KR0163738B1 - 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법 - Google Patents

히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘 기판상에 하부 클래드층과 채널 도파로층을 연속적으로 형성하는 공정과, 상기 채널 도파로층의 상부에 마스크를 형성하는 공정과, 상기 마스크를 이용하여 상기 채널 도파로층을 식각하여 채널 도파로를 형성하고 상기 마스크를 제거하는 공정과, 상기 하부 클래드층과 상기 채널 도파로의 상부에 제1상부 클래드층을 형성하는 공정과, 상기 제1상부 클래드층 상부의 상기 채널 도파로에 대응하는 부분에 박막히터를 형성하는 공정과, 상기 제1상부 클래드층 및 상기 박막히터의 상부에 제2상부 클래드층을 형성하는 공정으로 구성되어, 박막히터에서 발생되는 열이 인접하는 채널 도파로에 전달되는 것을 억제하여 이웃하는 채널 도파로들 사이의 누화 현상을 방지할 수 있는 잇점이 있다.

Description

히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법
제1도는 본 발명에 따른 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 평면도.
제2도(a) 내지 (d)는 본 발명에 따른 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 실리콘 기판 13 : 하부 클래드층
15 : 도파로층 17a, 17b : 채널 도파로
19 : 제1상부 클래드층 21a, 21b : 박막히터
23 : 제2상부 클래드층 25a, 25b : 방향성 커플러
[기술분야]
본 발명은 히터에 의해 도파로의 온도를 조절함으로써, 흐르는 광신호의 위상을 변화시키는 평면 도파로형 광스위치의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 실리카 클래드층에 히터를 매립하여 인접하는 채널 도파로에 영향을 최소화하고, 온도변화에 의한 누화를 방지하며, 광스위치의 스위칭 속도와 스위칭 전원을 개선할 수 있도록 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법에 관한 것이다.
[종래의 기술]
광통신 기술의 발전에 따라 높은 전송효율과 용이한 망구성을 갖는 광통신 시스템을 구축하기 위해, 광섬유, 광원 및 광검출기 뿐만아니라 여러 종류의 광소자들이 요구되고 있다. 상기 광소자들에는 광신호의 분할/결합을 위한 광분할기/광결합기, 망에서 광의 전송로를 변화시키기 위한 광스위치 및 파장분할기 등이 있다.
상기 여러 광소자 중, 광스위치는 전송선이 고장난 경우에 다른 전송선의 요구에 응하여 다른 전송선을 자유롭게 스위칭할 수 있으므로 매우 중요하다.
상기 광스위치는, 일반적으로, 벌크형 광스위치와, 도파로 형광 스위치로 나누어 지는데, 이중 벌크형 광스위치는 이동하는 프리즘과 렌즈들을 사용하는 것으로 작은 파장 의존성과 비교적 낮은 손실 특성을 갖는 장점이 있으나, 조립 및 조정 공정이 복잡하고 비싸 대량 생산에 적합하지 않다.
한편, 도파로형 광스위치는 반도체 장치의 제조기술을 사용하여 제조할 수 있어 대량 생산이 용이하므로 차세대 광스위치로 적합하다.
종래의 평면도파로형 광스위치는 Masao Kawachi에 의해 Silica waveguide on silicon and their application to integrated-optic components라는 제목으로 Optical and Quantum Electronics, 22(1990) 391-416.에 게시되었다.
상기 광 스위치는 실리콘 기판상에 화학기상증착법과 화염가수분해법 등으로 실리콘 산화막의 하부 클래드층과 실리카층을 순차적으로 증착한 후, 상기 실리카층을 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching : RIE) 방법에 의해 패터닝하여 채널 도파로를 형성하고, 상기 하부 클래드층의 상부에 상기 채널 도파로를 덮도록 상부 클래드층을 증착하는 데, 상부 클래드층은 표면이 평탄화되도록 300㎛이상의 두께로 형성된다. 그 다음, 상기 채널 도파로와 대응하는 상부 클래드층의 상부에 상기 채널 도파로의 온도를 조정하여 전송되는 광신호의 위상을 변화시켜 스위칭하는 히터를 형성한다.
[본 발명에서 해결하고자 하는 문제점]
그러나, 상술한 종래의 평면도파로형 광스위치는 소정 채널 도파로에 열을 가할 때 열이 확산되는데, 상부 클래드층이 두껍게 형성되므로 상기 확산된 열이 이웃하는 채널 도파로도 가열시켜 전송되는 광신호의 위상을 변화시키며, 이에 의해, 누화현상이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 두껍게 형성된 상부 클래드층에 의해 박막히터에서 발생된 열이 채널 도파로로 전달되는 속도가 느려 스위칭 속도가 느리고, 박막히터에서 발생되는 열이 높아야 채널 도파로에 전달되므로 동작 전원이 커야하는 문제점이 있었다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적을 소정 채널 도파로에 열을 가할 때 이웃하는 채널 도파로가 가열되지 않도록 하여 누화 현상을 방지할 수 있으며, 빠른 스위칭 속도와 낮은 동작 전원에서 동작할 수 있는 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위해 본 발명에서 제공하는 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법은, 실리콘 기판상에 하부 클래드층과 채널 도파로층을 연속적으로 형성하는 공정과, 상기 채널 도파로층의 상부에 마스크를 형성하는 공정과, 상기 마스크를 이용하여 상기 채널 도파로층을 식각하여 채널 도파로를 형성하고 상기 마스크를 제거하는 공정과, 상기 하부 클래드층과 상기 채널 도파로의 상부에 제1상부 클래드층을 형성하는 공정과, 상기 제1상부 클래드층 상부의 상기 채널 도파로에 대응하는 부분에 박막히터를 형성하는 공정과, 상기 제1상부 클래드층 및 상기 박막히터의 상부에 제2상부 클래드층을 형성하는 공정으로 구성된다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 평면도이다.
제1도를 참조하면, 상기 광스위치는 2개의 채널 도파로(17a)(17b)가 2개의 커플러(25a)(25b)를 형성하도록 2군데가 거의 접근되어 위치하며, 상기 커플러(25a)(25b)의 결합비는 광신호 파장의 50%로 설정된다. 또한, 상기 2개의 커플러(25a)(25b) 사이의 채널 도파로(17a)(17b)는 길이가 서로 동일하고 상부에 박막 히터(21a)(21b)가 위치된다.
상기 박막 히터(21a)(21b)는 전원(도시되지 않음)에 의해 선택적으로 가열되어 상기 채널 도파로(17a)(17b)에 열을 전달하므로써 전송되는 광신호의 위상을 변화시켜 통로를 차단하고 다른 채널 도파로로 전송되게 한다.
즉, 상기 박막히터(21a)가 가열되면 상기 채널 도파로(17a)가 차단 되므로 포트1(P1)을 통한 광신호가 커플러(25a)에 의해 커플링되어 채널 도파로(17b)를 통해 포트4(P4)로 전송된다.
이 때, 상기 채널 도파로(17a)(17b)를 통해 포트 1(P1)에서 포트 3(P3)으로, 또는, 포트 2(P2)에서 포트 3(P3)으로 광신호를 전송하는 경우 바 상태(Bar State), 포트 1(P1)에서 포트 4(P4)로, 또는, 포트 2(P2)에서 포트 4(P4)로 전송하는 경우 크로스 상태(Cross State)라 한다.
제2도(a) 내지 (d) 는 본 발명에 따른 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조 공정도로서, 제1도를 X-X선으로 자른 단면을 이용한다.
먼저, 제2도(a)를 참조하면, 실리콘 기판(11)상에 하부 클래드층(13)과 도파로층(15)을 순차적으로 형성하는데, 상기 하부 클래드층(13)은 PSG(Phosphosilicate Glass)이 화염가수분해법에 의해 18~22㎛ 정도의 두께로 증착되어 형성되며, 도파로층(15)은 GPSG(Germano-Phosphosilicate Glass) 가 6~8㎛ 정도의 두께로 증착되어 형성된다.
그리고, 상기 형성된 하부 클래드층(13)과 도파로층(15)을 750~850℃ 정도의 BCL20 SCCM분위기에서 5~10분간 열처리한 후, 다시, 1000~1100℃ 정도의 He 300 SCCM + O2200 SCCM 분위기에서 5~10시간 열처리하여 고밀화시킨다.
이때, 상기에서 최종 단계에 He과 수증기를 동시에 흘려주어 고밀화시킨다.
상기에서 BCL2분위기에서의 열처리는 하부 클래드층(13)과 도파로층(15)에 포함되어 있는 OH기를 제거하여 불순물을 낮게 하여 융점을 낮게 하며, He 또는 O2분위기에서의 열처리는 하부 클래드층(13)과 도파로층(15)에 버블이 형성되는 것을 최소화한다.
이 때, 상기 도파로층(15)의 굴절율은 도파 손실 및 절곡 손실을 고려하여 단위 시간당 사용되는 GeCl4의 중량을 변화시켜 0.1~3%가 되도록 한다.
제2도(b)를 참조하면, 상기 도파로층(15)의 상부에 비정질 실리콘, 알루미늄 또는 크롬 등을 0.25~0.5㎛정도의 두께로 증착하고 마스크층(도시되지 않음)을 형성한 후, 상기 마스크층 상부의 소정 부분에 감광막 패턴(도시되지 않음)을 형성하고, 이 감광막 패턴을 마스크로 하여 상기 마스크층과 도파로층(15)을 순차적으로 이방성 식각하여 마스크와 채널 도파로(17a)(17b)를 형성한다.
상기에서, 마스크는 아모퍼스 실리콘으로 구성되며, 감고아막 패턴을 사용하여 Cl2가스를 이용한 반응성 이온 식각하므로써 형성되는데, 상기 감광막 패턴은 O2플라스마에 의해 제거된다.
또한, 채널 도파로(17a)(17b)는 CF4와 CHF3를 4~8:1의 조성으로 혼합된 가스로 인덕티브 커플드 플라즈마(Inductive Coupled Plasma)방법으로 식각되며 대칭적인 구조로 6~8㎛ 정도의 선폭을 갖는다.
이 때, 상기 채널 도파로(17a)(17b)를 이루는 GPSG은 알루미늄의 식각 선택비가 40~60:1 이고, 식각 속도는 분당 0.3~0.7㎛정도가 된다.
그리고, 상기 마스크를 습식식각하여 제거한다.
제2도(c)를 참조하면, 상기 하부 클래드층(13)의 상부에 상기 채널 도파로(17a)(17b)가 덮혀지도록 BPSG(Boro-Phosphosilicate Glass)를 화염가수분해법으로 증착하고 열처리하여 고밀화시켜 제1상부 클래드층(19)을 형성한다.
이 때, 상기 제1상부 클래드층(19)을 상기 채널 도파로(17a)(17b)의 상부에서 5~10㎛ 정도의 두께가 되도록 10~18㎛ 정도의 두께로 형성한다.
그리고, 제1상부 클래드층(19)의 상부에 전자 빔 또는 스퍼터링 등의 방법에 의해 티타늄 또는 탄탈륨 등을 0.1~0.2㎛ 정도의 두께로 증착하고 통상의 포토리소그래피 방법에 의해 상기 채널 도파로(17a)(17b)의 상부에 박막 히터(21a)(21b)를 한정한다.
이 때, 상기 박막 히터(21a)(21b)의 선폭은 12~16㎛ 정도로 상기 채널 도파로(17a)(17b)의 선폭에 비해 두 배 정도가 되게 한정하는데, 이는 국부 가열과 복원으로 인한 인접 도파로와의 누화를 최소화하도록 하기 위함이다.
제2도(d)를 참조하면, 상기 제1상부클래드층(19) 및 박막 히터(21a)(21b) 의 상부에 상기 제1상부 클래드층(19)과 동일하게 BPSG(Boro-Phosphosilicate Glass)를 화염가수분해법으로 15~20㎛ 정도의 두께로 증착하고 열처리에 의해 고밀화시켜 제2상부 클래드층(23)을 형성한다.
이 때, 상기 박막 히터(21a)(21b)가 열처리시 변형되는 것과 제1상부 클래드층(19)의 변형을 막기 위하여 고밀도 온도를 1000~1050℃ 정도로 낮게하고, 750~850℃ 정도의 BCL3를 10~15 SCCM 정도로 흘려준다.
그리고, 상기 박막 히터(21a)(21b)에 의해 열을 인가하여 채널 도파로(17a)(17b)를 차단한 후 다시 복원할 때 빠른 열 방출을 위해 상기 제2상부 클래드층(23)을 국부 식각하여 박막 히터(21a)(21b)의 열선을 공기중에 노출시킨다.
[발명의 효과]
상술한 바와 같이 본 발명은 채널 도파로가 형성된 하부 클래드층의 상부에 채널 도파로의 상부에서 5~10㎛ 정도의 얇은 두께를 갖는 제1상부 클래드층을 평탄하게 형성하고, 이 제1상부 클래드층 상부의 채널 도파로와 대응하는 부분에 채널 도파로의 선폭에 비해 2배 정도의 선폭을 갖는 박막 히터를 형성한 후, 제1상부 클래드층과 박막히터의 상부에 15~20㎛ 정도 두께의 제2상부 클래드층을 형성하고 박막 히터의 빠른 열 방출을 위해 상기 제2상부 클래드층을 제거하여 박막 히터를 노출시키므로, 박막히터에서 발생되는 열이 인접하는 채널 도파로에 전달되는 것을 억제하여 이웃하는 채널 도파로들 사이의 누화 현상을 방지할 수 있으며, 열 전달 속도가 빠르므로 스위칭 속도가 빠르고 낮은 동작 전원에서 동작할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (7)

  1. 실리콘 기판 상에 하부 클래드층과 도파로층을 연속적으로 형성하는 제1공정과, 상기 도파로층의 상부에 마스크를 형성하는 제2공정과, 상기 마스크를 이용하여 상기 도파로층을 식각하여 채널 도파로를 형성하고 상기 마스크를 제거하는 제3공정과, 상기 하부 클래드층과 상기 채널 도파로의 상부에 제1상부 클래드층을 형성하는 제4공정과, 상기 제1상부 클래드층 상부의 상기 채널 도파로에 대응하는 부분에 박막 히터를 형성하는 제5공정과, 상기 제1상부 클래드층 및 상기 박막 히터의 상부에 제2상부 클래드층을 형성하는 제6공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 히터 매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 클래드층은 18~22㎛의 두께로 형성하며, 상기 도파로층은 6~8㎛의 두께로 형성하되, 상기 하부 클래드층과 도파로층을 열처리하여 고밀화시키는 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하부 클래드층은 PSG(Phosphosilicate Glass)로 형성하며, 상기 도파로층은 GPSG(Germano-Phosphosilicate Glass)로 형성하는 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 하부 클래드층과 도파로층을 750~850℃의 BCl2분위기에서 5~15분간 1차 열처리하고 1000~1050℃의 He + O2분위기에서 5~10 시간 2차 열처리하는 히터 매립된 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2공정은 아모퍼스 실리콘으로 이루어진 마스크를 형성하는 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제5공정은 상기 박막 히터의 폭을 상기 도파로 폭의 두배로하여 국부가열과 복원으로 인한 인접 도파로와의 누화를 최소화하도록 하는 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도파로의 굴절률이 가열된 후 복원이 효율적으로 진행될 수 있도록 상기 박막히터의 상부에 형성된 제2상부 클래드 층을 국부 식각하여 박막히터의 열선을 공기중에 노출시키는 공정을 부가한 것을 특징으로 하는 히터매립된 평면 도파로형 광스위치의 제조방법.
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