KR19980017201A - 박막형 광로조절장치의 액츄에이터 및 그의 희생층 식각 종말점 실험수단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액츄에이터의 보호층을 열산화층으로 형성시킴과 아울러 희생층 식각 종말점 실험수단을 제공하여 과잉식각으로부터 보호층을 보호할 수 있는 박막형 광로조절장치의 액츄에이터 및 보호층 보호수단에 관한 것으로, 본 발명은 매트릭스 형태로 형성된 능동 소자, 보호층 및 식각 스톱층을 구비한 구동 기판과 상기 구동 기판상에 복수개의 층으로 형성된 액츄에이터를 구비한 투사형 화상 표시 장치에 사용되는 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 식각용액에 대한 내식성이 우수한 열산화층으로 이루어진 보호층 및 희생층 상면에 투과특성을 갖는 질화실리콘층을 액츄에이터와 동일한 형상으로 증착하여 희생층 제거시 식각 종말점을 시각적으로 확인할 수 있도록 한 실험수단을 제공함으로써 보호층의 손상을 최소화할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Description

박막형 광로조절장치의 액츄에이터 및 그의 희생층 식각 종말점 실험수단

본 발명은 박막형 광로조절장치의 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액츄에이터의 보호층을 실리콘 산화물 또는 P 농도를 최소화한 PSG층으로 형성시킴과 아울러 희생층 식각 종말점 실험수단을 제공하여 과잉식각으로부터 보호층을 보호할 수 있는 박막형 광로조절장치의 액츄에이터 및 희생층 식각 종말점 실험 수단에 관한 것이다.

화상 표시장치는 표시방법에 따라, 직시형 화상 표시장치와 투사형 화상 표시장치로 구분된다. 직시형 화상 표시장치는 CRT(Cathode Ray Tube) 등이 있는데, 이러한 CRT 화상 표시 장치는 화질은 좋은나 화면이 커짐에 따라 중량 및 두께의 증대와, 가격이 비싸지는 문제점이 있어 대화면을 구비하는데 한계가 있다.

투사형 화상 표시장치로서 액정표시장치(Liquid Crystal Display)는 박형화가 가능하여 중량을 작게 하면서 대화면을 구현할 수는 있으나, 이러한 액정표시장치는 편광판에 의한 광의 손실이 크고 액정표시화면을 구동하기 위한 박형 트랜지스터가 화소마다 형성되어 개구율(광의 투과면적)을 넓이는데 한계가 있다.

특히, 액츄에이티드 미러 어레이(Actuated Mirror Arrays:이하 ‘AMA’라 약칭함)를 이용한 투사형 화상표시장치는 광원에서 발광된 백색광을 적색, 녹색 및 청색의 광으로 분리한 후, 광을 액츄에이터들로 이루어진 광로조절장치의 구동에 의해 기울어지는 거울에 각각 반사시켜 광의 양을 조절할 수 있도록 광로(Light Path)를 변경시켜 화면에 투사시킴으로써 화면에 화상이 나타나도록 하는 것이다.

상기에서 액츄에이터는 압전 또는 전왜세라믹으로 이루어진 변형부가 인가되는 전압에 의해 전계를 발생시켜 변형되는 것을 이용하여 거울을 기울게 한다.

또한, 액츄에이터는 변형부의 형태에 따라 벌크형(Bulk Type)과 박막형(Thin Film Type)으로 구분된다.

상기 벌크형은 다층 세라믹을 얇게 잘라 내부에 금속전극이 형성된 세라믹 웨이퍼(Ceramic Wafer)를 구동 기판에 실장한 후 쏘잉(Sawing) 등으로 가공하고 거울을 실장한다.

그러나, 벌크형 액츄에이터는 액츄에이터들을 쏘잉에 의해 분리하여야 하므로 긴 공정시간이 필요하며, 또한, 변형부의 응답 속도가 느린 문제점이 있었다. 따라서, 반도체 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형의 액츄에이터가 개발되었다.

도 1은 상기 박막형의 액츄에이터를 구비하는 일반적인 박막형 광로 조절 장치의 한 단위 픽셀의 단면을 도시한 단면도로서, 상기 박막형 광로 조절 장치는 실리콘 기판(110), 보호층(120), 식각 스톱층(130), 매탈 패드(105)로 구성된 구동 기판(100)과 플러그(205), 멤브레인(210), 하부 전극(220), 변형부(230), 상부 전극(240)으로 구성된 액츄에이터(200)를 구비하고 있다.

이하, 도 1을 참조하여 일반적인 광로 조절 장치의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 반도체 집적 회로 제조 공정에 의하여 실리콘 기판(110)상에는 MOS와 같은 트랜지스터로 이루어진 복수개의 능동 소자(도시 생략됨)가 매트릭스 구조로 형성되어 있으며, 이 후에 수행되는 증착 공정의 고온 분위기하에서 상기 복수개의 능동 소자가 외부로부터 화학적 또는 물리적 손상을 받는 것을 방지시키기 위하여, 증착 공정에 의하여 절연 물질을 상기 실리콘 기판(110)상에 소정 두께로 도포시킴으로서 상기 능동 소자를 보호하기 위한 보호층(120)을 형성시킨다.

여기에서, 상기 절연 물질은 상기 실리콘 기판(110)상에 형성된 복수개의 능동 소자(도시 생략됨)가 상호간에 전기적으로 도통되는 것을 방지하기 위한 절연 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 상기 능동 소자의 표면 보호(Passivation) 특성을 나타내는 것이 바람직하며 이러한 특성 요구를 만족시키기 위하여 사용되는 절연 물질은 고온에서 양호한 유동 특성을 나타내는 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG; Phospho Silicate Glass) 또는 BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)로 구성되고 이러한 절연 물질을 증착시키기 위한 증착 공정은 화학 기상 증착 공정(CVD)으로 이루어진다.

한편, 액츄에이터(200)를 구성하는 복수개의 층들을 패터닝시킴으로서 단위 픽셀 형상으로 형성된 액츄에이터(200)를 캔틸레버 구조로 형성시키기 위한 식각 공정에 의하여 상기 보호층(120)이 식각 용액 예를 들면 불산(HF) 용액에 노출되어 화학적 손상을 입는 것을 방지시킬 수 있도록 상기 보호층(120)상에 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 양호한 절연 물질을 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로서 식각 스톱층(130)을 형성시킨다.

여기에서, 상기 식각 스톱층(130)을 구성하는 절연 물질은 절연 특성이 양호할 뿐만 아니라 상기된 바와 같이 식각 용액 특히 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 우수한 실리콘 질화물(Si₃N₄) 조성으로 이루어지며 상기 증착 공정은 화학 기상 증착 공정(CVD) 특히 저압 화학 기상 증착 공정(LPCVD) 또는 플라즈마 화학 기상 증착 공정(PECVD)에 의하여 수행된다.

즉 상기 각각 스톱층(130)의 상부에 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG) 또는 다결정 실리콘을 물리 기상 증착 공정(PVD) 또는 화학 기상 증착 공정(CVD)에 의하여 소정 두께로 적층시킴으로서 희생층(Sacrificial Layer)(도시 생락됨)을 형성시킨 후 미세 패턴 형성 공정에 의하여 상기 희생층을 소정 선폭 크기의 패턴을 구비한 소정 형상으로 형성시키며 그 결과 상기 희생층의 패턴을 통하여 노출되는 상기 구동 기판(100)의 일부는 액츄에이터(200)의 지지부 및 브리지를 형성시키기 위한 장소로 제공된다.

상기된 바와 같이 구동 기판(100)상에 소정 패턴의 선폭 크기를 갖는 소정 형상의 희생층(도시 생략됨) 및 상기 희생층(도시 생략됨)의 패턴을 통하여 노출된 상기 식각 스톱층(130)상에 절연 특성이 양호할 뿐만 아니라 불산(HF) 용액과 같은 식각 용액에 대한 내성이 양호한 절연 물질을 화학 기상 증착 공정(CVD)에 의하여 소정 두께로 증착시켜서 멤브레인(210)을 형성시킨다.

이러한 멤브레인(210)을 구성하는 절연 물질은 캔틸레버 구조를 갖는 액츄에이터(200)의 구동부가 반복적으로 틸팅될 때 피로 응력을 견딜 수 있도록 내성이 우수한 금속 또는 실리콘 질화물(SiN_x)로 이루어진다.

이 후 상기 멤브레인(210)상에 백금(Pt) 또는 탈탄륨(Ta)과 같이 양호한 도전 특성을 나타내는 도전성 금속을 스퍼터링 증착 공정과 같은 진공 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 하부 전극(220)을 형성시키며 상기 하부 전극(220)의 일부를 반응성 이온 식각 공정(R.I.E.)과 같이 이방성 에칭 특성이 양호한 건식 식각 공정에 의하여 제거하여서 상기 복수개의 능동 소자를 통하여 하부 전극(220)에 유입되는 전기적 신호를 화소 단위로 분리시키기 위한 이소 컷팅부(I.C.)를 형성시킨다.

이후, 상기 이소 컷팅부(도시 생략됨)를 통하여 노출되는 상기 멤브레인(210)의 일부 및 상기 하부 전극(220)상에 압전 특성을 나타내는 세라믹 재료를 증착 공정에 의하여 소정 두께로 적층시켜서 변형부(230)를 형성시키며 이러한 변형부(230)를 구성하는 세라믹 재료는 BaTiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃, (Pb,La)(Zr,Ti)O₃조성의 압전 세라믹 또는 Pb(Mg,Nb)O₃조성의 전왜 세라믹으로 이루어져 있고 상기 증착 공정은 스퍼터링 증착 공정 또는 화학 기상 증착 공정 또는 졸-겔 공정에 의하여 형성된다.

상기된 바와 같이, 소정 두께로 적층되어 형성된 상기 변형부(230)는 고온 열처리 공정 특히 급가열 공정(Rapid Thermal Annealing)에 의하여 열처리되며 그 결과 상기 변형부(230)를 구성하고 있는 세라믹 조성물의 결정 구조를 페로브스카이트(Perovskite) 결정 구조로 형성시킴으로써 상기 변형부(230)는 압전 특성을 양호하게 나타낸다.

이후, 상기 변형부(230)의 상부에 물리 기상 증착 공정(PVD)에 의하여 전기 전도도 특성이 양호할 뿐만 아니라 반사 특성이 양호한 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 및 티타늄(Ti)과 같은 금속을 소정 두께로 증착시켜서 상부 전극(240)을 형성시키며 상기 상부 전극(240)은 소정 형상으로 형성된 액츄에이터(200)의 구동부를 틸팅시키기 위한 공통 전극으로 작용할 뿐만 아니라 반사 특성을 갖는 반사면으로 작용한다.

한편, 상기된 바와 같이 복수개의 층들로 이루어진 액츄에이터(200)는 각각 픽셀형상으로 배열될 수 있도록 소정의 패터닝공정에 의해 희생층이 노출될 때까지 식각공정 등으로 상부전극(240), 변형부(230), 하부전극(220) 및 멤브레인(210)이 식각된다.

상기 식각공정은 이방성 식각 특성이 양호한 건식식각공정 예를 들면 반응성 이온 식각(RIE) 공정에 의하여 수행되며 이러한 반응성 이온 식각(RIE) 공정은 산소 플라즈마하에서 CF₄또는 CHF₃으로 구성된 에천트(Etchant)의 에칭 작용에 의하여 수행된다.

이 후 콘택홀 형성 공정에 의하여 매탈 패드(105)를 노출시켜 콘택홀을 형성한 후 상기 콘택홀에 도전성을 갖는 백금(Pt), 티타늄(Ti), 또는 탄탈륨(Ta)과 같은 금속을 라이트 오프(lift-off) 등과 같은 공정으로 장착한다.

한편, 상기된 바와 같이 소정 형상으로 형성된 상기 액츄에이터(200)를 캔틸레버 구조로 형성시키기 위하여 상기 구동 기판(100)상에 소정 형상으로 잔존하는 상기 희생층(도시 생략됨)을 습식 식각 공정에 의하여 제거할 때 상기 액츄에이터(200)의 측면이 상기 식각 용액에 노출되어서 액츄에이터를 구성하는 복수개의 층들이 박리되는 것을 방지시키기 위하여 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 보호막(도시 생략됨)을 형성시킨다.

이때, 상기 보호막은 상기 멤브레인(210)상에 형성된 노출 부위를 완전히 외부로부터 차단시킬 수 있도록 상기 액츄에이터(200)의 외부 표면상에 절연 물질을 소정 두께로 도포시킴으로서 형성되며 이러한 보호막을 구성하는 절연 물질은 식각 공정에 사용되는 식각액 특히 불산(HF) 용액에 대한 내식성이 양호한 폴리머(Polymer)로 이루어진다.

한편, 상기 액츄에이터(200)의 패턴을 통하여 노출된 상기 희생층은 등방성 식각 특성이 양호하게 나타나는 식각 공정에 의하여 제거되지만 상기 식각 스톱층(130)은 손상받지 않은 상태로 유지되어 있으므로 상기 보호층(120)은 상기 능동 소자를 양호하게 보호하게 되며 상기 식각 공정에 사용되는 식각 용액은 상기 희생층을 구성하는 인이 함유된 실리콘 산화물(PSG)에 대한 식각 특성이 양호한 불산(HF) 용액으로 이루어져 있다.

이 후에, 이온 밀링 공정과 같은 건식 식각 공정에 의하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)상에 소정 두께로 잔존하는 상기 보호막을 부분적으로 제거하여서 상기 상부 전극(240)을 노출시켜 미러 어레이의 반사면으로 작동할 수 있게 한다.

따라서, 외부의 제어 시스템으로부터 구동 기판(100)에 내장되어 있는 능동 소자를 통하여 상기 액츄에이터(200)의 상부 전극(240)에 전기적 신호가 인가되면 상기 하부 전극(220)과 상기 상부 전극(240)사이에 소정 크기의 전위차가 발생되고 이러한 전위차 발생에 의해 상기 변형부(230)는 압전 변형을 나타내며 이에 의하여 복수개의 액츄에이터(200)가 개별적으로 구동하게 된다.

즉, 반사면으로 작용하는 상기 상부 전극(240)의 표면으로 입사된 광원의 백색광은 상기 액츄에이터(200)의 구동에 의하여 변경된 광로를 따라 반사되어서 도시되어 있지 않은 스크린상에 화상을 표시하게 된다.

도 2는 종래 기술에 따른 광로조절장치의 액츄에이터가 과잉식각된 상태를 보인 단면도로서, 이와 같은 종래의 박막형 광로조절장치를 제조하는데 있어서, 상기 액츄에이터(200)를 단위 픽셀로 형성하기 위하여 상부전극(240), 변형부(230), 하부전극(220) 및 멤브레인(210)의 일부를 건식 식각공정으로 희생층(250)이 노출될 때까지 식각하게 되는데 이때 과잉식각(Over Etch)되어 희생층(250) 및 식각스톱층(130)이 손상을 받게 되는 경우가 있다.

즉, 도 2는 도시된 것과 같이, 액츄에이터(200)와 이웃하는 액츄에이터(200)를 구분하는 부분(화살표)이 은선으로 표시된 부분 이하로 과잉식각되어 식각 스톱층(130)이 손상되므로 인해 그 저부에 형성된 보호층(120)까지 손상되는 것을 일예로서 보이고 있다.

이와 같은 현상은 특히, 식각공정시 멤브레인(210)의 식각에 대한 선택도(Selectivity)가 낮아 전체적으로 바람직한 식각정도를 확보하기 위해서는 부부적인 과잉식각이 발생되는 문제가 있다.

이와 같이 과잉식각된 부분은 희생층(250)을 제거하기 위한 습식식각공정시 불산 등으로 이루어진 식각액이 침투하여 고온공정으로부터 능동소자를 보호하기 위해 증착된 보호층(120)을 파괴시키는 문제점을 야기한다.

즉, 상기 보호층(120)은 그 재질이 인을 함유하는 PSG로 이루어져 불산 등의 식각용액에 대한 내식성이 약해 쉽게 파괴된다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보호층의 P 농도를 최소화한 보호층을 도입하여 식각용액에 대한 내식성을 향상시키며, 실험을 통한 바람직한 식각 종말점을 설정하여 보호층의 손상을 억제할 수 있는 박막형 광로조절장치의 액츄에이터 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 매트릭스 형태로 형성된 능동 소자, 보호층 및 식각 스톱층을 구비한 구동 기판과 상기 구동 기판상에 복수개의 층으로 형성된 액츄에이터를 구비한 투사형 화상 표시 장치에 사용되는 박막형 광로 조절 장치에 있어서, 식각용액에 대한 내식성이 우수한 실리콘 산화물 또는 P 농도가 최소화된 PSG층으로 이루어진 보호층을 제공하는데 그 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 보호층은 순수한 산화규소(SiO₂)층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 식각 종말점을 바람직하게 설정하기 위해 희생층 상면에 투과특성을 갖는 질화실리콘층을 액츄에이터와 동일한 형상으로 증착하여 희생층 제거시 식각 종말점을 식각적으로 확인할 수 있도록 한 실험수단을 제공하는데 특징이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 광로조절장치의 액츄에이터를 보인 공정단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 광로조절장치의 액츄에이터가 과잉식각된 상태를 보인 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 식각 종말점 실험수단을 보인 평면도.

도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

120:보호층270:식각 종말점 실험수단

271:종말점273:경계면

275:질화실리콘층277:식각홀

279:눈금300:베이스

이하, 첨부도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 박막형 광로 조절 장치는 도 1에 도시된 일반적인 박막형 광로 조절 장치와 구조직인 면에서는 동일하게 실리콘 기판(110), 보호층(120), 식각스톱층(130), 매탈 패드(105)로 구성된 구동 기판(100)과 플러그(205), 멤브레인(210), 하부 전극(220), 변형부(230), 상부 전극(240)으로 구성된 액츄에이터(200)를 구비하면서 특히, 보호층(120)의 재질이 내식성 및 절연특성이 우수한 열산화층으로 이루어진 것이다.

상기 보호층(120)은 CVD 공정에 의해 형성되며, 인(P)의 농도를 최소화시킨 PSG 층 또는 순수한 이산화규소(SiO₂)층으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 도 3은 본 발명에 따른 식각 종말점 실험수단을 보인 평면도이며, 도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 베이스(300)와, 상기 베이스(300) 상면에 적층된 액츄에이터(200)와 동일한 형상을 갖는 희생층(250)과, 상기 희생층(250) 상면에 투과특성을 갖는 질화실리콘층(275)을 구비하는 식각 종말점 실험수단(270)을 포함한다.

상기 식각 종말점 실험수단(270)의 희생층(250) 및 복수개의 층을 갖는 액츄에이터(200)의 희생층 식각 정도를 정확하게 설정하기 위한 실험수단으로써 질화실리콘층(275)의 중심부에는 식각홀(277)이 형성되며, 상기 식각홀(277)을 중심으로 거리측정용 눈금(279)이 형성된다.

즉, 픽셀형상으로 배열 식각된 액츄에이터 형상의 외측 경계면(273)과 식각홀(277)을 통해 식각액이 침투해 들어가면서 희생층(250)을 제거하게 되며, 이때 질화 실리콘층(275)은 투과특성이 있어 빛을 투과함으로써 식각진행중인 희생층(250)의 식각진행 정도를 소정의 장비를 통해 시각적으로 확인할 수 있다.

상기 액츄에이터의 형상의 중심부에 형성된 식각홀(277)과 액츄에이터 형상의 경계면(273)에서 거의 동일한 속도로 식각이 진행되어 최종적으로 제거되는 위치인 종말점(271)은 식각홀(277)과 종말점(271)의 직선거리 및 종말점(271)과 종말점(271)에서 가장 가까운 경계면(273)의 직선거리가 동일하게 나타남을 실험적으로 알 수 있었다.

이와 같은 식각 종말점 실험수단(270)은 희생층(250) 제거에 소요되는 바람직한 조건을 설정하도록 함으로써 멤브레인(210)의 낮은 식각선택도로 인해 과잉식각된 부분이 존재한 상태에서 진행되는 희생층(250) 제거시 손상된 부분에 식각용액이 침투되어 보호층(120)을 손상시키는 정도를 최소화할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 따르면 식각용액에 대항할 수 있는 재질로 이루어진 보호층과 식각 조건을 정확하게 설정할 수 있는 식각 종말점 실험수단을 통해 보호층의 손상을 최소화할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

이상, 상기 내용은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

Claims (4)

1. 매트릭스 형태로 형성된 능동 소자, 보호층 및 식각 스톱층을 구비한 구동 기판과 상기 구동 기판상에 복수개의 층으로 형성된 액츄에이터를 구비한 투사형 화상 표시 장치에 사용되는 박막형 광로 조절 장치에 있어서,

   상기 보호층이 식각용액에 대한 내식성이 우수한 실리콘 산화물 또는 P 농도가 최소화 된 PSG층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 광로조절장치의 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보호층은 CVD 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 광로조절장치의 액츄에이터.
3. 베이스와, 상기 베이스의 상면에 액츄에이터와 동일한 형상으로 증착되는 희생층과, 상기 희생층 상면에 증착되는 투과특성을 갖는 질화실리콘층으로 이루어지는 식각 종말점 실험수단.
4. 제3항에 있어서,

   상기 질화실리콘층 상면에 식각홀을 중심으로 거리측정용 눈금이 형성되는 것을 특징으로 하는 식각 종말점 실험수단.