KR0170194B1 - 저온 화염가수분해증착 장치의 반응 토치 - Google Patents

저온 화염가수분해증착 장치의 반응 토치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광통신에 사용되는 수동부품을 별도의 기판위에 도파로를 형성하여 광신호의 흐름을 구성하고 광회로를 구현하기 위한 저온화염가수분해증착장치의 반응토치에 관한 것으로 종래의 FHD 방법은 첫째 기판과 화염이 직접 접촉하는 공정으로 상온의 기판에 일부분을 접촉하기 때문에 열분포의 불균형이 발생할 수 있고, 둘째, 화염의 온도가 산화물 미립자의 녹는 온도와 유사하여 토치에 구성되어 있는 석영관내부에 유리녹음현상이 발생되어 공기중의 이물질과 접촉하여 미립자 증착층에 치명적인 오염을 유발시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 FHD 방법에서 발생되는 손실문제를 근본적으로 개선하고, 향후 광통신망에서 사용될 도파로형 광수동부품의 질적향상을 위한 것으로 도파로형 광부품을 제조하기 위한 FHD 반응시스템에서 화염을 일으키며 화염의 형성점과 종방향의 균일한 성막을 위하여 앵글회전과 상하좌우 이동이 가능하도록 Step Moter에 의해 구동되며 석영관을 정밀 가공된 테프론 홀더블럭에 구성하여 오염여부나 동축형성의 불일치를 실시간에 보수 및 보정하도록 하고, 반응가스의 정밀한 제어와 더불어 중요한 역할을 하며, 원료의 반응온도를 낮추는 기능을 갖도록 한 No Shield 구조로 구성된 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치에 관한 것임.

Description

저온 화염가수분해증착 장치의 반응 토치
제1도는 화염가수분해법에 의한 실리카성막 공정의 개략도.
제2도는 저온 FHD 토치의 가스조절 구성 개략도를 보인 것으로,
(a)는 5라인.
(b)는 4라인.
(c)는 3라인임.
제3도는 저온 FHD 장치의 반응실의 구성개략도.
제4도는 5라인 저온 테프론 토치의 구성 개략도로서,
(a)는 단면도이고,
(b)는 A-A′선 단면도.
제5도는 4라인 저온 테프론 토치의 구성 개략도.
(a)는 단면도이고,
(b)는 A-A′선 단면도.
제6도는 3라인 저온 테프론 토치의 구성 개략도.
(a)는 단면도이고,
(b)는 A-A′선 단면도.
(c)는 B-B′선 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘 기판 2 : 토치(석영관 토치)
3 : 산화물 미립자 4 : 산수소 화염
5 : 토치(석영관 토치) 6 : 기판장착 스테이지
7 : Pyrometer 포트 8 : 배기 포트
9 : 테프론 홀더 10 : 테프론 블럭간 결합나사
11 : 토치 석영관 12 : 석영관 고정턱
13 : 상부 테프론 블럭 14 : 상부 테프론 블럭의 원료 인입부
15 : 중간부 테프론 블럭 16 : 하부 테프론 블럭
17 : 측면 가스인입관 18 : 석영관 동축조정부
19 : 석영관 동축조정나사 20 : 원료 공급 석영관
21 : 헬륨 1 공급 석영관 22 : 수소 공급 석영관
23 : 헬륨 2 공급 석영관 24 : 산소 공급 석영관
25 : 최외각 석영관 26 : 석영관 Shielding 커버
27 :테프론 석영관 Cap
본 발명은 광통신에 사용되는 수동부품을 별도의 기판위에 도파로를 형성하여 광신호의 흐름을 구성하고 광회로를 구현하기 위한 저온화염가수분해증착장치의 반응토치에 관한 것이다.
광통신 기술의 발전에 따라 광 결합기, 광스위치, 과장 분할기 등의 각종 집적형 광학 부품을 제조하기 위하여 각종의 평면 도파로 기술이 개발되어 왔다.
종래의 도파로형성기술은 화염가수분해법등으로 제작된 실리카막(버퍼 클래드, 코아층)을 반응 이온 식각법으로 코아층을 정의하고 실리카막(오버 클래드층)을 형성하여 광신호의 흐름을 유도하는 구조로 제조된다.
화염가수분해법은 광섬유의 제조법인 VAD법에서 파생된 방법으로 상압, 고온의 토치내에 원료를 반응시켜 산화물 미립자를 형성하여 열처리로 고밀화된 유리막을 얻는 방법이다.
기판에 유리를 성막하는 방법은 CVD(Chemical Vapor Deposition)참조: B. H. Verbeek, C. H. Henry, et al., Integrated Four Mach-Zender Multi-Demultiplexer Fabricated with Phosphorous Doped SiO2 Waveguides on Si, J. Lightwave Technol. Vol. 6, No. 6. 1011(1988)와 FHD(Flame Hydrolysis Deposition)참조: M. Kawachi, Silica Waveguide on Silicon and Their Application to Intergrated-Optic omponents, Opital and Quantum Electronics, Vol. 22, 391(1990)등이 있다.
도파로특성의 주요변수는 유리막의 투명성, 균일한 굴절율과 토파로의 균일한 두께등이 있다.
이러한 변수제어의 필요성의 기존의 FHDM. Kawachi, Silica Waveguide on Silicon and Their Application to Integrated-Optic omponents, Optical and Quantum Electronics, Vol. 22, 391(1990) 방법은 화염온도가 1200∼1250℃의 고온토치반응이라는 점과 미립자의 녹임공정온도가 1250∼1380℃로 높은 이유 때문에 발생하는 복굴절, 균열등의 문제가 완전히 배제되지 못하고 있다.
종래기술의 도파로손실은 0.1dB/cm정도로 비교적 낮지만 복굴절문제와 수 m의 긴 도파로의 손실부분이 상대적으로 크다.
또한 FHD 반응을 주도하는 토치는 석영관으로 구성된 용접구조물로 유지보수의 어려움이 있고 문제발생시 전체를 교체하여야 한다.
기존의 보치는 대기압상태에서 진행되어 초기 화염과 기판의 접촉시와 화염주위의 공기와 반응시 화염의 형태가 일정하지 않고 나비모양의 불균일한 형태를 가지며 미립자 증착시에도 전형적인 형태를 갖지 못한다.
또한 토치의 제조방법이 석영관을 용접하여 제작하기 때문에 석영관의 수시보수가 어렵고 센터부분을 중심으로 동심원을 형성하기 어려운 문제가 있다.
기존의 FHD 방법이 고온화염으로 인한 문제는 크게 두가지를 들 수 있다.
첫째로는 기판과 화염이 직접 접촉하는 공정으로 상온의 기판에 일부분을 접촉하기 때문에 열분포의 불균형이 발생할 수 있다.
둘째로는 화염의 온도가 산화물 미립자의 녹는 온도와 유사하여 토치에 구성되어 있는 석영관내부에 유리녹음현상이 발생되어 공기중의 이물질과 접촉하여 미립자 증착층에 치명적인 오염을 유발시킬 수 있다.
또한 실리카 미립자의 균일한 증착을 위하여 기존은 회전 테이블위의 기판을 장착하여 회전시키면서 토치가 반지름방향으로 전후이동하여 증착되며, 이 방법의 문제점은 다량(30개이상)의 기판을 사용하지 않을때 손실이 크고 횡방향의 균일성이 우수하고 종방향은 상대적으로 균일성이 낮은 단점이 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은 종래의 FHD 방법에서 발생되는 손실문제를 근본적으로 개선하고 향후 광통신망에서 사용될 도파로형 광수동부품의 질적 향상을 위한 저온 화임가수분해증착장치의 반응토치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 화임의 온도를 근본적으로 제어하고 원료와의 반응을 돕는 가스제어를 통하여 약 150∼200℃정도 저온화된 화염을 얻도록 하며, 저온화염은 토치내의 반응중 유리미립자의 녹음을 방지하고 토치의 석영관 내부에 미립자의 형성을 억제하여 균질한 유리막을 실리콘 기판위에 형성시키도록 FHD반응을 주도하는 토치는 석영관을 정밀 가공된 테프론 홀더블럭에 구성하여 오염여부나 동축형성의 불일치를 실시간에 보수 및 보정하도록 하며, 반응가스의 정밀한 제어와 더불어 중요한 역할을 하며, No Shield 구조의 Dillution 토치를 형성하여 원료의 반응온도를 낮추는 기능을 부가하였다.
대기압상태에서 반응하여 발생된 문제는 첫째로 N2 분위기의 Laminar Flow의 형성으로 화염의 형태를 일정하게 유지하였고, 둘째로 기판을 200∼600℃정도로 가열하여 미립자 초기형성시 기판의 온도불균형을 감소하였으며, 셋째로 토치석영관 끝부분에 Shield Jacket을 구성하여 화염의 안정한 발생을 유도하였다.
또한 본 발명에서는 기판장착대가 X-Y, Rotation이동을 하고 토치가 상하로 움직이며 미립자의 형성점을 조절할 수 있는 좌우, 회전이 가능하며, 횡, 종방향의 균일성을 높히고 기판의 수량이 적어도 가능하다.
사용 기판은 실리콘, 석영, 사파이어등이 있으며, 각각의 기능에 따라 구분되어 사용된다.
본 발명은 실리콘기판과 유리막의 열팽창계수의 차이에 따른 복굴절, 균열등의 문제를 해소하고 실리콘, 석영등의 기판위에 광회로를 구성하여 극저손실의 광수동부품을 제조하고자 한다.
또한 토치의 유지보수부분을 개선하여 효과적인 실리카막 증착을 도모하고자 한다.
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 FHD(화염 가수분해 증착)법을 이용한 실리콘 기판위에 저손실의 실리카 도파로를 제조하기 위하여 토치의 기능향상을 위한 구조 및 저온화염가수분해법을 이용하여 제1도에서 보인 바와 같이 실리콘(1)이나 석영, 세라믹등의 기판위에 화염버너(2)를 사용하여 화학반응을 동반한 화염(4)과의 열분해반응으로 실리카 미립자(3)를 증착하고 열처리로 고균질의 유리(실리카)막을 형성하는 방법이다.
실리카 미립자의 기본조성은 SiO2이며 굴절율과 융점을 제어하기 위한 첨가물인 GeO2, B2O3, P2O5등으로 이루어진다.
이에 사용되는 원료는 SiCl4, GeCl4, BCl3, POCl3(PCl3)등으로 대부분 증기압이 낮은 액체원료이며, 일반적인 반도체용 특수가스와는 달리 저압에 강부식성을 갖고 있으며, 온도에 따라 매우 민감하게 변하므로 항온조에 보관한다.
제2도는 원료가스와 산수소화염과의 반응을 유도하는 토치내의 배관 구성도이다.
저온 연소라인은 기본적으로 산소와 수소라인을 사용하여 제2도의 (a)와 같이 산소와 수소에 헬륨을 첨가하여 화염의 온도를 낮추었고 산소와 수소사이에 헬륨으로 Shielding한 형태가 가장 일반적인 형태이다.
헬륨 Shielding은 화염형성의 위치를 결정함과 동시에 산소와 수소의 석영관 내부반응을 억제하는 효과가 있다.
제2도의 (b)는 원료의 흐름을 헬륨 Shielding으로 유도하지 않고 수소와 헬륨이 혼합된 연소가스로 직접 접촉시킨 것으로 식 1)과 같이 원료와 헬륨희석수소가 반응하여 열에 의한 원료의 분해보다 수소와의 선반응을 통하여 미립자형성반응을 촉진하도록 하였다.
SiCl4+ 2H2+ O2→ SiO2+ 4HCl+α
GeCl4+ 2H2+ O2→ GeO2+ 4HCl+α‘’
4BCl3+ 6H2+ 3O2→ 2B2O3+ 12HCl+α‘’
제2도의 (c)는 수소의 희석비를 증가시키고 상대적으로 산소의 희석비를 낮추어 헬륨 Shielding 없이 원료와 반응시키는 가스라인의 형태로 화염의 온도제어성이 상기 (a), (b)보다 우수하고 설비비용을 절감할 수 있는 경제적인 형태이다.
본 발명에서는 저온화염가수분해장치의 토치를 제2도에 도시한 다양한 종류의 화염구성에 따른 가스조절이 모두 가능하도록 설계 및 구성하였다.
본 발명에서 토치(5)내의 가스구성은 산소와 수소에 헬륨을 혼합한 가스와 헬륨 Shielding, 원료로 구성된다.
제3도는 FHD 반응실의 구성개략도를 보인 것으로 토치(5)와 기판 장착 스테이지(6)가 구성되었고, 기판과 화염의 온도측정을 위한 Pyrometer포트(7)와 반응부산물의 배기 포트(8)가 구성되어 있다.
토치(5)는 화염의 형성점과 종방향의 균일한 성막을 위하여 앵글회전과 상하좌우 이동이 가능하며 Step Moter로 구동된다.
기판장착대(6)는 토치와 연동하여 구동되며 X-Y방향과 회전등의 이동기구가 구성되고, 200∼600℃정도의 온도조절용 히터가 구성되었다.
제3도는 본 발명에서 가장 기본적인 구조인 5라인 토치의 구성도이다.
저온 FHD 토치의 구성은 각각의 석영관(11)의 고정홀더를 테프론 홀더(9)를 사용하여 구성하였고, 테프론은 열변형이 적은 재질로 가공하였다.
테프론 블럭들은 다른 블럭과의 결합을 위하여 나사산(10)이 구성되어 있으며 상하부가 회전으로 간단히 결합된다.
석영관(11)은 각라인에 공히 1mm 두께를 가지며 그 두께만큼의 턱(12)을 구성하여 고정시킬 수 있으며 가공공차를 0.2mm 허용하여 약 0.1mm 정도의 테프론 테이프로 실링된다.
이때 연결의 테프론 테이프를 사용하며 연질테이프는 동축을 교정할 때 석영관의 Clearance를 주게 된다.
상부 테프론 블럭(13)은 주로 원료의 인입부(14)로 사용되며 원료의 Conductance를 높히기 위하여 가스인입관보다 내경을 크게 구성하였으며, 다른 블럭과는 달리 상부에 튜브를 Fitting하도록 구성하였다.
중간부(15)와 하부(16)의 테프론 블럭은 측면을 평탄하게 가공하여 가스인입관(17)이 구성되며 가스의 원활한 흐름을 유도하기 위하여 석영관부(10)를 비교적 길게 구성하였다.
각각의 테프론 블럭은 석영관 고정턱(12)부분이 끝나는 지점에서 0.5mm의 Clearance를 갖는 동축조정부(18)가 가공되며, 축 어긋남을 교정할 수 있는 경질테프론 나사(19)가 120°각도로 3부분에 구성된다.
각각의 축교정 나사(19)는 석영관(11)의 초기동축형성에 사용되며 공정중의 동축변형을 실시간으로 보정하게 된다.
석영관(10)의 구성은 제4도의 5라인의 경우 원료(20), 헬륨1(21), 수소(22)라인은 토치끝부분에서 약 10∼20mm 돌출시켜 수소와의 부분적인 화학반응을 유도하게 된다.
헬륨2(23)과 산소(24) 라인은 돌출된 3개의 라인을 바깥쪽에서 감싼 형태로 수소와 반응하여 화염을 형성한다.
제5도는 본 발명의 다른 실시예로서 4라인토치의 구성도를 보인 것으로 5라인과 매우 유사하며 원료(20)와 수소(22)라인이 돌출되어 보다 많은 화학반응을 유도하며 헬륨1(21) 라인은 생략하여 원료 라인(20)의 Conductance를 높히는 효과를 유도한 구성이다.
제6도는 본 발명의 또 다른 실시예로서 3라인토치의 구성도를 보인 것으로 헬륨 Shielding(21,23) 라인을 모두 생략하여 원료(20)의 흐름을 원활하게 유도할 수 있으며 가스소모량이 적고 설비가 간단한 경제적인 구성을 하였다.
이 경우 화염의 형성점을 잡기 위한 삼수소의 헬륨희석비를 최적화시켜야 한다.
최외각 석영관(25)은 산소(24)라인으로 외부공기와의 접촉으로 화염의 형태가 바뀌거나 오염원으로 작용할 수 있으며, 이것을 방지하기 위하여 석영관끝부분에서 약 60∼100mm 정도를 석영관 커버(26)로 Shielding한다.
이때 석영관 Shielding의 고정은 별도의 테프론 고정블럭을 최외각 석영관(25)에 부착하여 구성하였다.
또한 공정후에 토치내부의 압력이 낮기 때문에 발생하는 역류를 막기 위하여 연질 테프론으로 가공된 Cap(27)으로 석영관 끝부분을 막는다.
여러가지 조절 변수들과 상기 설명과 같이 구성된 토치에 의해 저온연소가스와 원료가스가 반응하여 각종의 기판, 특히 실리콘 기판위에 공정하여 고순도, 고균질의 실리카 미립자를 형성한다.
형성된 미립자는 유리화(고밀화)시키기 위하여 고온의 전기로의 1000∼1100℃ 온도에서 녹임공정으로 유리막이 얻어진다.
이와 같은 본 발명은 기존의 FHD방법이 고온화염으로 인하여 실리콘 기판과 유리(실리카)층과의 열팽창계수 차이로 발생하는 기판의 휨(Bowing)현상과 이로 인한 실리카막의 특성저하를 저온화염을 구성하여 특성을 향상시키고자 하였다.
화염가수분해반응시 화염과 기판의 집적 접촉으로 약 1250∼1300℃의 고열에 노출이 되며 부분적인 노출로 인한 불균형도 문제가 되고 있다.
특히 저온화염은 토치내의 반응중 유리미립자의 녹음으로 발생되는 불순물 및 구조의 불균일을 방지하고 토치의 석영관내부에 미립자의 형성을 억제하여 균질한 유리막을 실리콘 기판위에 형성시킬 수 있다. 기존의 미립자의 녹임공정온도는 화염의 온도와 유사한 1250∼1380℃ 정도로 발생되는 2차적인 복굴절, 균열등의 문제를 가지며 조성과 고밀화로의 개선으로 양질의 실리카막을 형성한다.
본 발명의 저온화염 토치는 제어특성의 재현성과 구조적 결함의 실시간 보수등이 우수하여 화염형성의 용이함과 더불어 공정의 신뢰성을 높히는 효과를 기대할 수 있다.
화염가수분해법의 가장 큰 문제는 기판의 크기제한이며 일반적으로 3∼4인치 기판을 공정할 수 있으나 본 발명에서는 5∼8인치정도의 기판에 공정할 수 있고 도파손실이 매우낮은 우수한 도파로를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 도파로형 광부품을 제조하기 위한 FHD반응시스템에서 화염을 일으키며 화염의 형성점과 종방향의 균일한 성막을 위하여 앵글회전과 상하좌우 이동이 가능하도록 Step Moter에 의해 구동되며 석영관을 정밀 가공된 테프론 홀더블럭에 구성하여 오염여부나 동축형성의 불일치를 실시간에 보수 및 보정하도록 하고, 반응가스의 정밀한 제어와 더불어 중요한 역할을 하며, 원료의 반응온도를 낮추는 기능을 갖도록 한 No Shield구조로 구성된 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  2. 제1항에 있어서, 토치(5)는 석영관의 동심원을 구성하기 위하여 테프론 블럭을 정밀 가공하여 석영관을 고정시켜 구성함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  3. 제1항에 있어서, 토치(5)는 테프론블럭중 3, 4, 5, 7라인등 다양한 형태의 토치 석영관을 용이하게 탈착이 가능하게 별도의 기구를 사용하지 않고 테프론블럭 상, 하단에 직접 나사산을 형성시켜 결합 구성됨을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 토치(5)는 테프론블럭중 상부 블럭에 원료인입의 Conductance를 향상시키기 위하여 인입배관 결합부와 테프론 블럭 내부 구조를 단일화 시키도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 토치(5)는 테프론블럭중 석영관의 고정을 돕는 턱을 석영관의 두께인 1mm로 가공하여 석영관을 고정시키도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 토치(5)는 테프론블럭중 석영관의 고정턱이 끝난 지점에 120° 각도로 경질테프론 나사를 구성하여 석영관의 축어긋남을 결합후에도 조절할 수 있도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 토치(5)는 테프론블럭중 석영관의 고정가이드의 가공공차를 0.5mm 허용하여 연질테프론으로 실링하고 축조정나사부분에 1mm정도의 조절폭을 두어 석영관의 동심원구성을 얻도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  8. 제1항에 있어서, 토치(5)의 석영관 구성에서 원료, 헬륨, 수소라인의 석영관을 토치끝부분에서 약 10∼20mm 돌출시켜 수소와의 부분적인 화학반응을 유도하여 원료의 반응성을 높도록 구성함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  9. 제1항에 있어서, 토치(5)의 석영관 구성에서 헬륨, 산소라인의 화염형성 변형과 오염을 막기 위하여 Dummy 석영관을 60∼100mm 구성하여 화염을 Shielding 시키도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
  10. 제1항에 있어서, 토치(5)는 공정후에 토치내부의 압력이 낮기 때문에 발생하는 역류를 막기 위하여 연질 테프론으로 가공된 Cap으로 석영관내부와 외부와를 차단시키도록 함을 특징으로 하는 저온 화염가수분해증착장치의 반응토치.
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