KR0173912B1 - 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납의 표면장력을 이용한 플립칩 본딩(flip-chip bonding)방법을 채용하여 손쉽게 광도파로와 광섬유의 수동적인 정렬로 광접속을 이루되, 저손실 정밀접속이 이루어지도록 하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유와의 광접속장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 상측 양부에 길이방향으로 제1홈(1a)이 다수 형성되는 기판(1); 상기 기판(1)상의 중앙부에 놓여져 장착되며, 그 저부에 다수의 광도파로(3a)가 형성된 광집적회로소자(3); 및 상기 기판(1)상의 양측에 놓여져 장착되되, 상기 기판(1)의 제1홈(1a)에 대향되는 그 저부위치에 제2홈(2a)이 대응되게 형성되는 반도체 칩(2)을 구비하여 납의 표면장력을 이용한 플립칩본딩방법으로 광접속장치를 구성하며, 또한 상기 기판(1)의 양측에 다수의 제1홈(1a)이 형성되도록 식각하는 제1단계; 상기 기판(1)의 입력측 제1홈(1a) 일측 소정부위에 렌즈(8)를 증착하는 제2단계: 상기 기판(1)의 제1홈(1a) 양측에 다수의 납 범프(4)를 증착하는 제3단계; 상기 기판(1)의 제1홈(1a)에 대향되는 위치의 반도체 칩(2) 저부에 제2홈(2a)이 관통되도록 식각하는 제4단계; 상기 광집적회로 소자(3)의 저부에 광도파로(3a)를 형성하는 제5단계; 상기 반도체 칩(2)의 제2홈(2a) 및 광집적회로소자(3)의 광도파로(3a) 양측으로 상기 기판(1)의 납 범프(4)에 대향되도록 금속패드(5)를 증착하는 제6단계; 및 상기 단계 수행후 기판(1)상에 형성된 납 범프(4)와 반도체 칩(2) 및 광집적회로소자(3)의 금속패드(5)가 맞대어지도록 하되, 열에 의해 공융시켜 고착하는 제7단계를 구비하여 광접속장치를 구성하기 위한 제조방법을 제공한 것을 특징으로 한다.

Description

광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치 및 그의 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유와의 광접속장치 및 그의 제조방법의 일실시예 구성을 나타낸 사시도.

제2도는 제1도에 평면도.

제3도는 제1도의 종단면도.

제4도는 제1도의 a-a선에 따른 단면도.

제5도는 제1도의 b-b선에 따른 단면도.

제6도는 제1도의 c-c선에 따른 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실리콘 기판 1a : 제1홈

2 : 반도체 칩 2a : 제2홈

3 : 광집적회로소자 3a : 광도파로

4 : 납 범프 5 : 금속패드

6 : 입력단 단일모드 광섬유 7 : 출력단 단일모드 광섬유

8 : 렌즈 9 : 방지막

본 발명은 광시스템의 평면 광도파로와 단일모드 광섬유와의 정밀 접속을 위한 광접속장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 플립칩 본딩(flip-chip bonding)에 의한 접속방법을 이용하여 손쉽게 광도파로와 광섬유의 수동적인 정렬로 양방향 통신이 가능하도록 광접속을 이루되, 저손실 정밀접속이 이루어지도록 하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유와의 광접속장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광집적회로 시스템의 광소자와 외부시스템이 연결될 때, 필수적으로 광도파로와 단일모드 광섬유의 접속을 수행하는데, 이에 따른 종래의 접속방법으로는 컴퓨터 제어 아래 광도파로와 단일모드 광섬유를 조립하고, 에폭시 계열의 접착제를 이용하여 접속하는 방법을 주로 사용하고 있었다.

그러나, 상기한 방법은 광도파로의 중심과 단일모드 광섬유의 중심을 정렬시켜 접속하기 위해 많은 시간이 소요되고, 고가의 장비가 수반되어야 할 뿐만아니라 온도에 따른 열적 특성이 성능을 저하시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 납의 표면장력을 이용한 플립칩 본딩방법을 채용한 수동 정렬을 구현하여, 광섬유와 광도파로 사이의 양방향 통신을 위한 광접속시 낮은 손실을 가지면서 광접속이 정밀하게 이루어지도록 한 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유와의 광접속장치 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광시스템에서 각 입출력 단일모드 광섬유 간의 광신호를 전송하기 위한 광도파로와 단일모드 광섬유의 광접속장치에 있어서, 상기 각각의 입출력단 단일모드 광섬유가 실장되어 정렬되도록 그 상부양측에 V자 형상을 가진 다수의 제1홈이 길이방향으로 식각되어 형성된 기판; 상기 기판 상의 중앙부에 장착되며, 상기 기판의 제1홈에 실장된 입출력단 광섬유의 단면 중심과 정렬되는 중심부를 가진 다수의 광도파로가 저부에 길이방향으로 형성된 광집적회로소자; 상기 기판의 양측에 장착되며, 상기 기판의 제1홈에 실장되는 입출력 단일모드 괌섬유를 고정하기 위하여 상기 제1홈에 대향되되 상기 제1홈과 동일한 형상 및 크기를 가지는 다수의 제2홈이 저부에 식각되어 길이방향으로 형성된 반도체 칩; 및 상기 입력단 광섬유에 입사된 광신호가 광도파로에 용이하게 입력되도록 상기 광신호를 집약시키기 위하여 상기 기판의 입력단측 제1홈과 광집적회로소자 사이의 산화막을 부분적으로 성장시켜 증착시킨 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 기판의 상부양측에 입출력 단일모드 광섬유가 각각 실장되는 다수의 제1홈을 비등방성으로 식각하여 형성하는 제1단계; 상기 기판 상에 형성된 입력측 제1홈의 일측부에 산화막을 부분적으로 성장시켜 렌즈를 증착하는 제2단계; 상기 기판 상에 형성된 제1홈 양측부에 소정거리만큼 이격된 상태로 각각 일렬 배열되도록 다수의 납 범프를 증착하는 제3단계; 상기 기판 상에 형성된 제1홈에 각각 실장된 입출력 단일모드 광섬유를 고정하기 위해 상기 기판의 제1홈에 대향되도록 반도체 칩의 저부에 제2홈을 길이방향으로 비등방성 식각하여 형성하는 제4단계; 상기 기판의 제1홈에 실장된 입력단 광섬유로부터 입력되는 외부의 광신호를 전송할 수 있도록 광집적 회로소자의 저부에 광도파로를 형성하는 제5단계; 상기 기판의 납 범프에 대향되도록 상기 반도체 칩의 제2홈 및 광집적회로소자의 광도파로 양측에 금속패드를 증착하는 제6단계; 및 상기 기판 상에 형성된 납 펌프와 반도체 칩 및 광집적회로소자와 금속패드가 접촉되되, 상기 납 범프를 열에 의해 공융시켜 금속패드에 고착하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유를 접속하기 위한 장치의 제조방법을 더 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유와의 광접속장치 및 그의 제조방법의 일실시예 구성을 나타낸 사시도이고, 제2도는 제1도의 평면도이며, 제3도는 제1도의 종단면도이고, 제4도는 제1도의 a-a선에 따른 단면도이고, 제5도는 제1도의 b-b선에 따른 단면도이며, 제6도는 제1도의 c-c선에 따른 단면도이다.

도면에서 1은 실리콘 기판, 1a는 제1홈, 2는 반도체 칩 , 2a는 제2홈, 3은 광집적회로소자, 3a는 광도파로, 4는 납 범프, 5는 금속패드, 6은 입력단 단일모드 광섬유, 7은 출력단 단일모드 광섬유, 8은 렌즈, 9는 방지막을 각각 나타낸 것이다.

본 발명에 의한 광도파로와 입출력단 단일모드 괌섬유와의 광접속장치 및 그의 제조방법은 간단한 구조로 수공적인 정렬이 이루어지되, 접속손실을 최소화하면서 정밀접속이 이루어지도록 구현한 것으로, 제1도 및 제2도에 도시한 바와 같이, 소정공정이 이루어지지 않은 순수웨이퍼인 기판(1)을 구비한다. 상기 기판(1)의 상면양측에는 V자형상을 가진 다수의 제1홈(1a)이 길이방향으로 비등방성 식각되며, 상기 양측의 제1홈(1a)에는 외부 광신호의 전송매체인 입출력단 단일모드 광섬유(6, 7)가 각각 실장된다.

여기서, 상기 기판(1)은 미세한 V자 형상의 홈을 형성하기 용이하도록 실리콘 웨이퍼 또는 갈륨비소(GaAs) 웨이퍼 또는 글라스(glass) 계통의 재질을 사용하며, 본 실시예에서는 실리콘 기판을 채용한 구조를 보여주고 있다.

상기 실리콘 기판(1)의 양측상부에는 그 저부에 길이방향으로 다수의 제2홈(2a)이 식각되어 형성된 소정크기의 반도체 칩(2)이 장착된다. 여기서 , 상기 반도체칩(2)의 제2홈(2a)은 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)과 동일한 V자 형상 및 크기를 가지되, 상기 제1홈(1a)에 대향되도록 장착되어 상기 제1홈(1a)에 실장된 각각의 입출력단 광섬유(6, 7)를 고정시킨다.

그리고, 상기 실리콘 기판(1)의 중앙부에는 광집적회로소자(3)가 장착되며 , 상기 광집적회로소자(3)의 저부에는 다수의 광도파로(3a)가 형성되어 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)에 실장된 입출력단 단일모드 광섬유(6, 7)가 전송매체 기능을 수행하도록 한다. 상기 광도파로(3a)는 그의 중심이 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)과 반도체 칩(2)의 제2홈(2a) 사이에 실장된 입출력단 단일모드 광섬유(6, 7)의 단면의 중심과 일치되도록 형성되어 입력단 단일모드 광섬유(6)로부터 입사되는 빛을 집적하여 출력단 단일 모드 광섬유(7)로 전송할 수 있도록 한다.

또한, 상기 실리콘 기판(1)의 입력단측 제1홈(1a)과 광집적회로소자(3) 사이에는 산화막의 부분적인 성장으로 형성된 렌즈(8)가 구비되며, 상기 렌즈(8)는 외부로부터 입사되는 입력단 단일모드 광섬유(6)의 광신호를 집약시켜 광도파로(3a)에 용이하게 입사되도록 한다. 그리고, 상기 출력단측 단일모드 광섬유(7)는 광도파로(3a)의 단면과 직접 접속하여 상기 광도파로(3a)에 집약된 광신호가 용이하게 출력되도록 한다.

여기서, 상기 입출력단 단일모드 광섬유(6, 7)의 직경은, 통상적으로, 광도파로(3a)의 직경보다 크게 형성되어 있다. 이에 따라, 입력단측 광섬유(6)의 광신호는 렌즈(8)를 통한 접속에 의해 큰 직경의 광섬유 단면에서 작은 직경의 광도파로(3a)로 입사되는 것이고, 광도파로(3a)의 광신호 출력은 직접 접속에 의해 작은 직경의 광도파로(3a)에서 넓은 직경의 출력단 광섬유(7)로 출력되는 것이다.

한편, 상기 실리콘 기판(1) 상에 장착되는 반도체 칩(2)과 광집적회로소자(3)는 납의 표면장력을 이용한 플립칩 본딩(flip-chip bonding)방법에 의해 장착되는데, 본 실시예에서는 제3도에 도시된 바와 같이 , 상기 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a) 양측으로는 주석과 납 또는 금과 주석으로 이루어진 다수의 납 범프(4)가 소정간격씩 이격되어 일렬로 배열된다. 상기 납 범프(4)에 대향된 위치의 반도체 칩(2)과 광집적회로소자(3)의 저부에는 다수의 금속패드(5)가 각각 구비되며, 상기 납 범프(4)와 금속패드(5)는 서로 대향된 상태에서 열에 의한 두 금속의 공융점을 이용하여 고착된다.

본 실시예에서는 상기 실리콘 기판(1) 상에 납 범프(4)를 증착할 경우, 실리콘과 납이 확산에 의해 섞이는 것을 방지하기 위하여 실리콘 기판(1) 상에 크롬이나 타이탄과 같은 방지막(9)을 형성한 후 납 범프(4)를 증착한다.

상기 납 범프(4)와 금속패드(5) 두 금속이 공융되는 과정에서, 상기 납 범프(4)의 표면장력에 의해 금속패드(5)에 부착되는 납이 동그랗게 되어 최소면적으로 제 위치를 찾아가는 자기정렬을 이루므로써 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)과 반도체 칩(2)의 제2홈(2a)에 직접 접속하여 정렬되며, 또한 상기 광집적회로소자(3)의 광도파로(3a) 중싱과 입출력 단일모드 광섬유(6, 7)의 코어중심이 일치되어 최소한의 정렬오차로 고정 된다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명은, 상기 실리콘 기판의 제1홈(1a)에 정렬되도록 입출력 단일모드 광섬유(6, 7)를 실장한 상태에서 반도체 칩(2)의 제2홈(2a)이 실리콘 기판의 제1홈(1a)에 서로 대응되도록 반도체 칩(2)을 장착한다. 또한, 상기 광집적회로소자(3)는 납의 표면장력을 이용한 플립칩 본딩방법에 의해 실리콘 기판(1)상에 장착되므로, 상기 제1홈(1a)과 제2홈(2a) 사이에 실장된 입출력단 광섬유(6, 7)와 광도파로(3a)가 최소한의 접속손실로 정렬접속을 이루게되고, 이에 따라 광통신시스템에서 요구되는 광신호의 처리를 위한 소자를 구성하는 것이다.

상기와 같이 구성된 광도파로와 단일모드 광섬유의 광접속장치를 구성하기 위한 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

순수웨이퍼인 실리콘 기판(1)의 양측에 길이방향으로 V자 형상의 제1홈(1a)이 다수 형성되도록 비등방성 식각공정을 수행한다.

그리고, 상기 입력단 광섬유(6)의 소정부위에는 부분적으로 산화막을 성장시켜 렌즈(8)를 증착하고, 상기 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)양측 소정위치에 주석과 납 또는 금과 주석으로 이루어진 납 범프(4)를 소정거리씩 이격되게 잉렬로 배열시키면서 증착한다.

상기 공정이 완료되면, 소정크기를 가지는 반도체 칩(2)의 저부에 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)과 동일한 형상 및 크기를 가지는 제2홈(2a)이 형성되도록 비등방성 식각한 다음, 상기 반도체 칩(2)의 제2홈(2a)이 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)과 대응되도록 위치시킨다. 여기서, 상기 반도체 칩(2)의 제2홈(2a) 양측에는 실리콘 기판(1)에 증착된 각각의 납 범프(4)에 대향하도록 다수의 금속패드(5)가 증착된다.

한편, 입출력단 단일모드 광섬유(6, 7)의 전송매체인 광집적회로소자(3)의 저부에는 광섬유의 단면과 일치되도록 광도파로(3a)가 형성되며, 상기 광도파로(3a)의 양측에는 상기 반도체 침(2)과 마찬가지로 실리콘 기판(1)에 증착된 각각의 납 범프(4)에 대향되도록 다수의 금속패드(5)가 증착된다.

상기와 같이 제조된 각각의 소자에서 상기 실리콘 기판(1)의 입력측 제1홈(1a)에 각각의 입출력 단일모드 광섬유(6, 7)가 정렬되도록 실장한 후, 상기 실리콘 기판(1)의 제1홈(1a)에 반도체 칩(2)의 제2홈(2a)이 대응되도록 장착한다.

또한, 상기 광집적회로소자(3)의 광도파로(3a) 중심과 입출력단 광섬유(6, 7)의 중심이 일치되도록 광집적회로소자(3)를 실리콘 기판(1) 상에 장착한 후, 상기 소자(3)에 열을 가해 금속패드(5)와 납 범프(4)를 공융시켜 고착되도록 한다.

이때, 상기 납 범프(4)는 그의 표면장력에 의해 자기정렬을 이루므로써 , 광도파로(3a)의 중심과 입출력단 광섬유(6, 7)의 코어중심이 일치되는 것이다.

한편, 본 실시예에서의 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치는 파장분할 다중화기(WDM : Wavelength Division Multiplexer) 등의 광통신 시스템 구축을 위한 광통신 부품생산에 적용되기 용이하며, 해저 케이블 연결기 분야 및 PCS(personal communication system)과 같은 광통신 연결기 분야에 채용하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 납의 표면장력을 이용한 플립칩 본딩방법으로 입출력단 광섬유의 중심과 광도파로의 중심을 일치시키면서 자동적으로 접속,연결하여 정렬 자유도를 가지면서 접속손실을 최소화하며, 수동으로 간단하고 손쉽게 정밀접속 작업을 수행하므로서 광시스템의 대량생산화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 광시스템에서 각 입출력 단일모드 광섬유 간의 광신호를 전송하기 위한 광도파로와 단일로드 광섬유의 광접속장치에 있어서, 상기 각각의 입출력단 단일모드 광섬유가 실장되어 정렬되도록 그 상부양측에 V자 형상을 가진 다수의 제1홈이 길이방향으로 식각되어 형성된 기판; 상기 기판 상의 중앙부에 장착되며, 상기 기판의 제1홈에 실장된 입출력단 광섬유의 단면 중심과 정렬되는 중심부를 가진 다수의 광도파로가 저부에 길이방향으로 형성된 광집적회로소자; 상기 기판의 양측에 장착되며, 상기 기판의 제1홈에 실장되는 입출력 단일모드 광섬유를 고정시키기 위하여 상기 제1홈에 대향되되 상기 제1홈과 동일한 형상 및 크기를 가지는 다수의 제2홈이 저부에 식각되어 길이방향으로 형성된 반도체 칩; 및 상기 입력단 광섬유에 입사된 광신호가 광도파로에 용이하게 입력되도록 상기 광신호를 집약시키기 위하여 상기 기판의 입력단측 제1흠과 광집적회로소자 사이의 산화막을 부분적으로 성장시켜 증착된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 제1홈과 반도체 칩의 제2홈 사이에 실장된 출력단 광섬유가 상기 광집적회로순자의 광도파로 단면과 접촉하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 장착되는 반도체 칩 및 광집적화로소자가, 상기 기판의 제1홈과 반도체 칩의 제2홈이 맞대응되도록 정렬되며 , 광집적회로소자의 광도파로 중심과 출력단 광섬유의 코어단면 중심이 일치되는 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기판의 제1홈 양측에 소정거리마다 일렬로 배열되도록 구비되는 다수의납 범프와, 상기 납 범프에 대향되도록 상기 반도체 칩 및 광집적회로소자의 저부 양측에 구비되되, 상기 납 범프에 접촉하여 열에 의한 공융으로 고착되는 다수의 금속패드를 포함하며, 상기 납범프의 표면장력에 의해 자기정렬을 지니면서 접속되도록 하는 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유의 광접속장치.
5. 기판의 상부양측에 입출력 단일모드 광섬유가 각각 실장되는 다수의 제1홈을 비등방성으로 식각하여 형성하는 제1단계; 상기 기판 상에 형성된 입력측 제1홈의 일측부에 산화막을 부분적으로 성장시켜 렌즈를 증착하는 제2단계; 상기 기판 상에 형성된 제1홈 양측부에 소정거리만큼 이격된 상태로 각각 일렬 배열되도록 다수의 납 범프를 증착하는 제3단계; 상기 기판 상에 형성된 제1홈에 각각 실장된 입출력 단일모드 광섬유를 고정하기 위해 상기 기판의 제1홈에 대향되도록 반도체 칩의 저부에 제2홈을 길이방향으로 비등방성 식각하여 형성하는 제4단계; 상기 기판의 제1홈에 실장된 입력단 광섬유로부터 입력되는 외부의 광신호를 전송할 수 있도록 광집적회로소자의 저부에 광도파로를 형성하는 제5단계; 상기 기판의 납 범프에 대향되도록 상기 반도체 칩의 제2홈 및 광집적회로소자의 광도파로 양측에 금속패드를 증착하는 제6단계; 및 상기 기판 상에 형성된 납 범프와 반도체 칩 및 광집적회로소자의 금속패드가 접촉되되, 상기 납 범프를 열에 의해 공융시켜 금속패드에 고착하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유를 접속하기 위한 장치의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제3단계의 기판 상에 납 범프를 증착하는 공정을 수행하기 전에 기판과 납 범프가 확산에 의해 혼합되는 것을 방지하기 위해 상기 기판 상에 방지막을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유를 접속하기 위한 장치의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 방지막이 크롬 또는 타이탄재질로 형성된 것을 특징으로하는 광도파로와 입출력단 단일모드 광섬유를 접속하기 위한 장치의 제조방법.