Grating Light ValveTM(GLVTM)는 미세한 그레이 스케일 조절이 가능한 초고속 회절성 MOEMS 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)이다. 개발은 미국 캘리포니아 서니베일(Sunnyvale, California)에 본사를 두고 있는 Silicon Light Machines사가 20년에 걸친 개발과 개선을 통해 시장에 선보인 소자로, 국내에는 아직 생소한 기술이다. MOEMS는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)에 광학기능이 추가되어 [MOEMS; Micro Opto-Electro Mechanical System]을 의미하며, 관련 기술은 현재 레이저 산업의 다양한 분야에 활발하게 적용되고 있다. 주요 활용 분야로는 프로젝션 및 LDI(Laser Direct Imaging)와 CTP(Computer to Plate) 등과 함께 레이저 수술에도 이용되고 있다. 월간 레이저기술은 GLV 소자에 대한 기술적인 접근을 위해 Silicon Light Machines사의 스티브 김(Steve Kim) Business Consultant의 도움을 받아 관련 기술을 소개하고자 한다. <편집자 주>
■ GLV 디바이스 구조 Silicon Light Machines사의 GLV 소자는 레이저의 첨단 분야 활용을 지원할 수 있는 독자적인 MOEMS 소자로, 차세대 LDI(Laser Direct Imaging) system 및 LDW/LDP(Laser Direct Writing / Patterning) 등에서 주목받고 있다. GLV 장치는 빠른 빛의 스위칭과 아날로그 그레이 스케일을 사용하여 다양한 응용 분야에 적용되고 있는 MOEMS 디바이스로, 거울 반사(Specular Reflection), 편광 변조(Polarization-Modulation) 또는 간섭 굴절 측정법(Interferometry)이 아닌 빛의 회절을 이용하였다. 빛의 회절을 이용함으로써 굉장히 빠른 속도의 빛의 변조와 미세한 그레이 스케일 감쇠, 작은 픽셀들에 대한 확장(Scalability) 제공 등의 장점을 얻을 수 있다. GLV 디바이스는 실리콘 웨이퍼 상에 구축되며, 기판 위에 수많은 병렬의 마이크로 리본들이 공중에 매달려 있는 구조이다. 이 전도성의 리본들은 리본에 전압이 가해졌을때 기판을 향해 아래쪽으로 편향되도록 구성되어 있다. 교차되는 리본들이 아래의 기판쪽으로 편향되었을 경우 [Figure 1]에서 보여주듯이 사각형 우물같은 회절격자(Diffraction Grating)를 형성한다. 리본들은 거울처럼 높은 반사성을 가지고 있어 리본들이 동일 평면에 위치해 있을시에는 거울과 같이 작동하여 입사되는 빛들을 정반사하게 된다. 하지만 교차되는 리본들이 편향될 때 입사광의 스티어링 된 각도의 방향은 MOEMS 리본에 의해 형성된 회절격자의 공간 주파수(Spatial Frequency)에 의해 결정된다. 이 공간 주파수는 CMOS 제조 공정의 GLV 소자를 형성하는데 사용되는 포토리소그래픽 마스크에 의해 결정되기 때문에 발사각들은 굉장히 정확하게 제어될 수 있고, 특히 여타 광학 스위칭 응용에 굉장히 유용하게 활용가능하다. GLV 리본들의 상하 편향(Deflection)은 움직임이 굉장히 미세하고(수백 나노미터급) 움직이는 요소들의 물리적인 접촉이 없으므로, 디바이스의 수명을 크케 줄이는 기계적 피로(Mechanical Fatigue), 마모, 정지마찰(Stiction)로 인한 고장(다른 MOEMS 장치에서 주로 나타나는 고장 원인)을 피할 수 있다. GLV 디바이스는 또한 본질적으로 지정 가능한 동적 회절 격자(Dynamic Diffraction Grating)라 할 수 있다. [Figure 2]는 GLV 어레이의 단면도를 보여준다. 리본의 상층부는 빛을 반사할 뿐만 아니라 전기를 전도(Electrically Conducting)할 수 있는 소재이다. 리본의 상층부의 베이스(Base)는 전도성을 띠지만 꼭 빛을 반사하는 성질을 가지지는 않는 소재이다. GLV 디바이스의 구조는 액티브(정전 편향; Electrostatically Deflectable) 리본과 고정된(Undeflectable) 리본이 교차로 구성되어 있고, 액티브 리본의 편향은 리본과 베이스의 도체 사이의 전압을 아날로그 방식으로 조절함으로써 편향의 정도를 제어할 수 있다. GLV 배열의 스위칭/감쇠(Attenuation) 요소들의 물리적 경계는 없다. 배열의 개별 스위칭/감쇠 요소들의 길이는 전자적으로 함께 구동되는 리본들에 의해서 설정이 된다. 따라서 한 쌍의 리본들이 단일 스위칭/감쇠 소자를 구성할 수도 있지만, 만일 리본 세 쌍이 동일한 구동전압으로 작동을 한다면 스위칭/감쇠 소자의 크기는 단일 소자 구동시의 세배가 되는 것이다. 이러한 물리적 경계의 부재는 GLV 디바이스의 중요한 특징 중의 하나이고, GLV 디바이스가 이미징 어플리케이션에 사용될 때, 이미지 상에 가상의 100% 필펙터(Fill-Factor)를 제공하는 효과를 가지게 된다.
■ GLV 디바이스 광학 엔진 GLV 디바이스의 광학 엔진은 조명 서브 시스템(Illumination Subsystem), GLV 모듈과 구동에 필요한 전자 드라이버와 이미징 서브 시스템으로 구성된다. GLV 기반의 광학 엔진은 세부분의 서브 시스템으로 구성되고, 이 광학 엔진을 통하여 레이저 빔은 시공간적 이미지를 포함하는 빔으로 변환되어 보통 특정 어플리케이션의 타겟에 직접적으로 출력이 되는 것이다. 예를 들어 인쇄 어플리케이션의 경우 알루미늄 시트에, 디스플레이 어플리케이션의 경우 화면에, 그리고 마스크리스 리소그래피의 경우 실리콘 웨이퍼에 이미지들이 결상된다. [Figure 3]은 GLV 광학엔진의 구성을 보여준다. GLV 광학엔진의 일반적은 광 효율에 대한 분석은 다음과 같다. - 조명 광학 : 약 70% (손실의 대부분은 오버필 형상 및 균일성 보정으로 인해 나타난다.) - GLV 디바이스 : 65 ~ 70% (세부 구조와 0th or 1st order 동작에 따라 변함) - 이미징 광학 : 85% 따라서 광학 엔진의 효율은 일반적으로 38%에서 42%의 범위이다.
■ GLV 디바이스 어플리케이션 차세대 기술로 가장 각광받고 있는 GLV 디바이스의 어플리케이션은 UV 광원을 사용한 리소그래피 시스템이다. 190nm ~ 450nm의 파장범위 내의 GLV 디바이스를 사용한 디지털 이미징은 많은 잠재적 어플리케이션들이 있다. 이중에는 대면적 LCD와 평면 패널 디스플레이 패터닝(낮은 해상도), MEMS용 마스크리스 리소그래피(중간 해상도), IC 칩용 마스크리스 리소그래피 등이 있다. [Figure 4]는 Nd:YVO4의 355nm 파장대를 사용하여 i-line 포토레지스트 코팅된 실리콘 웨이퍼에 기록된 패턴을 보여준다. Silicon Light Machines사의 GLV 소자는 20년에 걸친 개발과 개선을 통해 만들어진 광학 MOEMS 장치로서 주로 CMOS 제조시설에서 만들어진다. GLV MOEMS 프로세스와 CMOS제조 사이의 호환성은 고도로 최적화 및 테스트된 프로세스들, 빠른 웨이퍼 턴어라운드 타임(Wafer lot turn-around time)과 장치개발, 높은 수율 엄격한 프로세스 허용 오차, 자동화된 프로세스 모니터링의 사용을 가능하게 하였다. 오늘날, GLV 기술은 고해상도 디스플레이, 디지털 이미징 시스템 및 WDM 통신 등에 GLV장치의 장점인 높은 효율과 큰 동적 범위, 정확한 아날로그 감쇠, 빠른 스위칭 속도, 높은 신뢰도, 높은 수율 그리고 하나의 장치로 수천개의 채널을 통합하는 능력을 활용하여 성공적으로 사용되고 있다.
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레이저기술
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GLV 디바이스는 실리콘 웨이퍼 상에 구축되며, 기판 위에 수많은 병렬의 마이크로 리본들이 공중에 매달려 있는 구조이다. 이 전도성의 리본들은 리본에 전압이 가해졌을때 기판을 향해 아래쪽으로 편향되도록 구성되어 있다. 교차되는 리본들이 아래의 기판쪽으로 편향되었을 경우 [Figure 1]에서 보여주듯이 사각형 우물같은 회절격자(Diffraction Grating)를 형성한다.
GLV 디바이스는 또한 본질적으로 지정 가능한 동적 회절 격자(Dynamic Diffraction Grating)라 할 수 있다. [Figure 2]는 GLV 어레이의 단면도를 보여준다. 리본의 상층부는 빛을 반사할 뿐만 아니라 전기를 전도(Electrically Conducting)할 수 있는 소재이다. 리본의 상층부의 베이스(Base)는 전도성을 띠지만 꼭 빛을 반사하는 성질을 가지지는 않는 소재이다. GLV 디바이스의 구조는 액티브(정전 편향; Electrostatically Deflectable) 리본과 고정된(Undeflectable) 리본이 교차로 구성되어 있고, 액티브 리본의 편향은 리본과 베이스의 도체 사이의 전압을 아날로그 방식으로 조절함으로써 편향의 정도를 제어할 수 있다.
GLV 디바이스의 광학 엔진은 조명 서브 시스템(Illumination Subsystem), GLV 모듈과 구동에 필요한 전자 드라이버와 이미징 서브 시스템으로 구성된다. GLV 기반의 광학 엔진은 세부분의 서브 시스템으로 구성되고, 이 광학 엔진을 통하여 레이저 빔은 시공간적 이미지를 포함하는 빔으로 변환되어 보통 특정 어플리케이션의 타겟에 직접적으로 출력이 되는 것이다. 예를 들어 인쇄 어플리케이션의 경우 알루미늄 시트에, 디스플레이 어플리케이션의 경우 화면에, 그리고 마스크리스 리소그래피의 경우 실리콘 웨이퍼에 이미지들이 결상된다. [Figure 3]은 GLV 광학엔진의 구성을 보여준다.
[Figure 4]는 Nd:YVO4의 355nm 파장대를 사용하여 i-line 포토레지스트 코팅된 실리콘 웨이퍼에 기록된 패턴을 보여준다.
