KR100947951B1 - Optical modulator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 멤스(MEMS) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화계 화합물 박막으로 형성된 리본층을 갖는 광변조기 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an optical modulator device having a ribbon layer formed of a nitride compound thin film 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 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, 이들로서 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 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, 빛의 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식의 광변조기 소자에서는 그 구동방식에 상관없이 반사되는 입사광의 경로 차이에 의해 발생하는 회절(간섭)을 통해 광변조를 수행하게 된다. 특히 압전 방식의 광변조기 소자에서는 인가되는 소정의 전압에 따라 수축 및 팽창하는 압전 구동체에 의한 상하 구동력을 이용하여 반사광의 경로 차이를 발생시킨다. 따라서 압전 구동방식의 광변조기 소자의 광 회절 특성의 구현에 있어서는 압전 구동체의 역할이 매우 중요하다.In this case, in the indirect optical modulator device using light reflection and diffraction, light modulation is performed through diffraction (interference) generated by a path difference of incident light reflected 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 vertical driving force by a piezoelectric driving body which contracts and expands according to a predetermined voltage applied thereto. Therefore, the role of the piezoelectric driver is very important in realizing the optical diffraction characteristic of the piezoelectric drive modulator.
도 1에는 종래 기술에 따른 광변조기 소자가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 광변조기 소자는 기판(110), 식각 정치층(120), 희생층(130), 리본층(140), LTO층(Low Temperature Oxide layer)(141)(예를 들어, 실리콘 옥사이드(SiOX)층), Ti 박막(142) 및 압전 구동체(150)(제1 전극(151), 압전층(152), 제2 전극(153))을 포함한다. 여기서, LTO층(141) 및 Ti 박막(142)은 실리콘나이트라이드 계열의 물질로 구성되는 리본층(140)과 백금(Pt) 등의 금속 재료로 구성되는 제1 전극(151) 간의 접착력을 높이기 위해 개재되는 것이다.1 shows an optical modulator element according to the prior art. Referring to FIG. 1, the optical modulator device according to the related art includes a
그러나, 종래 기술에 따르면 광변조기 소자의 장시간 구동시 압전 구동 체(150)와 그 하부(즉, 제1 전극(151)의 하부)에 형성되는 LTO층(141)간의 계면(도 4의 식별부호 (a) 참조)이 분리되어 광변조기 소자의 불량을 유발하는 문제점이 있다. 이는 LTO층(141)과 제1 전극(151)간의 부착(adhesion)을 위해 그 사이에 접합층(junction layer)으로서 적층되는 Ti 박막(142)이 광변조기 소자를 장시간 구동시킴에 따라 열화되기 때문이다.However, according to the prior art, the interface between the
또한, Ti 박막(142)은 제1 전극(151)의 성막 공정 이후에 진행되는 압전층(152)의 적층을 위한 고온의 제조 공정 중 확산된 산소에 의해서 산화되는 특성이 있다. 따라서, 확산된 산소에 의해 Ti 박막(142)이 산화됨으로써 LTO층(141)과 쉽게 분리되는 것이다. 상술한 Ti 박막(142)의 열화에 따른 LTO층(141)과 제1 전극(151) 간의 분리 또는 열화는 압전 구동체(150)의 동작 특성 열화를 가져오게 되며, 결국 광변조기 소자 전체의 광 회절 특성 및 그 신뢰성에 악영향을 미치게 된다.In addition, the Ti
또한, 종래 기술에 따른 광변조기 소자의 제조 공정은 그 공정의 복잡도가 높은 문제점이 있었다. 이를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.In addition, the manufacturing process of the optical modulator device according to the prior art has a high complexity of the process. This will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 광변조기 소자의 제조 공정도이고, 도 3은 도 2의 단계 (d)를 보다 세분화하여 나타낸 세부 공정도이다.FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the optical modulator device according to the related art shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a detailed process diagram showing the subdivision of step (d) of FIG. 2.
도 2의 단계 (a)에서, 기판(110) 상에 식각 정지층(120)을 형성하고, 도 2의 단계 (b)에서, 식각 정지층(120) 상에 희생층(130)을 형성한다. 여기서, 희생층(130)은 추후 공정(도 2의 단계 (e) 참조)을 거쳐 리본층(140)의 중앙 부분(이하, 이를 간단히 '리본'이라 함)이 구동 공간을 확보하며 식각 정지층(120)으로부 터 미리 설정된 간격 만큼 이격될 수 있도록 일부 식각된다.In step (a) of FIG. 2, the
이러한 이유로, 기판(110)으로서 실리콘(Si) 기판이, 희생층(130)으로서 비정질 실리콘 박막(a-Si thim film)이 이용되는 경우를 가정할 때, 식각 정지층(etch stop layer)(120)으로는 추후의 식각 대상으로서 희생층(130)을 구성하는 물질인 비정질 실리콘을 식각하기 위한 에천트(여기서, 에천트는 식각 용액 또는 식각 가스임)에 대하여 식각 선택비가 높은 물질(예를 들어, 실리콘 옥사이드(SiOX) 등)로 구성될 수 있다.For this reason, when a silicon (Si) substrate is used as the
도 2의 단계 (c)에서, 희생층(130) 상에 리본층(140)을 형성한다. 여기서, 리본층(140)은 Si3N4 등 실리콘나이트라이드 계열(SiXNY)의 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 리본은 추후 공정(도 2의 단계 (e) 참조)을 거쳐 예를 들어 1개 이상의 오픈 홀(open hole)을 구비한 형태가 형성되도록 선택적으로 식각될 수 있다.In step (c) of FIG. 2, the
도 2의 단계 (d)에서, 리본층(140)의 양 측단 상에 LTO층(141), LTO층(140) 상에 Ti 박막(142), Ti 박막(142) 상에 압전 구동체(150)를 형성한다. 이와 같은 공정을 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 아래와 같다. 도 3에서는 도면 도시의 편의를 위하여 리본층(140)의 하부를 형성하는 희생층(130), 식각 정지층(120) 및 기판(110)은 생략하여 도시하였다.In step (d) of FIG. 2, the
도 3의 단계 (d)-(1) 및 단계 (d)-(2)에서, 리본층(140) 상에 LTO층(141), Ti 박막(142), 제1 전극(151), 압전층(152), 제2 전극(153)을 순차적으로 적층한다.In steps (d)-(1) and (d)-(2) of FIG. 3, the
여기서, LTO층(141)의 적층시에는 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 등의 적층법이 이용될 수 있고, Ti 박막(142)의 적층시에는 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(E-beam evaporation), CVD(Chemical Vapor Deposition) 증착, ALD(Atomic Layer Deposition) 증착 등의 방법이 이용될 수 있다. 또한, 제1 전극(151) 또는 제2 전극(153)으로는 백금(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 등의 전극 재료가 이용될 수 있고, 그 적층시에는 스퍼터링 또는 전자빔 증착법 등이 이용될 수 있다. 그리고, 압전층(152)으로는 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료가 이용될 수 있으며, 그 적층시에는 고온의 급속 열처리 공정(RTA, Rapid Thermal Annealing) 등에 의할 수 있다.Here, a lamination method such as LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) may be used for lamination of the
도 3의 단계 (d)-(3)에서, 도 3의 단계 (d)-(2)를 통해 제1 전극(151)의 전면 상에 증착했던 제2 전극(153) 및 압전층(152)이 제1 전극(151)의 양 측단의 소정 부분에만 위치할 수 있도록 제2 전극(153) 및 압전층(152)을 식각한다. 이때, 제2 전극(153) 및 압전층(152)의 식각에는 드라이 에쳐(dry etcher) 또는 플라즈마 애셔(plasma asher) 등의 장비를 이용한 건식 식각법(dry etching) 또는 플라즈마 식각법(plasma etching)이 이용될 수 있다.In steps (d)-(3) of FIG. 3, the
도 3의 단계 (d)-(4)에서, 제2 전극(153) 및 압전층(152)을 식각한 후에는 제1 전극(151) 및 Ti 박막(142)의 일부를 식각한다. 이때, 제1 전극(151) 및 Ti 박막(142)의 식각에도 역시 드라이 에쳐(dry etcher) 또는 플라즈마 애셔(plasma asher) 등의 장비를 이용한 건식 식각법(dry etching) 또는 플라즈마 식각법(plasma etching)이 이용될 수 있다.In steps (d) and (4) of FIG. 3, after etching the
도 3의 단계 (d)-(5)에서, 리본층(140)의 중앙 부분 즉, 리본 상에 적층되어 있는 LTO층(141)을 식각한다. 이때, LTO층(141)의 식각에는 습식 스테이션(wet station) 장비를 이용한 습식 식각법(wet etching)이 이용될 수 있다.In steps (d)-(5) of FIG. 3, the central portion of the
상술한 도 3의 단계 (d)-(1) 내지 단계 (d)-(5)의 과정을 통해 도 2의 단계 (d)에서와 같은 형태의 구조가 형성될 수 있다.As described above, the structure having the same shape as in step (d) of FIG. 2 may be formed through the process of steps (d)-(1) to (d)-(5) of FIG. 3.
다시 도 2를 참조하면, 도 2의 단계 (e)에서 희생층(130)의 일부(즉, 리본층(140)의 중앙 부분의 하면에 채워져 있던 부분)를 식각한다. 이러한 희생층(130)의 식각 공정을 수행하기 위해 리본에 1개 이상의 오픈 홀을 형성시키는 식각 공정이 선행될 수 있으며, 이와 같이 형성된 오픈 홀을 통하여 에천트를 주입함으로써 희생층(130)의 일부를 식각할 수 있다. 본 단계를 통하여 리본은 식각 정지층(120)으로부터 미리 설정된 간격 만큼 이격됨으로써, 압전 구동체(150)로부터 전달된 구동력에 따라 위 또는 아래로 움직일 수 있는 구동 공간을 확보할 수 있게 된다.Referring back to FIG. 2, in step (e) of FIG. 2, a portion of the sacrificial layer 130 (that is, a portion filled in the bottom surface of the center portion of the ribbon layer 140) is etched. In order to perform the etching process of the
상술한 도 2 및 도 3의 설명을 통해 확인할 수 있는 바와 같이 종래 기술에 따른 광변조기 소자의 제조 공정은 적어도 8번의 적층 공정이 필요하며, 이외에도 여러번의 식각 공정이 필요하여 그 제조 공정의 복잡도가 매우 높다. 따라서, 종래 기술에 따른 광변조기 소자는 많은 적층 회수로 인하여 복수 적층된 박막 간의 스트레스가 증가하며, 이에 따라 제작된 광변조기 소자마다 리본의 위치가 크게 상이해져 광변조기 소자에서의 광회절 특성의 신뢰성, 정확성에 악영향을 미치는 문제점이 있다.As can be seen through the description of Figures 2 and 3 described above, the manufacturing process of the optical modulator device according to the prior art requires at least eight lamination processes, and in addition, several etching processes are required, and the complexity of the manufacturing process is required. Very high. Therefore, the optical modulator device according to the prior art increases the stress between the plurality of laminated thin films due to the large number of stacks, and thus the position of the ribbon is greatly different for each of the fabricated optical modulator devices, so that the reliability of the optical diffraction characteristics of the optical modulator device is increased. However, there is a problem that adversely affects the accuracy.
따라서, 본 발명은 보다 우수하고 개선된 광회절 특성 및 신뢰성을 갖는 광변조기 소자 및 그 제조방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides an optical modulator device having a better and improved optical diffraction characteristic and reliability and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 하부 전극 및 리본층을 모두 동일 계열의 질화계 화합물 박막으로 형성시키는 방법을 이용하여 하부 전극과 리본층 간의 계면에 부착성 및 접합성을 크게 개선시킨 광변조기 소자 및 그 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides an optical modulator device and a method of manufacturing the same that greatly improves the adhesion and bonding at the interface between the lower electrode and the ribbon layer by using a method of forming both the lower electrode and the ribbon layer of the same series of nitride compound thin film to provide.
또한, 본 발명은 광변조기 소자에서 리본층을 형성시킴에 있어서 보다 향상된 균일도 및 정확도를 갖는 광변조기 소자 및 그 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides an optical modulator device having a more improved uniformity and accuracy in forming a ribbon layer in the optical modulator device and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 제조 공정의 간소화, 제조 비용의 절감이 가능한 광변조기 소자 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention also provides an optical modulator device capable of simplifying the manufacturing process and reducing the manufacturing cost, and a method of manufacturing the same.
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.
상기와 같은 본 발명은, 기판; 절연성을 갖는 질화계 화합물로서 상기 기판에 적층되어 있는 절연층; 상기 기판과 상기 절연층 사이에 형성되어 상기 기판위에 상기 절연층의 결정의 성장을 보조하기 위한 버퍼층; 상기 기판 상에 위치하되, 중앙 부분이 상기 기판으로부터 부유하여 위치할 수 있도록 상기 기판과 대향되는 일면에 함입부가 형성되어 있는 리본층; 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막으로 형 성되고, 상기 리본층의 양 측단 상에 각각 위치하는 제1 전극; 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막으로 형성되고, 상기 제1 전극 간에 구동 전압의 인가를 위해 형성되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고, 상기 전극 간 인가되는 구동 전압에 상응하여 수축 또는 팽창함에 의해 상기 리본층의 상기 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 구동력을 발생시키는 압전층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention as described above, the substrate; An insulating layer laminated on the substrate as an insulating nitride compound; A buffer layer formed between the substrate and the insulating layer to assist growth of crystals of the insulating layer on the substrate; A ribbon layer disposed on the substrate, wherein a recess is formed on one surface of the substrate to face a center portion so as to be floating from the substrate; A first electrode formed of a conductive nitride film and positioned on both side ends of the ribbon layer; A second electrode formed of a conductive nitride film and formed to apply a driving voltage between the first electrodes; And a piezoelectric layer disposed between the first electrode and the second electrode, the piezoelectric layer generating a driving force to move the center portion of the ribbon layer up and down by contracting or expanding in correspondence with a driving voltage applied between the electrodes. Characterized in that made.
또한, 본 발명의 상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 한다.In addition, the substrate of the present invention is characterized in that the sapphire substrate.
또한, 본 발명의 상기 버퍼층은 질화알루미늄(AlN) 박막인 것을 특징으로 한다.In addition, the buffer layer of the present invention is characterized in that the aluminum nitride (AlN) thin film.
또한, 본 발명의 상기 리본층은 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 원소가 포함된 질화계 화합물 박막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the ribbon layer of the present invention is characterized in that formed of a nitride compound thin film containing at least one element of aluminum (Al), indium (In) and gallium (Ga).
또한, 본 발명의 상기 리본층은 절연 처리된 질화계 화합물 박막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the ribbon layer of the present invention is characterized in that formed of an insulating treated nitride compound thin film.
또한, 본 발명의 상기 제1 전극은 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 원소가 포함된 질화계 화합물 박막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first electrode of the present invention is characterized in that it is formed of a nitride compound thin film containing at least one element of aluminum (Al), indium (In) and gallium (Ga).
또한, 본 발명의 상기 리본층의 상기 중앙 부분에는 적어도 1개의 오픈 홀(open hole)이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, at least one open hole is formed in the central portion of the ribbon layer of the present invention.
또한, 본 발명의 상기 리본층의 상기 중앙 부분 중 상기 오픈 홀이 형성되어 있지 않은 부분 및 상기 오픈 홀이 형성되어 있는 위치에 대응되는 상기 기판 상부면의 해당 부분에는 각각 광반사층이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.Further, a light reflection layer may be further formed on a portion of the center portion of the ribbon layer of the present invention in which the open hole is not formed and a corresponding portion of the upper surface of the substrate corresponding to the position where the open hole is formed. It features.
또한, 본 발명은 (A) 기판상에 절연성을 갖는 질화계 화합물을 버퍼층을 이용하여 성장시키는 단계; (B) 기판상에 직사면체 형상의 희생층을 적층하는 단계; (C) 상기 기판상에 상기 희생층을 에워싸도록 리본층을 적층하는 단계; (D) 상기 리본층위에 전도성을 가지는 질화계 화합물의 제1 전극층과, 압전층 그리고 전도성을 가지는 질화계 화합물의 제2 전극층을 적층하는 단계; (E) 제1 전극층과 압전층 그리고 제2 전극층을 식각하여 압전 구동체를 형성하는 단계; 및 (F) 상기 리본층에 오픈홀을 형성한 후에 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention (A) growing a nitride compound having an insulating property on the substrate using a buffer layer; (B) depositing a rectangular parallelepiped sacrificial layer on a substrate; (C) laminating a ribbon layer on the substrate to surround the sacrificial layer; (D) stacking a first electrode layer of a conductive nitride compound, a piezoelectric layer, and a second electrode layer of a nitride compound having conductivity on the ribbon layer; (E) forming a piezoelectric driver by etching the first electrode layer, the piezoelectric layer and the second electrode layer; And (F) removing the sacrificial layer after forming the open hole in the ribbon layer.
또한, 본 발명의 상기 (A) 단계는, (A-1) 기판에 상기 절연층의 결정의 성장을 보조하기 위한 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (A-2) 상기 버퍼층위에 절연성을 갖는 질화계 화합물의 절연층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the step (A) of the present invention, (A-1) forming a buffer layer to assist the growth of the crystal of the insulating layer on the substrate; And (A-2) forming an insulating layer of a nitride compound having an insulating property on the buffer layer.
또한, 본 발명의 상기 (C) 단계는, 기판 상에서 과성장된 질화계 화합물 박막의 리본층이 희생층 위를 덮는 방식에 의해 리본층을 형성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step (C) of the present invention is characterized in that the ribbon layer is formed by a method in which the ribbon layer of the nitride-based compound thin film overgrown on the substrate covers the sacrificial layer.
또한, 본 발명의 상기 (D) 단계는, 제1 전극, 압전층 그리고 제2 전극(153)의 적층을 인시튜(in-situ) 방식에 따라 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step (D) of the present invention, the first electrode, the piezoelectric layer, and the
본 발명에 따른 광변조기 소자에 의하면 제작된 광변조기 소자가 보다 우수하고 개선된 광회절 특성 및 신뢰성을 갖는 효과가 있다.According to the optical modulator device according to the present invention, the manufactured optical modulator device has an effect of having better and improved optical diffraction characteristics and reliability.
또한, 본 발명은 하부 전극 및 리본층을 모두 동일 계열의 질화계 화합물 박막으로 형성시키는 방법을 이용하여 하부 전극과 리본층 간의 계면에 부착성 및 접합성을 크게 개선시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of greatly improving the adhesion and bonding at the interface between the lower electrode and the ribbon layer by using a method of forming both the lower electrode and the ribbon layer of the same series of nitride compound thin film.
또한, 본 발명은 광변조기 소자에서 리본층을 형성시킴에 있어서 제작된 리본층이 보다 향상된 균일도 및 정확도를 갖는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect that the ribbon layer produced in forming the ribbon layer in the optical modulator device has a more improved uniformity and accuracy.
또한, 본 발명은 광변조기 소자를 제작함에 있어서 제조 공정의 간소화, 제조 비용의 절감이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of simplifying the manufacturing process, reducing the manufacturing cost in manufacturing the optical modulator device.
이제, 도 5이하의 도면을 참조하여 본 발명의 광변조기 소자와 그 제조방법에 대하여 설명하면 아래와 같다.Now, the optical modulator element of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings below.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 소자를 나타낸 측면도이다.5 is a side view showing an optical modulator device according to an embodiment of the present invention.
도 5을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 소자는 기판(110), 버퍼층(120), 절연층(130), 리본층(140) 및 압전 구동체(150)를 포함한다. 여기서, 압전 구동체(150)는 제1 전극(151), 압전층(152), 제2 전극(153)을 포함한다.Referring to FIG. 5, an optical modulator device according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
여기에서, 기판(110)은 사파이어 기판이 바람직하며, 기판(110)상에는 버퍼층(120)이 위치하고, 버퍼층(120)에는 절연층(130)이 위치한다. Here, the
상기 버퍼층(120)은 기판(110)이 사파이어 기판인 경우에 절연층(130)으로 질화계 화합물을 사용할 때 기판(110)상에 절연층(130)의 성장을 돕기 위하여 기판(110)과 절연층(130) 사이에 개재되어 있는 것으로 질화알루미늄(AIN)으로 이루어져 있다.The
그리고, 절연층(130)은 질화계 화합물 박막으로 형성되며, 그 질화계 화합물로는 질소(N)와 함께 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 1개 원소가 포함된 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 질화갈륨(GaN), 알루미늄갈륨질소(AlXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임), 인듐갈륨질소(InXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임) 등이 그것이다. 또한 이때, 절연층(130)은 절연성 확보를 위하여 절연 처리될 수 있다. 예를 들어, 질화계 화합물 박막에 철(Fe), 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑 처리하거나 또는 질화계 화합물 박막의 성장 방법, 조건 등을 조절하는 방식을 이용함으로써 절연층(130)은 절연 처리될 수 있다.In addition, the insulating
이러한 절연층(130)은 희생층(후술할 공정에서 알 수 있는 바와 같이 제조공정에서 전부 식각되기 때문에 최종 광변조기 소자에는 남아있지 않다)의 식각 공정을 통해서도 그 식각이 정지될 수 있도록, 희생층으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트에 대해서 식각 선택비가 높은 물질로 구성된다.The insulating
이와 같이, 기판(110)과 희생층 사이에 도 5에서와 같이 별도의 절연층(130)을 개재시키게 되면, 에천트에 의해 희생층 이외의 부분이 의도하지 않게 식각되는 것을 방지할 수 있게 된다. 예를 들어, 기판(110)으로서 사파이어 기판 이, 희생층으로는 실리콘 옥사이드(SiOX)가 이용되는 경우를 가정할 때, 절연층(130)으로서는 질화갈륨(GaN)이 이용될 수 있다.As such, when a separate insulating
한편, 절연층(130)의 양 측단 상에는 리본층(140)이 위치한다. 이와 같은 리본층(140)이 종래 기술의 광변조기 소자와 가장 큰 차이점은 리본층(140)이 희생층에 의해 지지되지 않고 있다는 점이다. 즉, 본 발명의 리본층(140)은 희생층에 의해 그 양 측단이 지지되지 않고서도 그 자체적으로 기판(110) 상에서 지지될 수 있도록 리본층(140) 자체가 'Π' 형태(즉, 리본층(140) 중 기판(110)과 대향되는 일면의 중앙 부분이 함입(陷入)되어 있는 형태)를 가지고 있다.Meanwhile, the ribbon layers 140 are positioned on both side ends of the insulating
본 발명의 일 실시예에서 리본층(140)으로는 종래에 실리콘나이트라이드 계열의 물질이 이용되던 것과는 달리, 질화계 화합물 박막이 이용된다. 이는 본 발명의 일 실시예에서 제1 전극(151)으로서 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막을 이용함에 따른 것으로서, 이와 같이 리본층(140)을 제1 전극(151)을 구성하는 물질과 동종, 유사 계열의 물질을 이용하여 형성하게 되면 상호간의 계면에 접합력이 크게 개선될 수 있다. 이는 제1 전극(151)에 대한 설명시 함께 보다 구체적으로 기술하기로 한다.In one embodiment of the present invention, as the
이와 같이 리본층(140)을 질화계 화합물 박막으로 형성하는 경우, 그 질화계 화합물로는 질소(N)와 함께 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 1개 원소가 포함된 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 질화갈륨(GaN), 알루미늄갈륨질소(AlXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임), 인듐갈륨질소(InXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임) 등 이 그것이다. 또한 이때, 리본층(140)은 절연성 확보를 위하여 절연 처리될 수 있다. 예를 들어, 질화계 화합물 박막에 철(Fe), 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn)을 도핑 처리하거나 또는 질화계 화합물 박막의 성장 방법, 조건 등을 조절하는 방식을 이용함으로써 리본층(140)은 절연 처리될 수 있다.As such, when the
여기서, 리본층(140)의 중앙 부분(즉, 리본)에는 1개 이상의 오픈 홀(open hole)(미도시)이 구비되어 있다. 이때, 리본 중 오픈 홀이 형성되어 있지 않은 부분 상에는 상부 광반사층(미도시)이 형성되고, 오픈 홀의 위치와 대응되는 절연층(130)의 해당 부분 상에는 하부 광반사층(미도시)이 형성된다.Here, at least one open hole (not shown) is provided in the central portion (ie, the ribbon) of the
다음으로, 리본층(140)의 양 측단 상에는 압전 구동체(150)가 위치한다. 압전 구동체(150)는 제1 전극(151)과 제2 전극(153) 간에 인가된 구동 전압에 따라 발생된 압전 효과에 의한 압전층(152)의 수축 또는 팽창력을 이용하여 리본이 아래 또는 위로 움직일 수 있도록 한다. 따라서, 압전층(152)은 인가된 전압에 상응하여 압전 효과를 나타내는 물질로서, 예를 들어 PZT, PNN-PT, PLZT, AlN, ZnO 등의 압전 재료 또는 납(Pb), 지르코늄(Zr), 아연(Zn) 또는 티타늄(Ti) 등의 원소를 2개 이상 포함하는 압전 전해 재료가 이용 가능하다. Next, the
본 발명에서 제1 전극(151)은 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막으로 형성된다. 제1 전극(151)을 형성할 질화계 화합물로는 질소(N)와 함께 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 1개 원소가 포함된 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 질화갈륨(GaN), 알루미늄갈륨질소(AlXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임), 인듐갈륨질 소(InXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임) 등이 그것이다. 이때, 질화갈륨(GaN) 박막 등과 같이 금속 재료를 포함하지 않는 질화계 화합물을 제1 전극(151)으로서 이용하는 경우에는 그 전도성을 보다 높여 전극으로서의 활용 효율을 향상시키기 위해 실리콘(Si) 등을 이용하여 도핑 처리(예를 들어, n형의 질화갈륨 박막으로 변환될 수 있도록 도핑함)할 수 있음은 물론이다.In the present invention, the
이와 같이 제1 전극(151) 및 리본층(140)을 각각 질화계 화합물 박막으로 형성하는 경우의 구체적인 이점에 대하여 설명하면 아래와 같다.As described above, specific advantages in the case where the
종래의 광변조기 소자의 경우, 리본층(140)으로서 Si3N4 등 실리콘나이트라이드 계열(SiXNY)의 물질을 이용하였으며, 제1 전극(151)으로는 백금(Pt) 등과 같은 금속 재료가 이용되었다. 이러한 이유로 리본층(140) 상에 직접 제1 전극(151)을 형성시키는 경우 그 계면에서의 접합력이 매우 좋지 않아 제1 전극(151)을 포함한 압전 구동체(150)가 리본층(140)으로부터 떨어져나가는 분리 현상이 심각하였다. 따라서 종래 기술에서는 이를 보완하기 위하여 리본층(140) 상에 실리콘 옥사이드와 같은 물질로 이루어진 LTO층(도 1의 식별번호 141 참조)을 적층시킨 후, 그 위에 다시 Ti 박막(도 1의 식별번호 142 참조)을 얇게 적층시킴으로써, 금속 재료로 형성되는 제1 전극(151)과 리본층(140) 간의 접합력을 개선시키는 방법을 이용하고 있었다.In the conventional optical modulator device, a silicon nitride-based material (Si X N Y ) such as Si 3 N 4 is used as the
그러나 상술한 종래 기술에 의해서도 제작한 광변조기 소자를 장시간 구동시킴에 따라 접합력 개선을 위해 개재시킨 Ti 박막 자체가 열화되기 때문에 광변조 기 소자의 불량을 유발하는 문제는 여전히 해결되지 않았다. 또한, Ti 박막은 제1 전극(151)의 성막 공정 이후 연이어 진행되는 압전층(152)의 적층을 위한 고온의 제조 공정 중 확산된 산소에 의해 쉽게 산화되는 결점이 있었다. 이는 Ti 박막이 금속 재질인 이유로 똑같이 금속 재료로 형성되는 제1 전극(151) 간에 접합에는 문제가 없으나, 이와 동일한 이유(금속 재질)로 또한 산화되거나 부식되기 쉬운 특성을 가지기 때문이다.However, even when the optical modulator device manufactured by the above-described prior art is driven for a long time, the problem of causing the defect of the optical modulator device is still not solved because the Ti thin film interposed therebetween deteriorates itself for improving bonding strength. In addition, the Ti thin film was easily oxidized by diffused oxygen during the high temperature manufacturing process for stacking the
따라서, 본 발명에서는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제1 전극(151) 자체를 금속 재료 대신에 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막을 이용하여 제작하고, 제1 전극(151)과 면접하는 리본층(140) 또한 제1 전극(151)과 동종, 유사 계열의 물질을 이용하여 제작하고 있다. 이와 같이 제1 전극(151)과 리본층(140)을 모두 동종, 유사 계열의 물질인 질화계 화합물 박막으로 제작하게 되면 계면 접합성을 크게 개선시킬 수 있으며, 산소 확산 등에 의한 산화, 부식의 문제도 동시에 해결할 수 있는 이점이 있다. 특히, 질화갈륨계의 화합물의 경우에는 그 화합물의 구성에 따라 다소간의 차이가 있기는 하나, 전체적으로 매우 높은 녹는점(예를 들어, GaN의 경우에는 3000℃ 이상임)을 갖는 등 그 열적 특성이 안정되어 있어, 제작 공정 순서상으로 이후 진행되는 고온의 제조 공정에 따른 압전층(152)의 적층 과정 또는 제작 후 실제 광변조기 소자의 구동시 주변 환경 온도의 변화에도 거의 열화되지 않는 이점도 있다.Therefore, in the present invention, in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the ribbon is manufactured by using the nitride-based compound thin film having conductivity instead of the metal material and interviewing the
또한, 제1 전극(151)으로서 상술한 바와 같이 질화갈륨계의 화합물 박막을 이용하는 경우, 대표적으로 PZT와 같은 압전 물질로 구성되는 압전층(152)과 함께 GaN/PZT 구조를 형성하게 되는 경우, 질화갈륨계의 화합물 박막에 의하여 PZT의 결정 배향성이 향상되어 압전층(152)에서의 압전 효율을 크게 증가시킬 수 있는 이점도 있다. 여기서, 결정 배향성이란 전극간 인가된 전압에 따라 압전층(152)에 형성된 전계에 의해 압전 물질이 그 극성에 따라 편향되어 재배열되는 정도를 의미한다.In addition, in the case of using the gallium nitride-based compound thin film as described above as the
따라서, 본 발명에서와 같이 제1 전극(151)을 금속 재료가 아닌 전도성의 질화계 화합물 박막으로 제작하고, 리본층(152) 역시 이와 동종, 유사 계열의 물질로 제작하게 되면, 계면 분리에 따른 압전 구동체(150) 및 광변조기 소자 전체의 열화를 방지할 수 있게 된다.Accordingly, when the
한편, 본 발명에서 제2 전극(153)은 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막으로 형성된다. 제2 전극(153)을 형성할 질화계 화합물로는 질소(N)와 함께 알루미늄(Al), 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 1개 원소가 포함된 물질이 이용될 수 있다. 예를 들어, 질화갈륨(GaN), 알루미늄갈륨질소(AlXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임), 인듐갈륨질소(InXGaNX -1, 여기서 0≤x≤1 임) 등이 그것이다. 이때, 질화갈륨(GaN) 박막 등과 같이 금속 재료를 포함하지 않는 질화계 화합물을 제2 전극(153)으로서 이용하는 경우에는 그 전도성을 보다 높여 전극으로서의 활용 효율을 향상시키기 위해 실리콘(Si) 등을 이용하여 도핑 처리(예를 들어, n형의 질화갈륨 박막으로 변환될 수 있도록 도핑함)할 수 있음은 물론이다.Meanwhile, in the present invention, the
이와 같이 제1 전극(151)과 제2 전극(153)을 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막으로 형성하면, 제1 전극(151)과 압전층(152) 그리고 제2 전극(153)을 동일한 챔버에서 동일한 공정으로 형성할 수 있어 공정을 크게 단축할 수 있다.As such, when the
이제, 도 5에 도시된 광변조기 소자의 동작을 살펴보면 다음과 같다.Now, look at the operation of the optical modulator device shown in Figure 5 as follows.
압전 구동체(150)는 2개의 전극(즉, 제1 전극(151) 및 제2 전극(153))간에 인가되는 구동 전압에 의해 발생하는 압전층(152)의 수축 또는 팽창 정도에 따라 리본을 상하로 움직이게 하는 구동력을 부여한다. 예를 들어, 압전 구동체(150)에 구동 전압이 인가되지 않았을 경우 리본은 원래의 위치를 유지하고 있다가, 임의의 구동 전압이 인가되는 경우에는 해당 인가 전압에 상응하여 리본이 위 또는 아래로 움직이게 된다. 상술한 바와 같은 리본의 위치 변화를 이용함으로써 광변조기 소자는 입사광을 회절시킨 회절광(즉, 변조광)을 생성할 수 있게 된다. The
예를 들어, 광변조기 소자로 입사된 빛의 파장이 λ인 경우 리본 상에 형성된 상부 광반사층과 절연층(130) 상에 형성된 하부 광반사층간의 간격이 (2n)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제1 구동 전압이 전극간에 인가되었다고 가정한다. 이때, 0차 회절광의 경우 상부 광반사층에서 반사된 광과 하부 광반사층에서 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가지며, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소 휘도를 갖는다.For example, when the wavelength of light incident on the optical modulator element is λ, the distance between the upper light reflecting layer formed on the ribbon and the lower light reflecting layer formed on the insulating
그리고, 리본 상에 형성된 상부 광반사층과 절연층(130) 상에 형성된 하부 광반사층간의 간격이 (2n+1)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제2 구동 전압이 전극간에 인가되었다고 가정한다. 이때, 0차 회절광의 경우 상부 광반사층에서 반사된 광과 하부 광반사층에 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가지며, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대 휘도를 갖는다.Then, it is assumed that a second driving voltage is applied between the electrodes such that the distance between the upper light reflecting layer formed on the ribbon and the lower light reflecting layer formed on the insulating
이와 같이 광변조기 소자는 전극간에 인가된 구동 전압에 따라 상부 광반사층 및 하부 광반사층에 의해 각각 반사된 반사광의 간섭의 결과를 이용하여 회절광의 광량을 조절함으로써 신호를 빛에 실을 수 있게 된다.In this way, the optical modulator device can load a signal on the light by adjusting the amount of diffracted light by using the result of the interference of the reflected light reflected by the upper light reflecting layer and the lower light reflecting layer, respectively, according to the driving voltage applied between the electrodes.
이때, 상부 광반사층과 하부 광반사층간의 간격이 (2n)λ/4 또는 (2n+1)λ/4가 되도록 하는 2가지 구동 전압을 인가한 경우만을 예를 들어 설명하였으나, 입사광의 반사 또는 회절에 의해 간섭되는 회절광의 세기(즉, 광량)를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 크기의 구동 전압이 전극간에 인가될 수 있음은 자명하다. In this case, only the case where two driving voltages are applied such that the distance between the upper light reflecting layer and the lower light reflecting layer is (2n) λ / 4 or (2n + 1) λ / 4 is described. It is apparent that various sizes of driving voltages can be applied between the electrodes, which can be driven at intervals that can control the intensity (that is, the amount of light) of the diffracted light interfered with.
이하, 도 6을 참조하여 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 소자의 제조 공정 및 그 제조 공정 상의 이점을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a manufacturing process and an advantage of the manufacturing process of the optical modulator device according to an embodiment of the present invention shown in Figure 5 will be described in detail with reference to FIG.
도 6은 도 5에 도시된 광변조기 소자의 전체 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a view schematically showing the entire manufacturing process of the optical modulator device shown in FIG.
도 6의 단계 (a)에서, 기판(110) 상에 200~500 두께의 버퍼층(120) 그리고 1~3㎛의 절연층(130)을 형성한다. In step (a) of FIG. 6, a
여기에서, 기판(110)으로는 사파이어 기판이 사용되며, 버퍼층(120)으로는 질화 알루미늄(AIN)이 사용되며, 절연층(130)으로는 질화계 화합물이 사용되며 바람직하게는 질화갈륨이 사용된다.Here, a sapphire substrate is used as the
이와 같이, 사파이어 기판(110)상에 질화계 화합물 절연층(130)의 결정을 성장시키는 방법으로서 유기금속 화합물 기상성장법(이하 MOCDVD법이라 한다)이 사용된다.As described above, an organometallic compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as MOCDVD method) is used as a method for growing a crystal of the nitride
이 방법에서는 사파이어 기판(110)위에 먼저 성장온도 400~900℃의 저온에서 막두께가 200~500옹그스트롬(Å)의 질화 알루미늄(AlN)의 버퍼층(120)을 성장시킨다. In this method, a
그리고, 사파이어 기판(110)을 설치한 반응용기내에 반응가스로서 유기화합물 가스를 공급하고 기판표면 온도를 대략 900℃~1100℃의 고온에서 유지하여 이 사파이어 기판(110)위에 1~3㎛의 두께의 질화계 화합물 절연층(130)의 결정을 성장시킨다. 예를 들면, 질화 칼륨(GaN)의 절연층(130)을 성장시키는 경우에는, Ga원으로서 트리메틸갈륨과 N원으로서 암모니아가스등을 사용한다. 이 방법에 의하여 버퍼층(120)인 질화 알루미늄(AlN)층위에 질화계 화합물을 성장시킴으로서 그 질화계 화합물이 결정성 및 표면 모퍼로지를 좋은 절연층(130)을 얻을 수 있다.Then, an organic compound gas is supplied as a reaction gas into the reaction vessel in which the
이때, 절연층(130)의 절연성을 좋아지게 하기 위하여 온도를 높이거나, Fe나 C 등을 도핑한다.At this time, in order to improve the insulation of the insulating
도 6의 단계 (b)에서, 기판(110) 상의 미리 설정된 위치에 미리 설정된 두께로 희생층(135)을 패턴 형성한다. 예를 들어, 기판(110)으로서 사파이어 기판이 이용되는 경우를 가정할 때, 희생층(130)으로서 실리콘 계열의 물질 또는 실리콘 옥사이드를 사파이어 기판 상부의 특정 위치에 적층시킬 수 있다. 이와 같이 기판(110)으로서 사파이어 기판을 이용하는 경우에는 실리콘 기판보다 그 열전도 특 성이 우수하여 제작된 광변조기 소자에서 동작 중에 발생하는 열을 쉽게 외부로 방출시킬 수 있는 이점이 있기도 하다.In step (b) of FIG. 6, the
이때, 미리 설정된 위치는 추후에 있을 희생층(135)의 전부 제거 공정을 통해 형성될 리본의 위치에 대응되는 위치이며, 미리 설정된 두께는 이러한 희생층(135)의 전부 제거 공정을 통해 기판(110)과 리본 간의 이격 거리에 상응하는 두께로 결정되는 것임을 후술할 내용을 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 기판(110)위에 희생층(135)이 적층된 사시도가 도 7에 도시되어 있으며, 도 7을 보면 기판(110)에 가로변이 세로변보다 긴 직사면체 형상으로 희생층(135)이 적층되어 있음을 알 수 있다.In this case, the predetermined position is a position corresponding to the position of the ribbon to be formed through the entire removal process of the
도 6의 단계 (c)에서, 기판(110) 및 희생층(135) 상에 리본층(140)을 형성한다. 이때, 리본층(140)을 구성하는 물질은 질화계 화합물이다.In step (c) of FIG. 6, the
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 리본층(140)을 질화계 화합물 박막으로 형성하는 경우에 희생층(130)이 실리콘 계열의 물질 또는 실리콘 옥사이드에 의해 형성된 경우를 상정할 때, 에피탁시 평면 과성장법(ELOG : Epitaxial Lateral OverGrowth deposition method, 이하 ELOG 방식으로 약칭함)을 이용할 수 있다. 이를 특정 위치에 희생층(130)으로서 실리콘 옥사이드(SiOX) 박막이 패턴 형성된 사파이어 기판(110)에서 그 상부에 리본층(140)으로서 질화갈륨(GaN) 박막을 성장시킬 경우를 가정하여 설명하면 다음과 같다.Therefore, when the
질화갈륨(GaN) 박막은 단결정의 울자이트 구조를 가지고 있어 실리콘 옥사 이드(SiOX) 박막 상에 직접 성장되지 않는다. 대신 질화갈륨(GaN) 박막은 동일한 울자이트 구조를 가지는 사파이어 기판 상에서는 성장 가능하다. 따라서, 실리콘 옥사이드 박막에 의한 패턴이 형성된 사파이어 기판을 MOCVD 챔버로 로딩하여 고온에서 사파이어 기판 상에 질화갈륨(GaN) 박막을 과성장시키게 되면, 실리콘 옥사이드 박막 상으로 질화갈륨(GaN) 박막이 직접 성장되지는 않지만 사파이어 기판 상에서 과성장된 질화갈륨(GaN) 박막이 실리콘 옥사이드 박막 위를 덮는 방식(즉, ELOG 방식)에 의해 질화갈륨(GaN) 박막에 의한 리본층(140)을 기판(110) 및 희생층(130) 상에 형성시킬 수 있게 된다.The gallium nitride (GaN) thin film has a single crystal ulzite structure and does not grow directly on the silicon oxide (SiO X ) thin film. Instead, gallium nitride (GaN) thin films can be grown on sapphire substrates having the same ulzite structure. Therefore, when a sapphire substrate having a pattern formed by a silicon oxide thin film is loaded into a MOCVD chamber to overgrow the gallium nitride (GaN) thin film on the sapphire substrate at a high temperature, the gallium nitride (GaN) thin film directly grows on the silicon oxide thin film. However, the
도 6의 단계 (d)에서, 리본층(140)의 양 측단 상에 압전 구동체(150)를 형성한다. 압전 구동체(150)는 제1 전극(151), 압전층(152) 및 제2 전극(153)으로 구성되므로, 이를 리본층(140) 상에 순차 적층한 후 그 중앙 부분을 각각 식각함으로써 리본층(140)의 양 측단 상에 위치할 수 있게 한다. 이와 같이 완성된 압전 구동체(150)를 포함한 광변조기 소자가 도 8에 사시도로 도시되어 있다.In step (d) of FIG. 6, the
여기서, 제1 전극(151)과 제2 전극(153)은 상술한 바와 같이 전도성을 갖는 질화계 화합물 박막이 이용될 수 있다. 이와 같이 제1 전극(151)과 제2 전극(153)으로서 질화계 화합물 박막을 이용하는 경우의 그 제조 공정 상의 이점을 설명하면 아래와 같다.Here, as described above, the
먼저, 종래 기술의 경우 금속 재료로 제작되는 제1 전극(151)과 실리콘나이트라이드 계열의 물질로 제작되는 리본층(140) 간의 접합력 개선을 위하여 그 계면 사이에 LTO층 및 Ti 박막을 적층하는 공정을 추가로 진행하여야 하였다. 그러나 본 발명의 경우에는 제1 전극(151)과 리본층(140)이 동종, 유사 계열의 물질로 제작되므로 별도로 접합력 개선을 위한 층들을 적층시킬 필요가 없다. 이러한 이유로 본 발명은 제조 공정의 간소화, 제조 비용, 제조 시간의 측면에서 종래 기술에 비해 크게 개선되는 이점이 있다.First, in the prior art, in order to improve the bonding strength between the
아울러, 종래 기술의 경우 LTO층, 제1 전극(151), 압전층(152) 그리고 제2 전극(153)의 적층 방법이 각각 상이하여 그 제조 공정이 복잡한 문제점이 있었다. 즉, LTO층의 적층시에는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure CVD) 등의 증착법을 이용하고, Ti 박막 및 제1 전극(151)의 적층시에는 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 이용하며, 압전층(152)의 적층시에는 졸-겔법(Zol-gel), 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법을 이용하고, 제2 전극(153)의 적층시에는 다시 제1 전극(151)의 적층시에는 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 이용하였다. 따라서, 종래 기술의 경우 각 층의 제작을 위해 각각 다른 적층 방법을 이용하게 되므로, 하나의 동일한 반응 챔버(reaction chamber) 내에서 연속하여 공정을 진행할 수 없고, 하나의 공정 이후에는 기판을 일단 반출하였다가 다른 적층 방법으로 재세팅한 후 다시 반입하여야 하는 불편함이 있었다.In addition, in the prior art, the lamination methods of the LTO layer, the
그러나, 본 발명에서는 리본층(140) 및 제1 전극(151) 그리고 제2 전극(153)으로서 질화갈륨(GaN)과 같은 질화계 화합물 박막을 이용하므로, 리본층(140), 제1 전극(151), 압전층(152) 그리고 제2 전극(153)의 적층 공정을 인시 튜(in-situ) 방식에 따라 연이어 진행할 수 있게 된다. 인시튜 방식은 기판을 반출시키지 않고서도 하나의 동일 반응 챔버 내에서 2개 이상의 적층 물질에 대한 적층 공정을 연이어 진행하는 것을 의미한다. 인시튜 방식이 적용될 수 있기 위해서는 그 적층 방법이 동일하여야 함이 필수적이다. 예를 들어, 본 발명에서는 리본층(140), 제1 전극(151), 압전층(152) 그리고 제2 전극(153)의 적층시 모두 동일하게 MOCVD(Metal Organic CVD)의 방법을 이용할 수 있다. 이는 질화계 화합물 박막과 PZT 등의 압전 물질의 증착 방법으로서 MOCVD가 동일하게 이용될 수 있기 때문이다.However, in the present invention, since the
상술한 바와 같이, 본 발명의 광변조기 소자의 제조 방법에 의하면, LTO층과 Ti 박막의 추가 적층이 불요하며, 리본층(140), 제1 전극(151), 압전층(152) 그리고 제2 전극(154)의 적층시 인시튜 방식에 따라 동일 반응 챔버 내에서 연속 공정으로 진행될 수 있어 제조 공정의 간소화는 물론 제조 비용, 시간 상의 이점이 있게 된다.As described above, according to the manufacturing method of the optical modulator device of the present invention, further lamination of the LTO layer and the Ti thin film is unnecessary, and the
도 6의 단계 (e)에서, 리본층(140)의 중앙 부분(즉, 리본)이 기판(110)으로부터 부유되어 위치할 수 있도록 기판(110)과 리본층(140) 사이에 채워져 있던 희생층(135) 전부를 제거한다. 본 단계를 통한 희생층(135)의 전부 제거 공정을 위해 리본에 1개 이상의 오픈 홀을 형성시키는 공정이 선행되어야 하며, 이러한 공정이 수행된 후의 광변조기 소자가 도 9에 도시되어 있다.In step (e) of FIG. 6, the sacrificial layer was filled between the
도 9에 도시된 바와 같이 리본층(140)에 1개 이상의 오픈 홀을 형성시키는 식각 공정이 먼저 선행된 후, 이에 따라 리본에 형성된 오픈 홀을 통하여 에천트를 주입함으로써 희생층(130)을 식각할 수 있다.As shown in FIG. 9, an etching process of forming one or more open holes in the
본 단계를 통하여 리본층(140)은 도 5에 도시된 바와 같이 기판(110)과 대향되는 일면의 중앙 부분이 움푹 들어가 있는 함입부가 형성됨으로써 그 양 측단부가 기판(110) 상에 위치하여 자체적으로 지지되는 형태를 가지게 된다.Through this step, as shown in FIG. 5, as shown in FIG. 5, the recessed portion in which the central portion of one surface facing the
상술한 제조 공정에 따라 제작된 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변조기 소자가 갖는 가장 큰 이점은 바로 본 단계를 통해 비롯된다. 종래 기술 광변조기 소자의 경우 기판(110) 또는 식각 정지층(120)의 전면(全面) 상에 희생층(130)이 적층되고 있는 것과 달리, 본 발명의 그 제작 과정을 통해 희생층(130)이 기판(110) 또는 절연층(130) 상에서 추후 리본이 형성될 위치에만 적층되고 있다. 이러한 이유로 종래 기술의 광변조기 소자의 경우에는 희생층(130)의 일부 식각 공정을 통하여 제거되는 부분의 폭, 면적 등이 식각 조건, 주변 공정 환경 등에 따라 각각 상이해질 수 있는 가능성을 크게 내포하고 있다. 이는 기제작된 광변조기 소자에서 리본의 길이 차이 혹은 리본과 기판 간의 이격 간격의 차이를 초래하여 균일한 리본의 형성을 어렵게 하는 요인이 된다. 이와 같이 리본의 균일성(uniformity)이 확보되지 않는 경우에는 동일 구동 전압을 인가한 경우에도 기제작된 광변조기 소자마다 리본 변위에 차이가 발생할 수 있어 광변조기 소자의 광회절 특성 및 그 효율을 저하시킬 수 있는 문제점이 있다.The biggest advantage of the optical modulator device according to another embodiment of the present invention manufactured according to the above-described manufacturing process comes from this step. In the prior art optical modulator device, unlike the
이에 비하여 본 발명의 광변조기 소자의 경우에는 식각 선택비의 명백한 차이에 의해 다른 부분에 전혀 영향을 주지 않고 기판(110)과 리본층(140) 사이에 채워져 있던 희생층(130)만이 전부 제거되므로, 균일성을 갖는 리본을 형성할 수 있 는 이점이 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변조기 소자는 상술한 이유로 리본의 균일성을 확보할 수 있으므로, 그 변위 산포를 크게 줄여 광변조기 소자의 광회절 특성 및 효율을 크게 개선시킬 수 있음은 물론, 보다 안정된 동작이 가능한 이점이 있다.In contrast, in the case of the optical modulator device of the present invention, only the
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광변조기 소자에 의하면, 종래 기술에 비하여 그 제조 공정의 복잡도 면에서 큰 이점이 있다. 종래 기술의 경우 도 2 및 도 3의 제조 공정을 기준할 때 총 8회의 적층 공정과 총 7회의 식각 공정에 의해야 하는 반면, 본 발명의 광변조기 소자의 경우에는 최대 5회의 적층 공정과 5회의 식각 공정 만으로 제조 가능하므로, 그 제조 공정, 제조 비용 및 시간의 측면에서 볼 때 종래 기술에 비하여 크게 개선되고 있음을 확인할 수 있다.In addition, according to the optical modulator device according to another embodiment of the present invention, there is a great advantage in terms of the complexity of the manufacturing process compared to the prior art. In the prior art, a total of eight lamination processes and a total of seven etching processes should be performed based on the manufacturing process of FIGS. 2 and 3, whereas the optical modulator device of the present invention may have a maximum of five lamination processes and five times. Since it can be manufactured only by the etching process, it can be seen that it is greatly improved compared to the prior art in view of the manufacturing process, manufacturing cost and time.
아울러, 종래 기술에서와 같이 광변조기 소자의 제작을 위하여 적층되는 박막의 수가 많으면 많을수록 이에 비례하여 박막 간 스트레스(stress)가 증가하므로, 그 스트레스의 콘트롤이 쉽지 않은 문제점도 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 광변조기 소자의 제작을 위하여 보다 적은 수의 박막을 이용하는 경우에는 박막 간 발생하는 스트레스의 양을 줄일 수 있는 이점도 있게 된다. 특히, 본 발명의 광변조기 소자의 경우에는 리본층(140) 자체가 양 측단을 통해 자체적으로 지지될 수 있는 형태의 단일 박막으로 구성되어 있으므로, 스트레스 콘트롤이 더더욱 용이한 이점이 있다.In addition, as the number of thin films laminated for fabricating an optical modulator device increases as the prior art increases, the stress between the thin films increases in proportion to each other, so that the control of the stress is not easy. Therefore, when using a smaller number of thin films for the fabrication of the optical modulator device as in another embodiment of the present invention, there is also an advantage that can reduce the amount of stress generated between the thin films. In particular, in the case of the optical modulator device of the present invention, since the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기 술 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 쉽게 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 easy to understand that it can be modified and changed.
도 1은 종래 기술에 따른 광변조기 소자를 나타낸 측면도.1 is a side view showing an optical modulator device according to the prior art.
도 2는 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 광변조기 소자의 제조 공정도.Figure 2 is a manufacturing process of the optical modulator device according to the prior art shown in FIG.
도 3은 도 2의 단계 (d)를 보다 세분화하여 나타낸 세부 공정도.Figure 3 is a detailed process diagram showing a more detailed step (d) of FIG.
도 4는 하부 전극과 LTO층 간의 계면을 나타낸 도면.4 illustrates an interface between a lower electrode and an LTO layer.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기 소자를 나타낸 측면도.5 is a side view showing an optical modulator device according to an embodiment of the present invention.
도 6은 도 5에 도시된 광변조기 소자의 전체 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면.FIG. 6 is a schematic view showing the entire manufacturing process of the optical modulator element shown in FIG.
도 7은 도 6의 (b)에서 기판위에 희생층이 적층된 사시도.Figure 7 is a perspective view of the sacrificial layer laminated on the substrate in Figure 6 (b).
도 8은 도 6의 (d)에서 기판위에 압전구동체가 완성된 사시도.Figure 8 is a perspective view of the piezoelectric actuator is completed on the substrate in Figure 6 (d).
도 9는 도 6의 (e)에서 리본층에 오픈홀을 형성한 이후의 사시도.Figure 9 is a perspective view after forming the open hole in the ribbon layer in Figure 6 (e).
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 기판 120 : 버퍼층110
130 : 절연층 140 : 리본층130: insulating layer 140: ribbon layer
150 : 압전구동체 151 : 하부 전극150: piezoelectric drive 151: lower electrode
152 : 압전층 153 : 상부 전극152: piezoelectric layer 153: upper electrode
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