KR0150238B1 - 광섬유의 수동정렬 및 고정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 광소자에 외부 광통신 시스템과의 접속을 위한 광섬유를 정렬 및 고정시키는 방법에 관한 것으로서, 특히 V-홈을 이용한 광섬유의 수동정렬 및 고정방법에 관한 것이다.

본 발명은 실리콘기판의 광섬유 정렬용 V-홈과 실리콘뚜껑의 광섬유 지지용 V-홈을 이용하여 플립-칩 본딩한 기판과 뚜껑 사이에 광섬유를 일시적으로 고정한 후에 에폭시를 사용하여 완전히 고착시킴으로써 종래 광섬유를 가공하고 금속막을 증착하는 등의 공정 없이도 신속, 정확하게 광섬유를 고정시킴과 동시에 에폭시 경화중 광섬유의 고정을 위한 특별한 지지기구 없이 경화를 할 수 있으므로 생산성을 증가시킬 수 있다.

Description

광섬유의 수동정렬 및 고정방법

제1(a) 내지 1(k)도는 본 발명에 의해 광섬유를 수동정렬 및 고정시키는 방법을 도시한 공정 단면도.

제2도는 제1(k)도의 일부 절개 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 실리콘기판 20 : 실리콘뚜껑

12, 22 : 절연막 14, 24 : UBM(Under-Bump Metallurgy) 패드

16 : 솔더범프 15 : 광섬유 정렬용 V-홈

25 : 광섬유 지지용 V-홈 30 : 광섬유

32 : 코아 35 : 에폭시

[기술 분야]

본 발명은 각종 광소자에 외부 광통신 시스템과의 접속을 위한 광섬유를 정렬 및 고정시키는 방법에 관한 것으로서, 특히 V-홈을 이용한 광섬유의 수동정렬 및 고정방법에 관한 것이다.

[발명의 배경]

광의 생성, 검출, 변조 및 분배기능을 수행하는 각종의 광소자에 광섬유를 부착하여 패키징하는 기술은 모든 통신용 광소자를 제품화하는데 필수적인 기술이다.

이 기술은 광통신 모듈의 가격 설정에 결정적인 영향을 끼치게 된다. 광모듈의 패키징에 있어서, 공정의 난이도가 가장 높고 제조비용이 많이 드는 기술은 광섬유를 정렬, 고정시키는 기술이다.

그 이유는 광소자의 광입력 또는 출력면적이 수 평방 마이크로미터 정도이며, 광섬유의 광입력 또는 출력면적 또는 수십 평방 마이크로미터에 불과하여, 이 양자를 공간적으로 정렬시키는 것도 힘들 뿐만 아니라 정렬된 위치로 부터 광섬유를 변위없이 고정시키는 것은 더욱 어려운 문제이기 때문이다.

종래, 레이저 다이오드와 같은 광소자를 실리콘기판위에 플립-칩 본딩 등의 방법으로 본딩하고 여기에 광섬유를 정렬하는 방법은 실리콘 결정면간의 식각 비율차이를 이용하여 실리콘웨이퍼에 V형상의 홈(groove)을 형성한 후, 이 V-홈에 광섬유를 정렬하고 있다.

이러한 광섬유 정렬방법은 상기 V-홈 형성의 정확함에 바탕을 둔 수동정렬 공정이기 때문에 광섬유 정렬 후 고정을 위해서 통상 에폭시와 같은 유기접착제 혹은 솔더 등을 사용해야 한다.

솔더링(soldering)에 의한 광섬유 고정방법은 작업시간이 짧다는 장점이 있는 반면, 광섬유를 솔더와 접착시키기 위해서 피복을 벗긴 광섬유에 금속층들을 증착하고 어닐링(annealing) 등의 가공을 거쳐야 하기 때문에 제조 단가가 비싸며 생산성이 낮으면서 필요시 광섬유의 재사용이 곤란하다는 단점을 갖는다.

에폭시 사용한 고정방법의 경우에는 피복을 벗겨 낸 광섬유 외에 특별한 가공없이 직접 사용할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 에폭시의 점도 조절을 매우 신중하게 하지 않으면 적용된 에폭시가 상기 V-홈과 광섬유 사이에 존재하는 공간을 따라 모세관 현상에 의해 광섬유의 절단면 까지 번져서 광결합 효율을 감소시킬 우려가 있음과 동시에 V-홈과 광섬유 밑단 사이의 공간으로 에폭시가 침투하면 에폭시의 경화에 의한 부피의 변화로 인하여 광섬유의 수직방향의 정렬이 흐트러져 수율을 저하시키는 문제점들이 있었다.

더욱이, 에폭시의 경화조건은 100~150℃의 온도에서 약 30~60분 정도의 소요시간을 요구하고 있다.

따라서, 상기 경화시간 동안 별도의 정렬 지지부재에 의해 광섬유의 정렬을 유지해야 하기 때문에 생산성이 떨어지는 문제점도 있었다.

[발명의 목적]

본 발명은 상술한 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 무가공의 광섬유를 그대로 사용함과 동시에 에폭시의 경화시간 동안 광섬유의 정렬 유지를 위한 별도의 정렬 유지기구의 사용을 배재함으로써, 공정이 간단하며 대량생산에 적합한 광섬유의 수동정렬 및 고정방법을 제공하는데 있다.

[발명의 요약]

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 수동정렬 및 고정방법은, 실리콘기판 및 실리콘뚜껑 상부에 형성하고자 하는 V-홈 패턴의 절연막을 이용하여 광섬유 정렬용 V-홈과 광섬유 지지용 V-홈을 각각 형성하는 단계와; 상기 절연막 패턴들을 구비한 실리콘기판 및 뚜껑 상부에 솔더와의 접착을 위하여 두 개 이상의 UBM(Under-Bump Metallurgy)패드를 각각 형성하는 단계와; 상기 실리콘기판상의 UBM 패드들 상부에 후막의 감광막패턴을 이용하여 솔더범프를 형성하고, 증착된 솔더의 조성 균일화를 위하여 그 솔더 범프를 솔더의 용융점 이상의 온도에서 리플로우(reflow) 시키는 단계와; 상기 실리콘기판내의 광섬유 정렬용 V-홈에 광섬유를 수동정렬시키는 단계와; 상기 실리콘뚜껑의 광섬유 지지용 V-홈과 UBM패드가 상기 실리콘기판의 광섬유 정렬용 V-홈과 솔더범프와 서로 대향되도록 실리콘기판위에 실리콘뚜껑을 플립-칩 본딩(flip-chip bonding) 시키는 단계; 및 상기 플립-칩 본딩된 실리콘기판과 뚜껑 사이에 에폭시를 적용하고 이를 경화시키는 단계들로 이루어짐을 특징으로 한다.

[실시예]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

제1(a)-(k)도는 본 발명의 실리콘 V-홈을 이용한 광섬유의 정렬 및 고정방법을 나타내는 공정 단면도이고, 제2도는 제1도의 공정에 의해 광섬유가 정렬 및 고정된 상태의 요부절개 사시도를 각각 나타낸다.

제1도에 있어서, 광섬유의 정렬을 물리적 압착력으로 유지하기 위한 실리콘뚜껑은 실리콘기판 제작과 동일한 방법으로 동시에 제작된다.

불필요한 중복을 피하기 위하여, 상기 실리콘뚜껑의 공정단면도는 생략된다(제1(j)도 참조).

제1공정은 실리콘기판(10) 및 실리콘뚜껑(20)에 광섬유 정렬용의 V-홈(15)과 광섬유 지지용의 V-홈(25)을 각각 형성하는 공정으로서, 제1(a)도에 도시한 바와 같이, 실리콘기판(10) 및 뚜껑(20) 위에 절연물을 각각 전면 증착하고, 제1(b)도에 도시한 바와 같이, 레지스트를 도포한 후 노광하여 원하는 형태의 V-홈을 형성하기 위한 패턴의 절연막(12)과 포토레지스트(PR)층을 형성하며, 이 패턴을 이용하여 실리콘기판(10)을 에칭하여 제1(c)도에 도시한 바와 같은 광섬유 정렬용 V-홈(15)을 형성한다.

실리콘뚜껑(20)내에 광섬유 지지용 V-홈(25)이 형성됨은 물론이다.

전술한 바와 같이, 광섬유 지지용의 뚜껑은 광섬유 정렬용의 기판 제작시에 동일한 방법으로 동시에 제작됨으로써 종래 방법에 비해 공정수의 증가없이 저렴하게 제작할 수 있다.

이때, 상기 광섬유 정렬용 V-홈(15)과 지지용 V-홈(25) 형성을 위한 에칭 조건은 광소자의 수광 또는 발광부의 중심축을 감안하여 이 중심축과 V-홈 내에 정렬되는 광섬유의 코아 중심축이 공간적으로 일치할 수 있도록 정밀 제어된다.

본 공정에서 에칭되는 V-홈의 크기는 상기 광소자의 광입, 출력부를 고려하여 설계되며, 실리콘의 (111)면이 나타나는 이방성 에칭을 이용한다.

바람직한 에칭용액으로는 KOH용액을 사용한다.

상기 절연막(12) 물질 역시 특별히 한정되지 않으며, 실리콘질화물 또는 실리콘산화물이 바람직하다.

제2공정은 상기 공정을 통하여 형성된 V-홈(15, 25)들을 기준으로 하여 그 양측의 절연막(12, 22) 패턴 상부에 솔더와의 접착을 위한 UBM(Under-Bump Metallurgy) 패드(14, 24)를 각각 형성하는 공정이다.

제1(d)도에 의거, 박형의 레지스트를 도포하고 노광하여 형성하고자 하는 형태의 UBM 패턴을 갖는 레지스트층(PR1)을 형성한 후, 그 전면에 금속을 증착한다.

이어, 제1(e)도에 도시한 바와 같이, 레지스트층(PR1)을 포함한 상부층을 리프트-오프(lift-off) 공정을 통하여 제거하면 UBM패드(14)만이 남는다.

이때, 상기 UBM패드(14)에 전송선 등이 연결되어 있는 경우에는 후속 공정의 솔더 증착시 솔더가 이 전송선을 따라 점착되는 것을 방지하기 위하여, 제1(f)도에 도시된 바와 같이, UBM패드(14)의 좌, 우측을 둘러싸는 별도의 절연층(12a)을 부가 형성한다.

또한, 상기 UBM패드(14) 형성을 위해 통상의 증착방법 대신에 전기도금법을 사용할 수 있다.

제3공정은 상기 실리콘기판(10)상의 UBM패드(14) 상부에 후막의 감광막 패턴을 이용하여 솔더(6)를 증착하는 공정으로서, 상기 제2공정과 동일한 방법을 사용하여 솔더범프(16)를 형성하되, 본 공정에서는 제1(g)도에 도시된 바와 같이, 후막의 레지스트층(PR2) 패턴을 사용하여 하층의 UBM패드(14)보다는 상대적으로 두꺼운 솔더범프(16)를 형성한다.

본 공정에서 고려되어야 할 중요한 사항은 후속 공정을 통하여 리플로우된 상태에서의 솔더범프(16)의 높이가 본딩된 상태에서의 기판(10)과 뚜껑(20) 사이의 공간(17)의 높이보다 더 낮을 수 있도록 솔더범프(16)의 두께를 제어해야 한다는 것이다.

그 이유는 후속의 플립-칩 본딩시 광섬유 정렬용의 V-홈(15)에 절렬된 광섬유(30)가 V-홈과 접촉을 유지하도록 하는 물리적 압착력을 제공함과 동시에 솔더 용융시의 표면장력을 이용하여 정렬을 용이하게 하기 위함이다.

또한, 상기 솔더범프(16)는 통상적으로 상술한 실리콘기판(10)에 형성되지만, 필요에 따라 실리콘뚜껑(20)에 또는 기판(10)과 뚜껑(20) 양쪽 모두에 형성될 수 있다.

상기 솔더범프(16) 역시 전기도금법에 의해 형성될 수 있다.

제4공정은 상기 제3공정을 통하여 형성된 솔더범프(16)의 조성 균일화를 위하여 질소 또는 수소 분위기의 오븐에서 리플로우시키는 공정으로서, 제1(h)도에 도시된 바와 같이, 솔더범프(16)를 용융점 이상의 온도로 가열하면, 용융된 솔더의 표면장멱으로 인하여 솔더범프(16)의 형태가 둥글게 된다.

제5공정은 상기 실리콘기판(10)내의 광섬유 정렬용 V-홈(15)에 광섬유(30)를 정렬시키는 공정으로서, 제1(i)도에 도시한 바와 같이, 광섬유(30)의 코아(32)가 광소자의 수광 또는 발광부와 정확히 정렬되도록 설계된 상기 V-홈(15) 위에 광섬유(30)를 올려 놓는다.

제6공정은 상기 공정을 통하여 광섬유(30)가 정렬된 실리콘기판(10) 위에 역시 광섬유 지지용 V-홈(25)을 구비한 실리콘뚜껑(20)을 플립-칩 본딩하는 공정으로서, 제1(j)도에 도시한 바와 같이, 상술한 제1 및 제2공정을 통하여 실리콘뚜껑(20) 위에 형성된 광섬유 지지용 V-홈(25)과 UBM패드(24)가 상기 실리콘기판(10)의 광섬유 정렬용 V-홈(15)과 솔더 범프(16)와 서로 대향되도록 뚜껑(20)을 뒤집어 기판(10)위에 플립-칩 본딩한다.

본 공정의 본딩시 상기 솔더범프(16)가 뚜껑(20)의 UBM패드(24)와 전면 흡착될 수 있도록 약간의 압력을 가한다.

제7공정은 상기 공정을 통하여 플립-칩 본딩된 실리콘기판(10)과 뚜껑(20) 사이의 공간(17)에 에폭시를 적용하고 소정의 분위기에서 에폭시를 경화시키는 공정으로서, 제1(k)도에 도시한 바와 같이, 수십 마이크로미터 크기의 상기 공간(17)에 액상의 에폭시(35)를 모세관 현상을 이용하여 채운 후, 약 100~150℃의 온도에서 30~60분간 경화시켜 광섬유(30)를 완전히 고착시킨다.

이와 같이 본 발명은 별도의 정렬 지지기구 없이 무가공 상태의 광섬유를 직접 고정한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 광섬유 정렬 및 고정방법에 의하면, 실리콘기판의 광섬유 정렬용 V-홈과 실리콘뚜껑의 광섬유 지지용 V-홈을 이용하여 플립-칩 본딩한 기판과 뚜껑 사이에 광섬유를 일시적으로 고정한 후에 에폭시를 사용하여 완전히 고착시킴으로써 종래 광섬유를 가공하고 금속막을 증착하는 등의 공정 없이도 신속, 정확하게 광섬유를 고정시킴과 동시에 에폭시 경화중 광섬유의 고정을 위한 특별한 지지기구없이 경화를 할 수 있으므로 생산성을 증가시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

Claims (4)

1. 실리콘기판 및 실리콘뚜껑 내에 형성하고자 하는 V-홈 패턴의 절연막을 이용하여 광섬유 정렬용 V-홈과 광섬유 지지용 V-홈을 각각 형성하는 단계; 상기 절연막 패턴들을 구비한 실리콘기판 및 뚜껑 상부에 솔더와의 접착을 위하여 두 개 이상의 UBM(Under-Bump Metallurgy)패드를 각각 형성하는 단계; 상기 실리콘기판상의 UBM 패드들 상부에 후막의 감광막 패턴을 이용하여 솔더범프를 형성하고, 증착된 솔더의 조성 균일화를 위하여 그 솔더 범프를 솔더의 용융점 이상의 온도에서 리플로우(reflow) 시키는 단계; 상기 실리콘기판내의 광섬유 정렬용 V-홈에 광섬유를 수동정렬시키는 단계; 상기 실리콘뚜껑의 광섬유 지지용 V-홈과 UBM패드가 상기 실리콘기판의 광섬유 정렬용 V-홈과 솔더범프와 서로 대향되도록 실리콘기판위에 실리콘뚜껑을 플립-칩 본딩(flip-chip bonding) 시키는 단계; 및 상기 플립-칩 본딩된 실리콘기판과 뚜껑 사이에 에폭시를 적용하고 이를 경화시키는 단계들로 이루어지는 광섬유의 정렬 및 고정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 플립-칩 본딩을 이용한 광섬유 고정시 광섬유에 물리적 압착력을 제공하기 위하여, 플립-칩 본딩된 상태에서의 상기 솔더범프의 높이를 상기 기판과 뚜껑 사이의 공간의 높이보다 낮게 형성시킨 광섬유의 정렬 및 고정방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 UBM패드 형성단계에서 이 패드에 전송선이 연결되어 있는 경우 솔더와의 점착을 방지하기 위하여, 상기 UBM패드 주위에 절연층을 형성하는 공정을 부가하는 광섬유의 정렬 및 고정방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 솔더범프가 실리콘기판, 실리콘뚜껑 및 기판과 뚜껑의 양쪽 가운데 어느 한곳에 형성된 광섬유의 정렬 및 고정방법.