KR20020081810A - method for fabricating piezoelectric type micro mirror - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광통신용 스위치에 사용되는 압전 구동형 미소 거울 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric driven micromirror used in an optical communication switch.
미세 가공(micromachining) 기술은 반도체 제조공정을 이용하여 전기적인 기능 외에 기계적인 기능도 수행할 수 있는 소자를 제조하는 것으로 반도체 제조공정과 더불어 급격한 진전이 이루어졌다.Micromachining technology uses semiconductor manufacturing process to manufacture devices that can perform mechanical functions as well as electrical functions, and rapid progress has been made along with semiconductor manufacturing processes.
특히, 미세 가공 기술을 이용한 소자를 광학 소자로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, research for using an element using a microfabrication technique as an optical element is actively progressing.
이러한 소자 중에 대표적인 것은 미소 거울(mirror-mirror)이다.Representative of such a device is a mirror-mirror.
미소 거울은 표시소자로 이용될 뿐만 아니라 광 스캐너(scanner)로도 이용될 수 있고, 최근에는 광통신을 위한 크로스-커넥터(cross-connector)용 스위치에도 미소 거울을 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다.The micro-mirror can be used not only as a display element but also as an optical scanner, and in recent years, research for using the micro-mirror for a cross-connector switch for optical communication has been conducted.
미소 거울을 움직이기 위한 구동력으로는 정전기력, 압전 구동력, 열 변형력 등이 주로 이용되어 왔으며, 정전기력을 이용한 소자가 가장 널리 연구되어 왔다.As the driving force for moving the micro mirror, electrostatic force, piezoelectric driving force, thermal strain force, etc. have been mainly used, and devices using electrostatic force have been most widely studied.
도 1은 정전기력을 이용한 일반적인 미소 거울을 보여주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 에어 갭(air gap) 사이에 전압이 인가되면 정전기력에 의하여에어 갭 위에 있는 구조물이 움직이게 된다.FIG. 1 is a view illustrating a general micromirror using electrostatic force. As shown in FIG. 1, when a voltage is applied between air gaps, a structure on the air gap is moved by electrostatic force.
일반적으로 정전기력은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.In general, the electrostatic force can be expressed by the following formula.
F = εWLV2/d2∝ V2/d2 F = εWLV 2 / d 2 ∝ V 2 / d 2
여기서, F는 정전기력, ε은 유전율, W는 폭, L는 길이, d는 전극 사이의 거리, V는 동작전압이다.Where F is the electrostatic force, ε is the dielectric constant, W is the width, L is the length, d is the distance between the electrodes, and V is the operating voltage.
위의 식에서 알 수 있듯이 구동력은 전압에 선형적으로 비례하지 않고 전압의 제곱에 비례하는 관계가 있으며, 에어 갭 사이의 간격이 감소함에 따라 구동력이 급격히 증가하는 관계가 있다.As can be seen from the above equation, the driving force is not linearly proportional to the voltage but is proportional to the square of the voltage, and the driving force is rapidly increased as the gap between the air gaps decreases.
이로 인해, 미소 거울의 위치 제어가 어려울 뿐만 아니라, 간격이 어떤 특정값 이상으로 감소하면 정전기력이 구조물의 기계적인 탄성력보다 크게 되어 상부 구조물이 하부와 접착된다.Due to this, not only is it difficult to control the position of the micromirror, but when the distance is reduced to a certain value or more, the electrostatic force is larger than the mechanical elastic force of the structure, and the upper structure is bonded to the lower part.
따라서, 정확한 위치 제어가 필요한 미소 거울의 제작에는 정전기력이 접합하지 않다.Therefore, electrostatic force is not bonded to the fabrication of the micro mirror which requires accurate position control.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 압전력을 이용한 미소 거울이 소개되었다.In order to solve this problem, a micro mirror using piezoelectric force has been introduced.
일반적으로 압전력은 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.In general, the piezoelectric force can be expressed by the following equation.
F ∝ d31VF ∝ d 31 V
여기서, F는 압전력, d는 압전 상수, V는 동작전압이다.Where F is a piezoelectric power, d is a piezoelectric constant, and V is an operating voltage.
위의 식에서 알 수 있듯이 압전력은 전압에 비례하는 관계에 있으며, 이 외에도 동일한 구동 전압에서 정전기력에 비해 훨씬 큰 힘을 얻을 수 있는 장점이 있다.As can be seen from the above equation, the piezoelectric power is in proportion to the voltage, and in addition, there is an advantage in that a much larger force can be obtained than the electrostatic force at the same driving voltage.
그러나, 정전기력을 이용한 소자에 비하여 제조공정이 복잡하고, 특히 미소 거울 제작을 위하여 필수적인 평탄한 표면을 얻는데 문제점이 있었다.However, the manufacturing process is more complicated than the device using the electrostatic force, and there is a problem in obtaining a flat surface, which is essential for manufacturing a micromirror.
압전 커패시터 제작을 위해서 널리 사용되는 PZT 압전 박막은 3성분계로 박막 증착 공정이 복잡하고, PZT 박막과 백금 전극은 실리콘이나 이산화규소와 같은 물질에 비해서 건식 식각 속도가 매우 낮고 습식 식각도 어렵다.PZT piezoelectric thin films, which are widely used for the production of piezoelectric capacitors, have a three-component system, and the thin film deposition process is complicated. PZT thin films and platinum electrodes have a low dry etching rate and are difficult to wet etch compared to materials such as silicon or silicon dioxide.
도 2a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 압전 구동형 미소 거울의 PZT 커패시터 식각 전, 후의 표면 형상을 보여주는 도면이다.2A to 2B are diagrams illustrating surface shapes before and after PZT capacitor etching of a piezoelectric driven micromirror according to the related art.
도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 전극 및 PZT 박막이 기판과의 나쁜 식각 선택성으로 인하여 기판의 입자형상이 기판 표면으로 전사되어 표면 평탄도를 크게 나쁘게 한다.As shown in FIGS. 2A-2B, the electrode and the PZT thin film transfer the particle shape of the substrate to the substrate surface due to poor etching selectivity with the substrate, thereby greatly deteriorating the surface flatness.
특히, Pt 하부전극 식각시 주로 사용되는 Cl2또는 Cl2/Ar 가스에서는 Si3N4가 Pt 전극보다 빨리 식각되어 Pt 식각후 Si3N4표면은 Pt 표면보다도 표면 평탄도가 더욱 나빠지게 된다.In particular, in Cl 2 or Cl 2 / Ar gas, which is mainly used to etch Pt lower electrodes, Si 3 N 4 is etched faster than Pt electrodes, resulting in worse surface flatness of Si 3 N 4 surface after Pt etching than Pt surface. .
이러한 굴곡이 있는 기판 위에 Al 등을 증착하여 미소 거울을 제작하게 되면 빛의 산란(scattering)으로 인해 반사도가 감소하여 미소 거울로의 응용이 어렵게 된다.When the Al mirror is manufactured by depositing Al or the like on the curved substrate, the reflectivity decreases due to scattering of light, making application of the micro mirror difficult.
이러한 기판의 표면 굴곡으로 인해 미소 거울로의 응용을 어렵게 한다.Surface curvature of such substrates makes application to micromirrors difficult.
본 발명의 목적은 저 전압 구동이 가능하고 위치 제어가 용이한 압전 구동형 미소 거울 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a piezoelectric drive type micro mirror manufacturing method capable of low voltage driving and easy position control.
본 발명의 다른 목적은 평탄한 표면을 얻을 수 있는 압전 구동형 미소 거울 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a piezoelectric-driven micromirror manufacturing method capable of obtaining a flat surface.
도 1은 정전기력을 이용한 일반적인 미소 거울을 보여주는 도면1 is a view showing a general micro mirror using an electrostatic force
도 2a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 압전 구동형 미소 거울의 PZT 커패시터 식각 전, 후의 표면 형상을 보여주는 도면2A to 2B are diagrams illustrating surface shapes before and after PZT capacitor etching of a piezoelectric driven micromirror according to the related art.
도 3 및 도 4는 일반적인 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 도면3 and 4 show a typical piezoelectric driven micro-mirror
도 5a 내지 도 5i는 도 3 및 도 4의 I-I 선상에 따른 본 발명의 압전 구동형 미소 거울의 제조 공정을 보여주는 공정단면도5A to 5I are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the piezoelectric-driven micromirrors of the present invention along the line I-I of FIGS. 3 and 4.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울의 PZT 커패시터 식각 전, 후 및 산화물층 식각 후의 표면 형상을 보여주는 도면6A to 6C illustrate surface shapes before, after, and after oxide layer etching of a PZT capacitor of a piezoelectric driven micromirror according to the present invention;
도 7a 내지 도 7e는 여러 가지 식각 공정을 거친 후의 표면을 보여주는 원자 현미경(AFM) 사진7A-7E are atomic microscope (AFM) photographs showing the surface after various etching processes
도 8은 도 7a 내지 도 7e에 따른 RMS(root mean square) 거칠기(roughness)를 나타낸 그래프8 is a graph showing root mean square (RMS) roughness according to FIGS. 7A to 7E.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 실리콘 기판12 : 질화물층11 silicon substrate 12 nitride layer
13 : 산화물층14 : 하부전극층13 oxide layer 14 lower electrode layer
15 : 압전체층16; 상부전극층15: piezoelectric layer 16; Upper electrode layer
17 : 미소 거울18 : Cr층17: micro mirror 18: Cr layer
본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울 제조방법은 기판의 상/하부 면 위에 각각 질화물층을 형성하는 제 1 단계와, 기판의 상부 면 위에 형성된 질화물층 위에 산화물층, 하부전극층, 압전체층, 상부전극층을 순차적으로 형성하는 제 2 단계와, 상부전극층 및 압전체층의 소정영역을 1차 건식식각으로 식각하고 하부전극층의 소정영역을 2차 건식식각으로 식각하는 제 3 단계와, 거울이 형성될 영역의 산화물층을 습식식각으로 식각하여 질화물층을 노출시키고 노출된 질화물층 위에 거울을 형성하는 제 4 단계와, 기판 하부의 소정영역에 있는 질화물층 및 기판을 식각하여 멤브레인을 형성하고 기판 상부의 소정영역에 있는 산화물층 및 질화물층을 식각하여 캔틸레버를 형성하는 제 5 단계로 이루어진다.The piezoelectric-driven micromirror manufacturing method according to the present invention comprises a first step of forming a nitride layer on the upper and lower surfaces of the substrate, and an oxide layer, a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer on the nitride layer formed on the upper surface of the substrate. A second step of sequentially forming a second step; and a third step of etching a predetermined area of the upper electrode layer and the piezoelectric layer by primary dry etching and a second step of etching a predetermined area of the lower electrode layer by a second dry etching, and Etching the oxide layer by wet etching to expose the nitride layer and forming a mirror on the exposed nitride layer; forming a membrane by etching the nitride layer and the substrate in a predetermined region below the substrate and forming a membrane; The fifth step is to form a cantilever by etching the oxide layer and the nitride layer in the.
여기서, 질화물층은 Si3N4이고, 산화물층은 SiO2로 하고, 하부전극층은 Pt/Ti, Pt/Ta, RuO2, RuO2/Pt 중 어느 하나, 압전체층은 PZT, 상부전극층은 Pt, RuO2중 어느 하나로 한다.The nitride layer is Si 3 N 4 , the oxide layer is SiO 2 , the lower electrode layer is any one of Pt / Ti, Pt / Ta, RuO 2 , RuO 2 / Pt, the piezoelectric layer is PZT, and the upper electrode layer is Pt , RuO 2 .
그리고, 상기 제 3 단계는 상부전극층 위에 Cr층 및 제 1 Ti층을 순차적으로 형성하는 단계와, 제 1 Ti층의 소정영역을 Cl2/N2가스로 식각하는 단계와, 식각된제 1 Ti층을 마스크로 Cr층 및 그 하부에 있는 상부전극층을 Cl2/O2가스로 식각하는 단계와, 압전체층을 Cl2/C2F6가스로 소정 깊이만 식각한 후, 남아 있는 압전체층을 C2F6/Ar 가스로 식각하는 단계와, 남아 있는 Cr층 및 제 1 Ti층을 제거하고, 하부전극층 위에 제 2 Ti층을 형성한 다음, 제 2 Ti층의 소정영역을 Cl2/N2가스로 식각하는 단계와, 식각된 제 2 Ti층을 마스크로 하부전극층을 Cl2/O2가스로 식각하는 단계로 이루어진다.The third step may include sequentially forming a Cr layer and a first Ti layer on the upper electrode layer, etching a predetermined region of the first Ti layer with Cl 2 / N 2 gas, and etching the first Ti layer. Etching the Cr layer and the upper electrode layer below it with Cl 2 / O 2 gas using the layer as a mask, and etching the piezoelectric layer with Cl 2 / C 2 F 6 gas only a predetermined depth, and then remaining piezoelectric layer Etching with C 2 F 6 / Ar gas, removing the remaining Cr layer and the first Ti layer, forming a second Ti layer on the lower electrode layer, and then filling a predetermined region of the second Ti layer with Cl 2 / N. And etching the lower electrode layer with Cl 2 / O 2 gas using the etched second Ti layer as a mask.
이와 같이, 제작되는 본 발명은 압전 액츄에이터의 압전체와 상/하부전극 패터닝시 그들의 입자 형상이 기판에 전사되어 미소 거울이 형성될 영역의 표면 평탄도가 나빠지는 것을 방지하므로, 미소 거울의 위치를 정확하게 제어할 수 있으므로 신뢰도가 높다.As described above, the fabricated present invention prevents the surface flatness of the area where the micromirror is formed by transferring the particle shape of the piezoelectric actuator and the upper / lower electrode patterns to the substrate, thereby deteriorating the position of the micromirror. High reliability because it can be controlled.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.
본 발명에서는 종래의 압전 구동형 미소 거울 제작시, 압전 박막과 전극 물질이 기판과의 나쁜 식각 선택성으로 미소 거울의 표면 평탄도가 나쁘게 되는 문제점을 해결하기 위하여 새로운 식각 방법에 의한 미소 거울 제작 방법을 제시한다.In the present invention, in order to solve the problem that the surface flatness of the micromirror becomes poor due to the poor etching selectivity of the piezoelectric thin film and the electrode material when fabricating the conventional piezoelectric driven micromirror, a micromirror manufacturing method using a new etching method present.
본 발명의 핵심은 평탄한 압전 구동형 미소 거울을 제작하기 위하여 중간층(산화물층)의 증착과 식각 선택성이 우수한 식각 방법에 관한 것이다.The core of the present invention relates to an etching method having excellent deposition selectivity and etching selectivity of an intermediate layer (oxide layer) to fabricate a flat piezoelectric driven micromirror.
도 3 및 도 4는 일반적인 압전 구동형 미소 거울을 보여주는 도면이다.3 and 4 are views illustrating a general piezoelectric driven micromirror.
도 3은 압전 구동력을 이용하여 미소 거울의 각도를 변화시키는 것으로, 압전 구동형 캔틸레버의 끝에 미소 거울을 형성하였다.3 is to change the angle of the micro-mirror by using a piezoelectric driving force, to form a micro-mirror at the end of the piezoelectric-driven cantilever.
압전 구동형 캔틸레버는 압전 박막에 전압이 인가되면 압전 박막이 길이 방향으로 수축하면서 캔틸레버가 위쪽 방향으로 휘게된다.In the piezoelectric drive type cantilever, when a voltage is applied to the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film contracts in the longitudinal direction and the cantilever is bent upward.
이러한 원리에 의하여 압전 박막에 전압이 인가되면 캔틸레버의 끝의 각도 변화에 따라 미소 거울의 각도가 변할 수 있게 된다.According to this principle, when a voltage is applied to the piezoelectric thin film, the angle of the micromirror can be changed according to the change of the angle of the tip of the cantilever.
도 4는 압전 구동형 캔틸레버가 미소 거울과 힌지(hinge)를 통하여 연결되도록 하여 미소 거울이 전압에 따라 상, 하로 움직일 수 있게 한 것이다.4 is a piezoelectric drive cantilever is connected through a micro mirror and a hinge (hinge) so that the micro mirror can move up and down in accordance with the voltage.
압전 박막에 전압이 인가되면 캔틸레버가 윗쪽 방향으로 휘게 되고, 이로 인해 힌지가 비틀리면서 미소 거울은 윗쪽 방향으로 움직이게 된다.When a voltage is applied to the piezoelectric thin film, the cantilever is bent upward, which causes the hinge to twist and the micro mirror moves upward.
도 5a 내지 도 5i는 도 3 및 도 4의 I-I 선상에 따른 본 발명의 압전 구동형 미소 거울의 제조 공정을 보여주는 공정단면도이다.5A to 5I are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the piezoelectric-driven micromirrors of the present invention along the line I-I of FIGS. 3 and 4.
도 5a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(11)의 상/하부 면 위에 각각 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 저응력의 질화물층(12)을 형성한 후, 기판(11)의 상부 면 위에 형성된 질화물층(12) 위에 산화물층(13)을 형성한다.As shown in FIG. 5A, a low stress nitride layer 12 is formed on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 11 by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and then formed on the upper surface of the substrate 11. The oxide layer 13 is formed on the nitride layer 12.
여기서, 질화물층(12)은 Si3N4, 산화물층(13)은 SiO2로 형성하는데, 질화물층(12)의 두께는 약 1 - 2㎛로 형성하고, 산화물층(13)의 두께는 약 500 -1500Å(가장 좋게는 약 1000Å)으로 형성한다.Here, the nitride layer 12 is Si 3 N 4 , the oxide layer 13 is formed of SiO 2 , the thickness of the nitride layer 12 is formed to about 1 ~ 2㎛, the thickness of the oxide layer 13 Form about 500-1500 kW (best about 1000 kW).
이 산화물층(13)은 미소 거울의 평탄도를 좋게 하기 위한 중간층(buffer layer)으로 사용한다.This oxide layer 13 is used as a buffer layer for improving the flatness of the micromirror.
이어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 산화물층(13) 위에 하부전극층(14), 압전체층(15), 상부전극층(16)을 순차적으로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 5B, the lower electrode layer 14, the piezoelectric layer 15, and the upper electrode layer 16 are sequentially formed on the oxide layer 13.
여기서, 하부전극층(14)은 Pt/Ti, Pt/Ta와 같은 금속전극, RuO2와 같은 산화물 전극, RuO2/Pt와 같은 복합전극 등을 사용한다.Here, the lower electrode layer 14 uses an electrode including a composite oxide, such as electrodes, RuO 2 / Pt, such as a metal electrode, RuO 2, such as Pt / Ti, Pt / Ta.
Ti와 Ta는 산화물층(13)과 압전체층(15) 사이의 접착력을 좋게 하기 위하여 얇은 두께로 형성한다.Ti and Ta are formed in a thin thickness in order to improve the adhesion between the oxide layer 13 and the piezoelectric layer 15.
그리고, 압전체층(15)은 PZT 박막을 가장 일반적으로 사용하는데, 전압에 대하여 비선형적인 변위 특성인 히스테레시스(hysteresis) 특성을 배제하기 위하여 PMN-PT와 같은 물질이 사용될 수도 있다.In addition, the PZT thin film is most commonly used as the piezoelectric layer 15, and a material such as PMN-PT may be used to exclude hysteresis characteristics, which are nonlinear displacement characteristics with respect to voltage.
또한, 상부전극층(16)은 Pt, RuO2등이 주로 사용된다.In addition, Pt, RuO 2, etc. are mainly used for the upper electrode layer 16.
그 다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이 상부전극층(16) 위에 식각 마스크로서 Cr층과 Ti층을 순차적으로 형성하고, Ti층의 소정영역을 Cl2/N2가스로 식각한다.Next, as shown in FIG. 5C, a Cr layer and a Ti layer are sequentially formed as an etching mask on the upper electrode layer 16, and a predetermined region of the Ti layer is etched with Cl 2 / N 2 gas.
그리고, 식각된 Ti층을 마스크로 Cr층 및 그 하부에 있는 상부전극층(16)을 Cl2/O2가스로 식각한 후, 압전체층(15)을 Cl2/C2F6가스로 소정 깊이만큼만 식각하고, 다시 남아 있는 압전체층(15)을 C2F6/Ar 가스로 식각한다.Then, using the etched Ti layer as a mask, the Cr layer and the upper electrode layer 16 beneath it are etched with Cl 2 / O 2 gas, and then the piezoelectric layer 15 is Cl 2 / C 2 F 6 gas with a predetermined depth. Etch only, and the remaining piezoelectric layer 15 is etched with C 2 F 6 / Ar gas.
여기서, C2F6/Ar 가스는 Cl2/C2F6가스에 비해서 압전체층(15)의 식각 속도는 낮지만 하부전극층(14)과의 식각 선택성은 우수하다.Here, the C 2 F 6 / Ar gas has a lower etching rate of the piezoelectric layer 15 than the Cl 2 / C 2 F 6 gas, but the etching selectivity with the lower electrode layer 14 is excellent.
이어, 도 5d에 도시된 바와 같이 남아 있는 Cr층 및 Ti층을 제거하고, 하부전극층(14) 위에 새로운 Ti층을 형성한 다음, Ti층의 소정영역을 Cl2/N2가스로 식각한다.Subsequently, as shown in FIG. 5D, the remaining Cr and Ti layers are removed, a new Ti layer is formed on the lower electrode layer 14, and then a predetermined region of the Ti layer is etched with Cl 2 / N 2 gas.
그리고, 식각된 Ti층을 마스크로 하부전극층(14)을 Cl2/O2가스로 식각한다.The lower electrode layer 14 is etched with Cl 2 / O 2 gas using the etched Ti layer as a mask.
여기서, Cl2/O2가스는 Cl2가스에 비해서 하부전극층(14)의 식각 속도는 낮지만 질화물층(12)이나 산화물층(13)과의 식각 선택성이 우수한 장점이 있으며, 하부전극층(14)을 RuO2로 교체하면 더욱 높은 식각 선택성을 얻을 수 있다.Here, the Cl 2 / O 2 gas has a lower etching rate of the lower electrode layer 14 than the Cl 2 gas, but has superior etching selectivity with the nitride layer 12 or the oxide layer 13, and the lower electrode layer 14 ) Can be replaced with RuO 2 for higher etch selectivity.
그 다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이 미소 거울이 형성될 영역의 산화물층(13)을 BOE 용액을 사용한 습식식각으로 식각하여 질화물층(12)을 노출시킨다.Next, as illustrated in FIG. 5E, the oxide layer 13 in the region where the micromirror is to be formed is etched by wet etching using a BOE solution to expose the nitride layer 12.
여기서, BOE 용액은 산화물층(13)은 식각하지만 질화물층(12)은 식각하지 않으므로 평탄한 표면을 얻을 수 있다.Here, in the BOE solution, since the oxide layer 13 is etched, but the nitride layer 12 is not etched, a flat surface can be obtained.
이와 같이, 식각 선택성이 우수한 식각방법으로 상부전극층, 압전체층, 하부전극층을 식각하면, 전극과 압전체의 입자 형상이 기판 표면에 거의 전사되지 않으므로 거의 평탄한 표면을 얻을 수 있다.As described above, when the upper electrode layer, the piezoelectric layer, and the lower electrode layer are etched by the etching method having excellent etching selectivity, a nearly flat surface can be obtained because the particle shapes of the electrode and the piezoelectric are hardly transferred to the substrate surface.
그러나, 이러한 건식식각 방법만으로는 입자 형상이 표면에 전사되는 것을완전히 억제할 수는 없다.However, such dry etching alone cannot completely suppress the transfer of the particle shape to the surface.
그러므로, 본 발명은 질화물층(12)과 하부전극층(14) 사이에 얇은 산화물층(13)을 형성하고, 산화물층(13)을 습식식각으로 식각함으로써, 입자 형상이 기판 표면에 전사되는 것을 완전히 억제시킬 수 있다.Therefore, in the present invention, a thin oxide layer 13 is formed between the nitride layer 12 and the lower electrode layer 14, and the oxide layer 13 is etched by wet etching, thereby completely preventing the transfer of the particle shape to the substrate surface. Can be suppressed.
도 7a 내지 도 7e는 여러 가지 식각 공정을 거친 후의 표면을 보여주는 원자 현미경(AFM) 사진이고, 도 8은 도 7a 내지 도 7e에 따른 RMS(root mean square) 거칠기(roughness)를 나타낸 그래프이다.7A to 7E are atomic microscope (AFM) photographs showing surfaces after various etching processes, and FIG. 8 is a graph showing root mean square (RMS) roughness according to FIGS. 7A to 7E.
도 7a 및 도 8에 도시된 바와 같이 식각 공정 전의 RuO2상부전극의 RMS 거칠기는 약 160Å 정도로 상당히 크게 나타났다.As shown in FIGS. 7A and 8, the RMS roughness of the RuO 2 upper electrode before the etching process was significantly large, about 160 Hz.
그리고, 도 7b 및 도 8에 도시된 바와 같이 상부전극과 PZT 박막을 식각한 후, Pt의 RMS 거칠기는 약 80Å으로 표면 평탄도가 크게 개선되었다.As shown in FIGS. 7B and 8, after etching the upper electrode and the PZT thin film, the RMS roughness of Pt was about 80 GPa, which greatly improved the surface flatness.
이는 PZT 식각시 C2F6/Ar 가스를 사용함으로써 Pt에 대한 PZT의 식각 선택성이 크게 개선되었기 때문이다.This is because the etching selectivity of PZT with respect to Pt is greatly improved by using C 2 F 6 / Ar gas during PZT etching.
이어, 도 7c 및 도 8에 도시된 바와 같이 종래의 Pt 전극 식각시 사용된 Cl2식각가스를 사용하면, SiO2기판의 RMS 거칠기는 약 240Å으로 크게 증가하여 평탄하지 않은 표면 상태를 나타내었다.Subsequently, as shown in FIGS. 7C and 8, when the Cl 2 etching gas used in the conventional Pt electrode etching is used, the RMS roughness of the SiO 2 substrate is increased to about 240 kV, indicating an uneven surface state.
하지만, 도 7d 및 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제안된 Cl2/O2가스를 사용하여 Pt을 식각한 경우, SiO2기판의 RMS 거칠기는 약 90Å으로 Pt 하부전극의 표면 평탄도와 거의 비슷한 결과를 나타내었다.However, when Pt is etched using the Cl 2 / O 2 gas proposed in the present invention as shown in FIGS. 7D and 8, the RMS roughness of the SiO 2 substrate is about 90 μs, which is almost the surface flatness of the Pt lower electrode. Similar results were shown.
이는 종래 기술에서 Pt 식각시, 흔히 사용하는 Cl2가스에 비해 본 발명에서 사용한 Cl2/O2식각가스가 SiO2에 대한 Pt의 식각 선택성이 우수하기 때문이다.This is because the Cl 2 / O 2 etching gas used in the present invention is superior in etching selectivity of Pt to SiO 2 compared to the commonly used Cl 2 gas during Pt etching in the prior art.
마지막으로, 도 7e 및 도 8에 도시된 바와 같이 SiO2를 BOE로 습식식각하면 초기 Si3N4의 표면상태와 같은 매우 평탄한 표면을 얻을 수 있다.Lastly, as shown in FIGS. 7E and 8, wet etching SiO 2 with BOE provides a very flat surface, such as the surface state of initial Si 3 N 4 .
본 발명에서는 SiO2를 습식식각한 후, Si3N4표면의 RMS 거칠기는 약 20Å으로 나타났다.In the present invention, after wet etching SiO 2 , the RMS roughness of the Si 3 N 4 surface was about 20 kPa.
따라서, 이러한 평탄한 표면 위에 Al 등을 증착하면 반사도가 우수한 거울면을 얻을 수 있다.Therefore, when Al or the like is deposited on the flat surface, a mirror surface having excellent reflectivity can be obtained.
즉, 도 5f에 도시된 바와 같이 Al, Au 등으로 미소 거울(17)을 형성하면 소자의 신뢰도가 크게 향상된다.That is, as shown in FIG. 5F, when the micromirror 17 is formed of Al, Au, or the like, the reliability of the device is greatly improved.
이어, 도 5g에 도시된 바와 같이 캔틸레버와 미소 거울 형태의 구조물 형성을 위하여 Cr층(18)을 형성하고, 패터닝하여 소정영역을 노출시킨다.Subsequently, as illustrated in FIG. 5G, a Cr layer 18 is formed and patterned to form a cantilever and a micro mirror structure, thereby exposing a predetermined region.
그리고, 도 5h 및 도 5i에 도시된 바와 같이 기판(11) 하부의 소정영역에 있는 질화물층(12) 및 기판(11)을 식각하여 멤브레인을 형성하고, 기판(11) 상부의 소정영역에 있는 산화물층(13) 및 질화물층(12)을 식각하여 캔틸레버를 형성한 다음, Cr층(18)을 제거함으로써, 신뢰도가 높은 미소 거울을 제작한다.As shown in FIGS. 5H and 5I, the nitride layer 12 and the substrate 11 in the predetermined region under the substrate 11 are etched to form a membrane, and the membrane is formed in the predetermined region above the substrate 11. The oxide layer 13 and the nitride layer 12 are etched to form a cantilever, and then the Cr layer 18 is removed to produce a highly reliable micromirror.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 압전 구동형 미소 거울의 PZT 커패시터식각 전, 후 및 산화물층 식각 후의 표면 형상을 보여주는 도면이다.6A to 6C are diagrams illustrating surface shapes before, after, and after oxide layer etching of a PZT capacitor of a piezoelectric driven micromirror according to the present invention.
도 6a에 도시된 바와 같이, PZT 커패시터(상부전극층, 압전체층, 하부전극층) 식각 전의 표면은 매우 거칠지만, 도 6b와 같이 본 발명의 식각방법으로 PZT 커패시터를 식각하여 그 표면을 거의 평탄하게 만들고, 다시 산화물층을 습식식각하여 평탄한 표면을 만든다.As shown in FIG. 6A, the surface before etching the PZT capacitor (upper electrode layer, piezoelectric layer, lower electrode layer) is very rough, but as shown in FIG. 6B, the PZT capacitor is etched by the etching method of the present invention to make the surface almost flat. In addition, the oxide layer is wet-etched again to form a flat surface.
이와 같이, 제작되는 본 발명은 압전 액츄에이터의 압전체와 상/하부전극 패터닝시 그들의 입자 형상이 기판에 전사되어 미소 거울이 형성될 영역의 표면 평탄도가 나빠지는 것을 방지하므로, 미소 거울의 위치를 정확하게 제어할 수 있으므로 신뢰도가 높다.As described above, the fabricated present invention prevents the surface flatness of the area where the micromirror is formed by transferring the particle shape of the piezoelectric actuator and the upper / lower electrode patterns to the substrate, thereby deteriorating the position of the micromirror. High reliability because it can be controlled.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
Claims (6)
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