KR102262216B1 - 광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치 - Google Patents

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Abstract

광 변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치가 개시된다. 개시된 광 변조기는 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드를 이용하여 픽셀 어레이 형태로 마련되며 전계흡수에 의해 광을 변조하도록 된 광변조부와, 광변조부의 PIN형 다이오드에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터를 포함하는 제어부를 구비한다. 이때, PIN형 다이오드와 트랜지스터가 액티브 매트릭스 형태로 어레이된다.

Description

광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치{Light modulator and digital exposure apparatus applying the same}
광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전계흡수형 광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액정 디스플레이(LCD: Liquid Crystal Display)나 유기발광 디스플레이(OLED) 등의 다양한 디스플레이용 평판 패널을 제작하는 공정에서 기판에 패턴을 형성하는 방법은, 먼저, 기판에 패턴 재료를 도포하고, 포토 마스크를 사용하여 패턴 재료에 선택적 노광을 하여 화학적 성질이 달라진 패턴 재료 부분 또는 그 외의 부분을 선택적으로 제거함으로써 패턴을 형성한다.
기판이 점차 대형화되고 패턴이 정밀화되어 감에 따라 포토 마스크를 사용하지 않고서도 기판에 패턴을 형성할 수 있는 디지털 노광 장치가 개발되고 있다.
디지털 노광 장치는, 기존의 포토 마스크를 이용한 리소그래피가 갖는 고가의 마스크 비용 문제를 해결하기 위해서 제안된 것으로, 석영기판에 크롬(Cr) 등을 이용해 특정 영역의 빛을 차단하는 포토 마스크 대신 빛의 투과나 반사를 변화시킬 수 있는 픽셀을 배열한 후 각 픽셀들을 제어하는 광변조기를 이용함으로써 목적하는 패턴을 형성하는 기술이다.
즉, 디지털 노광 장치는 광변조기를 사용하여 전기적인 신호로 만들어진 패턴 정보를 가지고 광빔을 기판에 전사시키는 방식을 통해 패턴을 형성한다. 광변조기의 예로 DMD(Digital Micro-mirror Device)가 있다. DMD는 복수의 마이크로 미러(micro mirror)가 일정한 각도를 가지고 입사된 광을 원하는 각도로 보내고, 그 외의 광은 다른 각도로 보냄으로써 필요한 광만을 이용하여 노광 면상에 패턴을 노광하는 원리이다.
이러한 DMD 등을 이용한 광변조기는 반응 속도가 수백 Hz에서 수백 kHz 수준으로 매우 느려서, 양산에 필요한 수준의 택트 타임(tact time)을 확보하기 어렵다. 또한, 광변조기의 픽셀 크기도 수십 μm 수준으로 향후, 고해상도 구현에 한계를 가지고 있다.
고속 반응이 가능해서 양산성 확보를 위한 충분한 속도를 얻을 수 있으며, 해상도 향상을 위해 어레이의 픽셀 크기를 줄이는 것이 가능한 전계흡수형 광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기는, 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드를 이용하여 픽셀 어레이 형태로 마련되며, 전계흡수에 의해 광을 변조하도록 된 광변조부와; 상기 광변조부의 PIN형 다이오드에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터를 포함하는 제어부;를 구비하며, 상기 PIN형 다이오드와 상기 트랜지스터가 액티브 매트릭스 형태로 어레이될 수 있다.
상기 광변조부는, 상기 PIN형 다이오드 상,하부 중 적어도 일측에 마련된 미러층;을 더 포함할 수 있다.
상기 미러층은 분포 브래그 반사기일 수 있다.
상기 광변조부는, 상기 PIN형 다이오드 상,하부에 스택구조로 형성된 제1 및 제2미러층;을 구비하며, 상기 제1 및 제2미러층 중 적어도 하나는 분포 브래그 반사기일 수 있다.
상기 광변조부는, 상기 PIN형 다이오드 상,하부 중 일측에 마련된 미러층과; 다른측에 마련된 분포 브래그 반사기;를 더 포함할 수 있다.
상기 광변조부와 제어부는 스택구조를 이룰 수 있다.
상기 광변조부는, 제1기판 상에 순차로 스택되는 제1분포 브래그 반사기, 제1도전형으로 도핑된 제1물질층, 다중양자우물층, 상기 제1도전형과는 반대의 제2도전형으로 도핑된 제2물질층, 미러층을 포함하며, 상기 제1물질층, 다중양자우물층, 제2물질층은 3족 질화물 반도체 물질로 이루어지고, PIN형 다이오드를 구성할 수 있다.
상기 제1물질층 및 제2물질층은 GaN를 포함할 수 있다.
상기 다중양자우물층은 InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1분포 브래그 반사기는 AlGaN/GaN의 반복 스택으로 이루어질 수 있다.
상기 미러층은 제2분포 브래그 반사기고, 상기 미러층 상에 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 미러층은 전극층으로 사용될 수 있다.
상기 제1기판과 상기 제1분포 브래그 반사기 사이에 버퍼층;을 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼층은 도핑되지 않은 GaN를 포함할 수 있다.
상기 제1기판은 사파이어를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제어부는, 제2기판과; 상기 제2기판 상에 형성된 트랜지스터 어레이를 포함할 수 있다.
상기 제2기판은 실리콘을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기를 제조하는 방법은, 픽셀 어레이 형태로 상기 광변조부를 형성하는 단계와; 상기 제어부를 형성하는 단계와; 각 픽셀의 광변조부와, 이에 대응되게 상기 광변조부의 PIN형 다이오드에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터가 위치하도록, 상기 광변조부와 상기 제어부를 접합시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 광변조부와 상기 제어부는 플립-칩 본딩에 의해 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디지털 노광 장치는, 광을 발생시키는 광원부와; 상기 광원부에서 입사되는 광빔을 변조하여 노광할 이미지 정보를 가지는 노광빔으로 변조하는 상기 광 변조기;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 따르면, 3족 질화물 반도체를 이용한 전계흡수 방식으로 UV광을 변조할 수 있으므로, 디지털 노광 장치에 적용시, 고속 구동과 고해상도 구현이 가능하다. 본 발명에 실시예에 따른 광 변조기에 따르면, 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드와 트랜지스터가 액티브 매트릭스 형태로 어레이되어, 전계흡수 방식으로 UV광을 변조할 수 있으므로, 고속 반응이 가능해서 양산성 확보를 위한 충분한 속도를 얻을 수 있으며, 해상도 향상을 위해 어레이의 픽셀 크기를 줄이는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기를 디지털 노광 장치에 적용하면, 디스플레이 패널의 제작에 기존에 이용되고 있는 DMD형 광변조기에 비해 월등히 우수한 구동속도와 분해능을 기대할 수 있으므로, 고가의 마스크를 대체할 수 있어, 마스크 제작에 소요되는 시간을 생략할 수 있어서 공정비용 절감에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 다중양자우물의 동작 원리를 보여준다.
도 2는 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW)에서 전압 인가에 따른 InGaN 우물(well) 층의 광흡수율 변화를 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기의 픽셀 배열을 개략적으로 보여준다.
도 4는 도 3의 광 변조기의 스택 구조를 개략적으로 보여준다.
도 5는 도 3의 광 변조기의 광변조부의 실시예를 보여준다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 적용되는 광변조부의 적층 구조의 일예를 보여준다.
도 6b는 도 6a의 광변조부에 인가되는 전압에 따른 UV의 반사율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 적용되는 광변조부의 적층 구조의 다른 예를 보여준다.
도 7b는 도 7a의 광변조부에 인가되는 전압에 따른 UV의 반사율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기를 제조하는 과정을 개략적으로 보여준다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기를 적용한 디지털 노광 장치를 개략적으로 보여준다.
도 11은 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)의 콘트라스트 커브(contrast curve)를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 전계흡수형 광변조기 및 이를 적용한 디지털 노광 장치를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
반도체 재료는 외부에서 조사된 빛이 재료의 밴드갭 에너지(bandgap energy)에 해당하는 에너지를 가질 경우 그 빛을 흡수할 수 있다. 이때 도 1에서와 같이 반도체 재료 양단에 역전압을 인가하면 인가되는 전압의 세기에 따라 흡수되는 빛의 양이 변화한다. 이러한 현상은 인가된 전압에 의해 밴드갭 구조가 변하고 이로 인해 광흡수에 의한 전자-홀 쌍(electron-hole pair)형성이 영향을 받아 나타나는 것으로, 벌크한 구조의 반도체에서도 나타나지만, 특히 다중 양자 우물(MQW: multiple quantum well)에서 양자 구속 효과(quantum confined effect)에 의해 도 2의 그래프와 같이 두드러지게 나타난다. 도 2의 그래프는 405nm의 UV를 변조하기 위해 설계된 본 발명의 실시예에 따른 광변조기의 InGaN/GaN 다중 양자 우물(MQW)에서 InGaN 우물(well) 층이 갖는 광흡수 계수를 계산에 의해 도출한 결과이다. 다중 양자 우물에 전압이 인가되지 않았을 경우 낮은 흡수계수를 갖지만, 역전압 16 V가 인가되면서 흡수계수가 4배 이상 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 흡수계수의 변화는 해당파장의 빛의 흡수량 조절에 의해 투과율이나 반사율의 변조가 가능해지는 것을 의미한다. 디지털 노광에 이용되는 파장은 UV 영역대의 g, h, i -line (파장 426 ~ 365nm)을 주로 이용한다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기는 디지털 노광에 주로 이용되는 UV 영역대 예컨대, g, h, i -line (파장 426 ~ 365nm) 파장 대역이나, KrF 레이저에 의한 280nm 파장 대역의 UV 광을 전계흡수(eletroasorption)에 의해 픽셀별로 변조하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기는, UV 영역의 파장 대역에서 밴드갭을 갖는 반도체 재료인 GaN, InN, AlN 등과 같은 3족 질화물을 사용하며, 이들이나 이들의 합금을 통해 우물 영역이 목적하는 파장의 밴드갭을 갖도록 하고, 배리어(barrier) 영역에 그보다 큰 밴드갭을 갖도록 하는 양자 우물 구조를 만들어 목적하는 파장에서 전계흡수형 광변조기로 사용할 수 있도록 마련된다.
본 발명의 실시예에 따른 광변조기의 적용 파장 대역은 상기의 예시에 한정되는 것은 아니며, 3족 질화물을 포함하는 반도체 물질에 의해, 전계흡수가 가능한 다양한 파장 대역이 가능하다.
PIN형 다이오드를 p-GaN/InGaN/n-GaN 구조로 만들고 역전압을 인가하는 경우, h-line (405nm 대역)의 UV를 변조할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에서와 같이, PIN형 다이오드에 다중양자우물 구조를 이용하는 경우, 벌크한 다이오드 구조보다 광변조 효율을 높이고, 변조에 이용되는 전압을 낮출 수 있다. 다중양자우물 구조의 PIN형 다이오드는, 예를 들어, n-GaN 위에 InGaN 우물(well)과 GaN 배리어(barrier)로 이루어진 다중양자우물 구조를 적층하고 p-GaN을 적층하여 구현할 수 있으며, 이 경우, 405nm h-line UV를 변조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에서는, 우물이나 미러층을 제외한 모든 층을 목적하는 파장의 빛을 투과시키도록 구성할 수 있다. 예를 들어, PIN형 다이오드를 형성하는 기판에 3족 질화물 반도체에 적합한 사파이어(sapphire)를 이용할 경우 g, h, i- line UV 영역대의 빛을 투과시킬 수 있다.
여기서, 상부 p-컨택 전극에 ITO와 같은 투명한 전극소재나 수nm 두께의 얇은 금속소재를 이용하는 경우, 빛을 투과시킬 수 있는 투과형의 광 변조기를 구현할 수 있다. 이러한 투과형의 광 변조기에서도 투과되는 빛의 강도는 전극에 걸리는 역전압의 세기에 의해 조절된다. 한편, 우물을 제외한 모든 층이 목적파장에 투명하도록 제작한 후 상부 p-컨택 부분에 반사막(mirror)을 형성하여 입사하는 빛을 반사시킬 수 있다. 또는 광 변조기의 아래쪽이나 기판의 하부에 반사막을 형성하고 빛을 위쪽에서 조사하여 이용할 수도 있다. 이 때, 반사막으로는 금속박막이나 분포 브래그 반사기(DBR: distributed Bragg reflector) 구조를 반사막의 위치에 따라 적절히 이용할 수 있다. 반사형을 이용할 경우 빛이 다중양자우물을 적어도 2회 이상 지나게 되므로 변환효율을 향상시킬 수 있다. 투과형을 이용할 경우 반사형에 비해 노광 장치에 단순한 광학계를 사용할 수 있다. 그리고 광 변조기의 빛이 입사되는 면에는 입사율을 높이기 위해서 반사방지막을 코팅할 수 있다. 예를 들어, 기판으로부터 빛이 입사하는 경우 기판 뒷면에 목적파장의 1/4에 해당하는 광학두께(optical thickness)를 갖는 SiO2나 Si3N4와 같은 유전체를 코팅할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 따르면, 광 변조기에 입사된 빛이 다중양자우물 영역에서 충분히 반응할 수 있는 기회를 주기 위해서 소자의 양단에 빛을 반사시킬 수 있는 층을 넣어 패브리-패롯 공진기(Fabry-Perot cavity) 형태로 빛이 공진되는 구조를 만들 수 있다. 이 경우, 빛은 입사된 후 바로 광 변조기를 빠져나가는 것이 아니라, 공진과정에서 광 변조기 내에서 여러 번의 반사를 거친 후 나가게 된다.
하나의 예로, 후술하는 도 6a에서와 같이, 분포 브래그 반사기(DBR) 구조를 다중양자우물 양단에 형성할 수 있다. 예를 들어, h-line (405nm) UV용인 경우 AlGaN/GaN 구조를 분포 브래그 반사기(DBR)로 이용할 수 있다. 이때, 하부의 분포 브래그 반사기는 다중양자우물을 가지는 PIN형 다이오드의 n형 물질층 아래에 도핑하지 않은 상태로 적층할 수 있다. 이때 하부에서 빛이 입사되고 반사되어 나오도록 광 변조기를 구성하는 경우, 하부 분포 브래그 반사기의 반사율이 상부 분포 브래그 반사기의 반사율보다 낮도록 반사율을 조절하며, 공진이 일어날 수 있도록 두 회절 브래기 반사기 간의 반사율 차이를 조절할 수 있다.
다른 예로, 후술하는 도 7a에서와 같이, 다중양자우물 하부에는 AlGaN/GaN형태의 분포 브래그 반사기를 이용하고, 상부에는 p-컨택을 위한 금속막을 미러로 이용할 수 있다. 이때, 하부 분포 브래그 반사기는 다중양자우물을 가지는 PIN형 다이오드의 n형 물질층 아래에 도핑하지 않은 상태로 적층할 수 있다.
디지털 노광에 이용하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기는 픽셀형태로 2차원적인 어레이로 형성된다. 또한 각 픽셀간의 광간섭을 막기 위해서 활성 영역 이외의 영역을 블랙 매트릭스(black matrix) 형태로 구성하여 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 못하도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기에 따르면, 각 픽셀에 제어 트랜지스터를 형성하여 액티브 매트릭스(active matrix) 형태로 각 픽셀의 변조를 조절할 수 있다. 이러한 액티브 매트릭스 형태의 광 변조기를 반사형으로 구현하기 위하여, 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드를 예컨대, 사파이어 웨이퍼에서 에피탁시로 성장시킨 후 패터닝하여 픽셀 어레이를 형성할 수 있다. 각 픽셀을 제어하기 위한 제어부 즉, 제어회로는 예컨대, 실리콘 웨이퍼 상에 CMOS공정을 통해 제작할 수 있다. 이러한 각 픽셀을 이루는 PIN형 다이오드와 제어회로를 접합 예컨대, 플립-칩 본딩(flip-chip bonding)에 의해 접합하여 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)의 픽셀 배열을 개략적으로 보여준다. 도 4는 도 3의 광 변조기(10)의 스택 구조를 개략적으로 보여준다. 도 5는 도 3의 광 변조기(10)의 광변조부(30)의 실시예를 보여준다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)는, PIN형 다이오드(40)를 이용하여 픽셀 어레이 형태로 마련되는 광변조부(30)와, 상기 광변조부(30)의 PIN형 다이오드(40)에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터(55) 예컨대, 박막 트랜지스터를 포함하는 제어부(50)를 구비한다. 이때, 상기 PIN형 다이오드(40)와 상기 트랜지스터(55)는 도 3에 보여진 바와 같이, 액티브 매트릭스 형태로 어레이될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 광변조부(30)는 제1기판(31) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1기판(31)은 투명 기판으로서, 예를 들어, 사파이어 기판일 수 있다. 상기 제어부(50)는 제2기판(51)과, 이 제2기판(51)상에 형성된 트랜지스터(55) 어레이를 포함할 수 있다. 상기 제2기판(51)은 반도체 회로를 형성하는데 사용가능한 기판 예컨대, 실리콘 기판일 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)를 투과형으로 구성하는 경우, 상기 제2기판(51)으로는 투명 박막 트랜지스터(55)나, 투명 평판 디스플레이 등을 제조하는데 사용되는 다양한 투명 기판을 적용할 수도 있다. 또한, 상기 제2기판(51) 상에 형성되는 제어부(50)도 투명 회로로 형성될 수 있다.
상기 광변조부(30)와 상기 제어부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스택 구조를 이루도록 결합될 수 있다. 즉, 각 픽셀의 광변조부(30)와, 이에 대응되게 상기 광변조부(30)의 PIN형 다이오드(40)에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터(55)가 위치하도록, 상기 광변조부(30)와 제어부(50)가 접합될 수 있다. 이때, 상기 광변조부(30)와 제어부(50)는 예를 들어, 플립-칩 본딩에 의해 접합될 수 있다.
광변조부(30)는, 다중양자우물을 구비하는 PIN형 다이오드(40)를 포함하는 적층 구조를 상기 제1기판(31) 상에 에피탁시 성장시킨후, 패터닝하여 픽셀 어레이로 제작될 수 있다. 상기 광변조부(30)는 각 픽셀간의 광간섭을 막기 위해서 활성 영역 이외의 영역을 블랙 매트릭스(black matrix:35) 형태로 구성하여 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 못하도록 형성될 수 있다.
픽셀 어레이로 구성된 광변조부(30)를 제어하기 위한 제어부(50)는 상기 제2기판(51) 상에 예를 들어, CMOS 공정을 통해 제작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)는, 각 픽셀을 이루는 PIN형 다이오드(40)를 포함하는 광변조부(30)와, 제어부(50)(제어회로)를 접합 예컨대, 플립-칩 본딩에 의해 접합하여 얻어질 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 광변조부(30)는, 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드(40)를 구비할 수 있다. 즉, 상기 광변조부(30)는 제1도전형으로 도핑된 제1물질층(41), 다중양자우물층(MQW:43), 제1도전형과는 반대의 제2도전형으로 도핑된 제2물질층(45)을 포함하며, 상기 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45)이 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 PIN형 다이오드(40)를 이루도록 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2물질층(41)(45)은 예컨대, GaN을 포함할 수 있다. 이때, 제1물질층(41)은 n형으로 도핑되고, 제2물질층(45)은 p형으로 도핑될 수 있다. 즉, 상기 제1물질층(41)은 예컨대, n-GaN층으로 이루어지고, 상기 제2물질층(45)은 예컨대, p-GaN층으로 이루어질 수 있다. 상기 다중양자우물층(43)은, 예를 들어, InGaN/GaN의 다중 양자 우물 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45)은 UV 영역의 파장 대역에서 밴드갭을 갖는 반도체 재료인 다양한 3족 질화물 예컨대, GaN, InN, AlN 등을 포함하는 다양한 물질 구성을 가질 수 있다.
한편, 상기 광변조부(30)는, PIN형 다이오드(40) 상,하부 중 적어도 일측에 마련된 미러층을 더 포함 할 수 있다. 예를 들어, 상기 광변조부(30)는 도 5에서와 같이 상기 PIN형 다이오드(40) 하부 및 상부에 각각 제1 및 제2미러층(33)(37)을 더 구비할 수 있다. 이와 같이, PIN형 다이오드(40) 양쪽에 제1 및 제2미러층(33)(37)을 두는 경우, 광변조부(30)를 패브리-패롯 공진기로 형성하여 빛이 공진되는 구조를 만들 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2미러층(33)(37) 중 적어도 하나는 분포 브래그 반사기(DBR)로 형성할 수 있다. 예를 들어, 광변조부(30)를, 제1기판(31) 상에 순차로 스택되는 제1미러층(33:DBR), 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45), 제2미러층(37)을 포함하는 구조로 형성할 수 있다. 또한, 광변조부(30)를, 제1기판(31) 상에 순차로 스택되는 제1미러층(33:DBR), 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45), 제2미러층(37:DBR)을 포함하는 구조로 형성할 수 있다. 즉, 제1미러층(33)으로 DBR을 구비하고, 제2미러층(37)으로 DBR을 구비하거나 단순한 반사막을 구비할 수 있다.
여기서, PIN형 다이오드(40) 하부에 위치된 제1미러층(33)을 분포 브래그 반사기(DBR)로 형성하고, PIN형 다이오드(40) 상부에 위치된 제2미러층(37)을 단순한 반사막으로 형성하는 경우, 상기 제2미러층(37)을 전극 물질 예컨대, 금(Ag)으로 형성함으로써, p형 컨택 전극 겸용으로 사용할 수도 있다.
상기와 같이, PIN형 다이오드(40) 하부 및 상부에 패브리-패롯 공진기를 구성하도록 제1 및 제2미러층(33)(37)을 구비하는 경우, 제1기판(31)을 통하여 상기 광변조부(30)로 입사된 광이 입사된후 바로 광변조부(30)를 빠져 나가는 것이 아니라, 공진 과정에서 광변조부(30) 내에서 여러번의 반사를 거치게 되므로, 전계흡수율을 증가시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2미러층(33)(37)의 반사율 차이에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)는 반사형이나 투과형으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 제1기판(31)을 통하여 광이 입사되는 경우를 고려할 때, 제2미러층(37)의 반사율이 제1미러층(33)보다 큰 경우에는 광 변조기(10)에 의해 변조된 광은 제1기판(31)을 통하여 출사되므로 광 변조기(10)는 반사형으로 작동하게 된다. 반면에, 제2미러층(37)의 반사율이 제1미러층(33)보다 작은 경우에는 광 변조기(10)에 의해 변조된 광은 제1기판(31)과 반대쪽으로 출사되므로 광 변조기(10)는 투과형으로 작동하게 된다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)에 적용되는 광변조부(30)의 적층 구조의 일예를 보여준다. 도 6b는 도 6a의 광변조부(30)에 인가되는 전압에 따른 UV의 반사율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 광변조부(30)는, 제1기판(31) 상에 제1미러층(33), PIN형 다이오드(40), 제2미러층(37)을 적층한 구조로 형성될 수 있다. 상기 PIN형 다이오드(40)는 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45)을 포함할 수 있다. 광변조부(30)는, 제1기판(31)과 제1미러층(33) 사이에 버퍼층(32)을 더 구비할 수 있다. 여기서, 도 5의 경우에도, 제1기판(31)과 제1미러층(33) 사이에 상기 버퍼층(32)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1기판(31)은 사파이어 기판일 수 있다. 상기 버퍼층(32)은 도핑되지 않은 GaN층(un-GaN)층일 수 있다. 상기 제1미러층(33)은 분포 브래그 반사기(DBR)로서, 예컨대, AlGaN/GaN 반복 스택 구조로 형성될 수 있다. PIN형 다이오드(40)에 있어서, 제1물질층(41)은 n형으로 도핑된 GaN층(n-GaN) 일 수 있으며, 다중양자우물층(43:MQW)은 InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제2물질층(45)은 p형으로 도핑된 GaN층(p-GaN)일 수 있다. 상기 제2미러층(37)은 분포 브래그 반사기(DBR)로서, AlGaN/GaN 반복 스택 구조로 형성될 수 있다. 상기 제2미러층(37)이, 분포 브래그 반사기로 이루어진 경우, 상기 제2미러층(37) 상에 제1전극(39) 예컨대, p형 전극을 더 구비할 수 있다. 상기 제1전극(39)은 전극을 형성하는데 사용되는 금속 물질 또는 그 합금 예컨대, 금(Ag)으로 형성될 수 있다. 상기 제1물질층(41)의 일측에는 제2전극(38) 예컨대, n형 전극이 형성될 수 있다.
도 6a에서와 같이 광변조부(30)를 구성하는 경우, 이 광변조부(30)에 인가되는 전압에 따라, 반사율은 도 6b에서와 같이 변화하게 된다.
도 6b의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2미러층(33)(37)을 DBR+DBR 형태로 구성하는 경우, 반사형 광변조기는 약 12V의 역전압을 인가했을 때, 대략 50% 정도의 변환효율을 나타낼 수 있다. 여기서, 도 6b의 결과는 예시적인 것으로, 제1 및 제2미러층(33)(37)을 DBR+DBR 형태로 구성한 경우의 변환효율이 도 6b에 한정되는 것은 아니다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)에 적용되는 광변조부(30)의 적층 구조의 다른 예를 보여준다. 도 7b는 도 7a의 광변조부(30)에 인가되는 전압에 따른 UV의 반사율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7a를 참조하면, 광변조부(30)는, 제1기판(31) 상에 제1미러층(33), PIN형 다이오드(40), 제2미러층(37)을 적층한 구조로 형성될 수 있다. 상기 PIN형 다이오드(40)는 제1물질층(41), 다중양자우물층(43), 제2물질층(45)을 포함할 수 있다. 광변조부(30)는, 제1기판(31)과 제1미러층(33) 사이에 버퍼층(32)을 더 구비할 수 있다.
상기 제1기판(31)은 사파이어 기판일 수 있다. 상기 버퍼층(32)은 도핑되지 않은 GaN층(un-GaN)층일 수 있다. 상기 제1미러층(33)은 분포 브래그 반사기(DBR)으로서, AlGaN/GaN 반복 스택 구조로 형성될 수 있다. PIN형 다이오드(40)에 있어서, 제1물질층(41)은 n형으로 도핑된 GaN층(n-GaN) 일 수 있으며, 다중양자우물층(43:MQW)은 InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제2물질층(45)은 p형으로 도핑된 GaN층(p-GaN)일 수 있다. 상기 제2미러층(37)은 단순한 반사막으로서 도 6a에서의 제1전극(39) 예컨대, p형 전극으로 사용될 수 있다. 상기 제2미러층(37)은 전극을 형성하는데 사용되는 금속 물질이나 그 합금 예컨대, 금(Ag)으로 형성될 수 있다. 상기 제1물질층(41)의 일측에는 제2전극(38) 예컨대, n형 전극이 형성될 수 있다.
도 7a에서와 같이 광변조부(30)를 구성하는 경우, 이 광변조부(30)에 인가되는 전압에 따라, 반사율은 도 7b에서와 같이 변화하게 된다.
도 7b의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2미러층(33)(37)을 DBR+Ag Mirror 형태로 구성하는 경우, 광 변조기(30)는 약 12V의 역전압을 인가했을 때, DBR+DBR에 비해 변환효율이 50%수준에서 40%수준으로 낮아지지만 적층 구조가 단순하고, 밴드폭이 넓어질 수 있다. 여기서, 도 7b의 결과는 예시적인 것으로, 제1 및 제2미러층(33)(37)을 DBR+Ag Mirror 형태로 구성한 경우의 변환효율이 도 7b에 한정되는 것은 아니다.
도 6a 및 도 6b, 도 7a 및 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 다중양자우물 구조의 PIN형 다이오드(40)를, 예를 들어, n-GaN 위에 InGaN 우물(well)과 GaN 배리어(barrier)로 이루어진 다중양자우물 구조를 적층하고 p-GaN을 적층하여 구현하는 경우, 예컨대, 405nm h-line UV를 변조할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)가 예컨대, 405nm h-line UV를 변조하는데 적합한 물질 구성을 갖도록 형성되는 경우를 예시적으로 설명하였는데, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)의 물질 구성은 목적하는 파장 범위에 따라 다양하게 달라질 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)를 제조하는 과정을 개략적으로 보여준다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)를 제조하기 위하여, 먼저, 제1기판(31) 상에 픽셀 어레이 형태로 광변조부(30)를 형성하고, 제2기판(51) 상에 액티브 매트릭스를 구현하도록 트랜지스터(55)를 포함하는 제어부(50)를 형성한다. 그런 다음, 각 픽셀의 광변조부(30)에 대응되게 각 광변조부(30)의 PIN형 다이오드(40)에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터(55)가 위치하도록, 상기 광변조부(30)와 상기 제어부(50)를 결합시키면, 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)가 얻어질 수 있다. 이때, 상기 광변조부(30)와 상기 제어부(50)는 플립-칩 본딩에 의해 결합될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)를 적용한 디지털 노광 장치를 개략적으로 보여준다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)가 반사형인 경우의 광학적 배치를 보여주며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)가 투과형인 경우의 광학적 배치를 보여준다.
디지털 노광 장치는, 광을 발생시키는 광원부(100)와, 광 변조기(10)를 포함한다. 상기 광원부(100)로부터 출사되는 콜리메이팅된 UV광은 광 변조기(10)에서 변조되어 포토레지스트가 도포되어 있는 기판(300)에 조사된다. 이때, 광 변조기(10)에서는 픽셀별로 인가되는 전압을 제어하여 UV광의 전계흡수율을 제어함으로써, 상기 광원부(100)에서 입사되는 광을 변조하여 노광할 이미지 정보를 가지는 노광빔으로 변조한다. 디지털 노광 장치에는, 부가적으로 프로젝션 렌즈, 필터, 마이크로 렌즈 어레이 등의 광학계(200)가 이용될 수 있다. 상기 광학계(200)는 상기 광 변조기(10)로부터의 노광빔이 적정 상태로 기판(300)에 도포된 포토레지스트에 조사되도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)를 이용한 디지털 노광 장치는 주로 디스플레이용 패널의 제작에 유용하게 이용될 수 있는데, 이때 패널사이즈에 대응할 수 있는 충분히 많은 픽셀을 갖도록 상기 광 변조기(10)를 제작하여 패널의 전면적 혹은 일부를 일괄적으로 동시에 노광할 수 있다. 상기 광 변조기(10)를 충분한 픽셀을 갖도록 제작하는 것이 어려운 경우, 필요에 따라 픽셀들을 배열하여 직사각형이나 바(bar)형태로 상기 광 변조기(10)를 제작한 후 패널 위를 스캐닝하면서 광변조하여 순차적으로 노광시킬 수도 있다.
도 11은 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)의 콘트라스트 커브(contrast curve)를 보여준다. 노광을 위해서는 D100에 해당하는 도즈(dose)가 포토레지스트 상에 조사되어야 하며, D0이하의 도즈가 인가되면 포토레지스트는 감광되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)는 소자의 각 픽셀에 인가되는 전압을 조절하여 D100 이상의 광을 조사하여 노광되는 영역과 D0 이하의 광을 조사하여 노광되지 않는 영역을 구분하여 목적하는 패턴을 포토레지스트 상에 형성하게 된다. 기본적으로 광원의 세기(power)를 조절하여 D100 부근의 노광에너지를 형성한 후 광 변조기(10)의 조절을 통해 D0와 D100을 구분하도록 작동한다.
여기서, 광 변조기(10)에서 만들어 낼 수 있는 광의 세기가 충분하지 못할 경우, 노광에 소요되는 시간을 줄이기 위해서 광 변조기(10) 이전에 다른 노광장치에 의해 포토레지스트를 Db수준까지 일괄적으로 노광(blanket exposure)한 후 광 변조기(10)에서 D100에 해당하는 추가적인 노광(modulation exposure)을 수행하여 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 변조기(10)는 변조되는 빛의 양을 전압에 의해 조절할 수 있다. 그러므로 전압의 크기에 따라 도 10에서의 D0와 D100 사이 임의의 값으로 광량을 조절할 수 있으므로, 노광된 포토레지스트의 두께를 광량에 따라 임의의 두께를 갖도록 제작할 수 있다. 또한, 각 픽셀마다 광변조 효율에 미세한 차이가 있을 경우 인가 전압을 픽셀마다 조절하여 모든 픽셀들이 균일한 광변조 효율을 나타내도록 조절할 수 있다.
10...광 변조기 30...광변조부
31,51...기판 33...제1미러층
37...제2미러층 40...PIN형 다이오드
41,45...제1 및 제2물질층 43...다중양자우물층
50...제어부 55...트랜지스터

Claims (20)

  1. 3족 질화물 반도체 물질로 이루어진 다중양자우물을 포함하는 PIN형 다이오드를 이용하여 픽셀 어레이 형태로 마련되며, 전계흡수에 의해 광을 변조하도록 된 광변조부와; 상기 광변조부의 PIN형 다이오드에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터를 포함하는 제어부;를 구비하며,
    상기 PIN형 다이오드와 상기 트랜지스터가 액티브 매트릭스 형태로 어레이되며,
    상기 픽셀 어레이 형태의 각 픽셀에는 상기 PIN형 다이오드 및 상기 트랜지스터가 각각 위치되며,
    상기 PIN형 다이오드와 상기 트랜지스터는 기판의 표면에 대해 수직한 방향으로 볼 때 중첩되게 위치하며,
    상기 광변조부는,
    제1기판 상에 순차로 스택되는 제1분포 브래그 반사기, 제1도전형으로 도핑된 제1물질층, 다중양자우물층, 상기 제1도전형과는 반대의 제2도전형으로 도핑된 제2물질층, 미러층을 포함하며,
    상기 제1물질층, 다중양자우물층, 제2물질층은 3족 질화물 반도체 물질로 이루어지고, PIN형 다이오드를 구성하는 광 변조기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 광변조부와 제어부는 스택구조를 이루는 광 변조기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1물질층 및 제2물질층은 GaN를 포함하는 광 변조기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다중양자우물층은 InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조로 이루어진 광 변조기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1분포 브래그 반사기는 AlGaN/GaN의 반복 스택으로 이루어진 광 변조기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 미러층은 제2분포 브래그 반사기고,
    상기 미러층 상에 전극층을 더 포함하는 광 변조기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 미러층은 전극층으로 사용되는 광 변조기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1기판과 상기 제1분포 브래그 반사기 사이에 버퍼층;을 더 포함하는 광 변조기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 버퍼층은 도핑되지 않은 GaN를 포함하는 광 변조기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1기판은 사파이어를 포함하는 물질로 이루어진 광 변조기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    제2기판과;
    상기 제2기판 상에 형성된 트랜지스터 어레이를 포함하는 광 변조기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2기판은 실리콘을 포함하는 물질로 이루어진 광 변조기.
  18. 청구항 1항, 6항, 8항 내지 17항 중 어느 한 항의 광 변조기를 제조하는 방법에 있어서,
    픽셀 어레이 형태로 상기 광변조부를 형성하는 단계와;
    상기 제어부를 형성하는 단계와;
    각 픽셀의 광변조부와, 이에 대응되게 상기 광변조부의 PIN형 다이오드에 인가되는 전압을 제어하기 위한 트랜지스터가 상기 PIN형 다이오드와 수직한 방향으로 볼 때 중첩되게 위치하도록, 상기 광변조부와 상기 제어부를 접합시키는 단계;를 포함하는 광 변조기 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광변조부와 상기 제어부는 플립-칩 본딩에 의해 접합시키는 광 변조기 제조 방법.
  20. 광을 발생시키는 광원부와;
    상기 광원부에서 입사되는 광빔을 변조하여 노광할 이미지 정보를 가지는 노광빔으로 변조하는 청구항 1항, 6항, 8항 내지 17항 중 어느 한 항의 광 변조기;를 포함하는 디지털 노광 장치.
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