물 입자(particle)들의 유입이 방지된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 브릿지형 리본을 기판과 동일한 평면상에 위치시키며, 에어갭을 기판 내부에 자유롭게 조절하면서 구성할 수 있도록 하는 것으로 리본의 구동 전압 및 속도, 사용 레이저 빔의 파장을 고려한 정밀 설계가 가능할뿐만 아니라 기판과 평탄한 브릿지 포스트의 응력 분산으로 인해 기계적 안정성과 신뢰성이 개선되며, 외부 불순물 입자들로부터 소자를 보호할 수 있기 때문에 고성능, 고수율, 저가격의 광 모듈레이터를 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 기판 상에 제 1절연층을 형성한 후 제 1포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 제 1절연층과 기판의 일부를 식각하는 단계와; 상기 제 1포토레지스트와 상기 제 1절연층을 제거한 후 상기 형성된 기판 상에 제 2절연층을 형성하고, 그 상부에 희생층을 식각된 기판의 높이로 형성한 후 그 상부에 제 2포토레지스트를 형성하는 단계와; 기판 상의 식각 부분에서 상기 제 2포토레지스트를 잔류시키고 상기 식각 부분을 제외한 부분에서 상기 제 2포토레지스트를 제거하여, 상기 식각 부분을 제외한 부분에서 상기 희생층이 드러나도록 상기 제 2포토레지스트가 형성된 구조물을 전면 건식각하는 단계와; 상기 노출된 희생층을 상기 제 2절연층이 드러나도록 건식각하여 상기 식각 부분을 제외한 부분의 희생층을 제거하는 단계와; 상기 잔류하는 제 2포토레지스트를 제거한 후 리본으로 사용될 리본층을 상기 제 2포토레지스트가 제거된 구조물 상에 형성한 후 상기 리본층 및 절연층을 식각하여 접지전극 패드부를 형성하는 단계와; 상기 접지전극 패드부가 형성된 구조물 상부에 전극층을 형성한 후 이를 패터닝하여 상부전극과 접지 전극을 형성하는 단계와; 상기 전극층의 패턴을 이용하여 상기 희생층이 드러나도록 리본층을 식각하여 리본을 형성하고, 상기 드러나는 희생층을 식각하여 상기 희생층을 선택적으로 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 소자 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 리본층은 Si₃N₄ 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 소자 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 식각하는 깊이를 조절하는 것으로 리본의 동작 거리 및 구동 전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 광 모듈레이터 소자 제조 방법.

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