KR0178474B1 - 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 단순한 공정에 의해 상온에서도 높은 식각율과 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있으며, 안정한 굴절율 및 전기광학효과를 지닌 광도파로를 얻을 수 있는 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법은 리튬니오베이트 기판상에 금속 마스크를 형성하고 선택적 양자교환에 의해 기판상에 양자교환층을 형성하는 단계; 전기 양자교환층이 형성된 기판을 식각용액으로 습식식각하여 양자교환층을 식각하는 단계; 전기 식각된 기판상에 포토레지스트를 입히고 기판의 저면으로부터 광을 조사하여 선택적으로 포토레지스트를 감광하고 감광된 포토레지스트를 현상하여 양자교환 마스크를 증착하는 단계; 및, 전기 금속 마스크 및 금속 마스크상의 양자교환 마스크를 제거하여 기판을 양자교환하고 열처리하는 단계를 포함한다. 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로 제조방법은 단순한 공정에 의해 상온에서도 높은 식각율과 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있어 단시간에 경제적으로 광도파로를 제조할 수 있다.

Description

융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법

제1도는 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조과정 중 식각을 위한 선택적 양자교환 과정을 나타낸 것이다.

제2도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 양자교환된 부분을 식각한 상태를 나타낸 것이다.

제3도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 금속 마스크를 이용한 광조사 단계를 나타낸 것이다.

제4도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 감광된 포토레지스트를 현상한 후 광도파로 형성을 위한 양자교한 마스크 물질을 증착한 상태를 나타낸 것이다.

제5도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 마스크 및 마스크상의 양자교환 마스크를 제거하고 양자교환한 상태를 나타낸 것이다.

제6도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 양자교환 도파로의 특성을 개선을 위한 열처리 과정을 나타낸 것이다.

제7도는 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로에 자기정렬 전극이 형성된 상태를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 리튬니오베이트 기판 2 : 마스크

3 : 양자교환층 4 : 포토레지스터

5 : 양자교환 마스크 6 : 자기정렬 전극층

본 발명은 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 단순한 공정에 의해 상온에서도 높은 식각율과 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있으며, 안정한 굴절율 및 전기광학효과를 지닌 광도파로를 얻을 수 있는 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 집적회로는 복수의 소자가 구성된 박막층에서 전자를 조작하여 기대한 효과를 내는 반면에, 집적광학회로는 이와 유사하게 박막층에 미세한 광소자들을 형성하여 광자를 조작하는데, 집적광학회로의 기본구조는 광소자간에 광자를 전송하는 박막 광도파로서, 이러한 박막 광도파로 중에서 강유전체의 특성을 지니는 리튬니오베이트(LiNbO₃) 단결정 기판을 사용한 광도파로는, 전기광학효과에 의해 광변조기 및 광스위치를 비롯한 다양한 능동형 광소자의 제조시 응용이 가능하여 최근에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

리튬니오베이트 광도파로는 확산형태를 지니며, 확산형태의 광도파로를 제조하는 대표적인 방법으로는 타타늄 내부확산(titanium indiffusion)법 및 양자교환(proton exchange)법이 있다. 이중에서, 리튬니오베이트 단결정기판을 사용하여 광도파로를 제조하는 방법 중 가장 널리 알려진 방법인 타타늄 내부확산법은 약1000℃의 고온에서 공정을 수행하므로, 리튬이온이 외부확산되어 광도파로의 이상굴절율이 증가하고, 큰 전기광학 효과를 얻기 위하여 이상파를 도파시킬 경우 표면도파 현상이 발생한다는 단점을 지니고 있으며, 가시광선영역의 광이 도파할 시에는 광굴절 효과에 의한 광손상을 받는다는 문제점을 지녀 실용화에는 한계를 지니고 있었다.

상술한 티타늄 내부확산법이 지닌 문제점을 보완하여 보다 낮은 온도에서 화학적 반응을 이용하여 광도파로를 제조하는 방법인 양자교환법은 안식향산용액 내에 기판을 넣어 리튬이온과 양자를 상호교환시키는 방법으로, 큰 굴절율 변화를 얻을 수 있고 제조에 소요되는 시간이 티타늄 내부확산방식에 비해 짧다는 장점을 지니고 있으나, 양자교환반응이 급격히 진행되어 제조된 광도파로는 굴절율이 불균일하고 불안정하다는 문제점을 지니고 있으며, 실제 집적광학소자에 사용되는 단일 모드 광도파로를 제조하기가 매우 어렵고, 리튬니오베이트의 요구특성인 전기광학효과도 현저히 저하된다는 문제점을 지니고 있었다.

상기한 양자교환법의 단점을 보완하기 위한 몇가지 방법이 제시되었는데, 그중에서 한가지 방법은 안식향산 용액을 리튬이온으로 완충시킴으로써, 양자교환반응을 완화시키는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 리튬이온을 이용하여 반응을 완화시킴에 따라 광도파로 제조시 반응시간이 길어지고, 용액 내의 리튬이온 농도에 따라 반응이 민감하게 이루어진다는 문제점이 있었다.

또 다른 방법으로는 양자교환과정후 보다 높은 온도에서 리튬니오베이트 결정 내에 교환될 양자를 열처리(annealing)함으로써, 급격한 양자교환 반응에 의해 과도하게 교환된 양자가 열에너지를 얻어 외부로 확산되고 결정구조 내부의 압력을 완화시켜 광특성을 향상시키는 방법이다. 그러나, 전기한 방법은 양자교환과정에서 양자수 만큼 용액내로 이탈된 리튬이온이 다시 복귀하지 못하므로, 이를 해결하기 위하여 광도파로를 형성하는데 필요한 정도까지만 양자교환을 수행한 다음, 표면으로의 양자의 외부확산을 억제시키면서 요구되는 깊이 만큼 양자를 확산시켜야 한다는 기술상의 제약을 지녀 산업상 실제적으로 사용하는 데에는 한계를 지니고 있었다.

상기한 양자교환법에 의한 종래의 광도파로 제조방법이 지닌 문제점을 해결하기 위하여, 리튬니오베이트 기판을 식각하여 융기형 리튬니오베이트 광도파로를 제조하는 방법이 알려져 있다.

이러한 융기형 리튬니오베이트 광도파로를 제조하는 종래의 방법에서는, 리튬니오베이트 기판의 식각을 대부분 RIE(reactive ion etching), RIBE(reactive ion beam etching) 등의 건식식각(dry etching)법에 의해 수행하였는데, 이와 같은 건식식각법으로는 식각율이 분당 수십nm 정도로 높은 식각율을 얻을 수 없을 뿐 아니라, 식각과정 자체가 복잡하여 경제적으로 광도파로를 제조할 수 없다는 문제점을 지니고 있었다.

한편, 진한 불산, 묽은 불산 또는 불산과 질산의 혼합 용액 등의 식각용액을 이용하여 기판의 식각을 행하는 습식식각(wet etching)법에 의한 광도파로 제조방법 또한 상온에서 분당 수nm 정도의 낮은 식각율과 식각의 불균일성으로 인해 경제적으로 융기형 광도파로를 제조할 수 없다는 문제점을 지니고 있었다.

결국, 본 발명은 전기한 종래의 광도파로 제조방법이 지닌 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 융기형 광도파로 제조시 단순한 공정에 의해 상온에서도 높은 식각율을 얻으면서 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있어 단시간에 경제적으로 광도파로를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 시간에 따른 안정한 굴절율 및 전기광학효과를 지닌 양자교환 광도파로를 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명자들은 리튬니오베이트 기판을 선택적으로 양자교환시킨 다음, 양자교환층이 형성된 기판을 식각용액으로 습식식각함으로써, 상온에서도 높은 식각율을 얻으면서 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있어 단시간에 경제적으로 광도파로를 제조할 수 있으며, 전기 기판을 다시 양자교환한 다음 기판을 열처리함으로써, 안정한 굴절율 및 전기광학효과를 지닌 양자교환 광도파로를 제조할 수 있다는 것을 발견하고 예의 연구를 거듭한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기한 목적을 달성하는 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법은, 리튬니오베이트 기판상에 금속 마스크를 형성하고 선택적 양자교환에 의해 기판상에 양자교환층을 형성하는 단계; 전자 양자교환층이 형성된 기판을 식각용액으로 습식식각하여 양자교환층을 식각하는 단계; 전기 식각된 기판상에 포토레지스트를 입히고 기판의 저면으로부터 광을 조사하여 선택적으로 포토레지스트를 감광하고 감광된 포토레지스트를 현상하여 양자교환 마스크를 증착하는 단계; 및, 전기 금속 마스크 및 금속 마스크 상의 양자교환 마스크를 제거하여 기판을 양자교환하고 열처리하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로 제조방법을 첨부도면을 참조하여 단계별로 보다 상세히 설명한다.

[제1단계]

마스크 및 양자교환층 형성단계

제1도는 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조과정 중 식각을 위한 선택적 양자교환 과정을 나타낸 것으로, 선택적 양자교환을 수행하기 위하여 도시한 바와 같이, 리튬니오베이트 기판(1)상에 포토리소그래피(photolithography)법에 의해 융기형 광도파로가 형성될 부분에 금속재의 마스크(2)를 형성한다. 마스크(2)가 형성된 기판을 양자교환시키면, 마스크(2)가 형성된 부분의 기판은 양자교환이 일어나지 못하고, 기판의 나머지 부분은 양자교환이 일어나 선택적으로 양자교환이 이루어지며 기판상에 양자교환층(3)이 형성되게 된다. 이러한 양자교환층의 형성은 다음 단계에의 식각을 위한 전 단계로서, 양자교환층(3)의 깊이에 따라 식각깊이가 달라지므로, 양자교환층의 형성깊이를 조절함으로써, 식각단계에서의 식각형성 깊이를 조절할 수 있게 된다.

[제2단계]

습식식각단계

제2도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 양자교환된 부분을 식각한 상태를 나타낸 것으로, 식각은 상온에서 불산 및 질산(1:2, 몰비)의 혼합용액을 사용하여 수행한다. 따라서, 전기 단계에서 형성되는 마스크(2)로는 식각용액에 견딜 수 있는 재료, 예를 들면, 크롬(Cr) 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, 양자교환을 거치지 않은 리튬니오베이트 기판(1)은 식각용액을 사용하여 습식식각시 상온에서 분당 수nm 정도의 낮은 식각율과 식각의 불균일성을 나타내는 반면, 본 발명에서와 같이, 양자교환한 리튬니오베이트 기판을 사용할 경우에는 종래기술에 비하여 약1,000배 정도의 식각율과 균일한 식각을 얻을 수 있게 된다.

[제3단계]

감광 및 양자교환 마스크 증착단계

제3도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 금속 마스크를 이용한 광조사 단계를 나타낸 것이며, 제4도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 감광된 포토레지스트를 현상한 후 광도파로 형성을 위한 양자교환 마스크 물질을 증착한 상태를 나타낸 것으로, 식각이 끝난 기판은 그 위에 포토레지스트(4)를 입히고 리튬니오베이트기판(1)의 투명한 특성을 이용하여 기판의 저면으로부터 자외선광을 조사한다. 이때, 금속재인 마스크(2)가 자기 정렬 마스크의 역할을 하기 때문에, 도파로가 형성될 부분은 감광이 이루어지지 않고, 그 이외의 부분은 기판의 저면에서 조사된 광에 의해 포토레지스트(4)가 감광되게 된다. 광의 조사에 의하여 포토레지스터(4)를 부분적으로 감광시킨 다음, 기판상에 형성된 감광된 포토레지스트(4)를 현상하고, 양자교환 마스크(5)인 실리카(SiO₂)를 기판에 증착한다.

[제4단계]

마스크 제거 및 열처리단계

제5도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 마스크 및 마스크상의 양자교환 마스크를 제거하고 양자교환한 상태를 나타낸 것이며, 제6도는 본 발명의 광도파로의 제조과정 중 양자교환 도파로의 특성을 개선을 위한 열처리 과정을 나타낸 것으로, 전기 금속 마스크(2)상의 양자교환 마스크(5)를 제거하면 기판(1)상의 도파로가 형성될 부분에는 금속 마스크(2)가. 도파로가 형성될 부분을 제외한 부분을 제외한 나머지 부분에는 양자교환 마스크(5)인 실리카층이 남게 된다. 이때, 기판의 상면에 남은 실리카층(5)은 광도파로 형성을 위한 양자교환을 수행시 광도파로를 제외한 부분에서 양자교환이 일어나는 것을 방지하며, 광도파로 부분에서만 양자교환이 일어나게 한다. 따라서, 실리카층(5)은 부분적 양자교환에 의해 융기형 광도파로의 형성이 가능하도록 양자교환 마스크(5)로서 활용되게 된다. 그후, 외부로 노출된 마스크(2)를 제거하고, 도파로가 형성될 부분의 굴절율을 높이기 위하여 기판의 상면을 양자교환시키고 열처리를 하게 된다. 기판의 열처리는 양자교환 광도파로의 특성을 개선하기 위한 것으로, 종래의 양자교환 광도파로가 지닌 시간에 따른 굴절율의 불안정 및 전기광학 효과의 감소 등의 단점을 열처리에 의해 해소할 수 있게 된다.

한편, X-절단(X-cut) 이나 Y-절단(Y-out) 리튬니오베이트를 기판으로 사용하는 경우에는, 제7도에 도시한 바와 같이, 가장 큰 전기광학계수인 r₃₃를 이용하여 도파광의 위상을 변조할 수 있도록 도파로 부분의 양자교환을 위한 실리카 증착을 행한 후, 마스크(2)로 사용된 금속인 크롬 이외의 다른 금속을 증착하여 자기정렬 전극층(6)을 형성하고 전기한 과정에 따라 크롬 마스크(2)를 제거함으로써, 자기정렬 전극층(6)으로 사용될 금속을 광도파로 주변에 형성할 수 있으므로, 그 결과 증착된 금속층인 자기정렬 전극층(6)을 자기정렬전극으로 활용할 수 있게 된다. 이때, 양자교환 마스크로 사용된 실리카(5)는 전극의 완충층으로서의 역할을 하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[실시예 1]

리튬니오베이트 기판상에 포토리소그래피법에 의해 융기형 광도파로가 형성될 부분에 크롬 마스크를 형성하고, 마스크가 형성된 기판을 양자교환시켜 기판상에 양자교환층을 형성하였다. 상온에서 불산 및 질산(1:2, 몰비)의 혼합용액을 사용하여 양자교환층을 습식식각하였다. 식각이 이루어진 기판상에 포토레지스트를 입히고 기판의 저면으로부터 자와선광을 조사형 포토레지스트를 감광시킨 다음, 기판상에 형성된 감광된 포토레지스트를 현상하고 양자교환 마스크인 실리카를 기판에 증착하였다. 전기 금속마스크 및 금속 마스크 상의 양자교환 마스크를 제거하여 기판의 상면을 양자교환시키고 열처리하여 본 발명의 융기형 리튬니오베이트 광도파로를 제조하였다.

상기한 본 발명의 광도파로 제조방법에 의해 제조된 용기형 광도파로는 도파로의 횡방향으로의 도파로와 클래딩(cladding) 영역의 굴절율 분포를 증대시켜 종래의 확산형 광도파로에 비하여 도파로의 휨손실을 감소시킬 수 있으므로, 곡선형태의 도파로 구조를 지닌 도파소자의 제조시에 소자의 길이를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 융기형 광도파로는 도파모드의 집중도가 종래의 확산형 도파로에 비해 크게 향상된다. 아울러, 자기정렬된 전극이 도파로에 도파되는 깊이방향 모드의 세기가 가장 큰 곳에 위치하도록 식각깊이를 조절할 수 있고 양자교환된 광도파로의 열처리에 의해 도파모드의 조절이 가능하므로, 전계가 가장 큰 부분과 도파모드의 세기가 가장 큰 부분을 일치시킴으로써, 전계와 도파모드의 중첩을 효율적으로 이룰 수 있는 효과가있고, 그 결과 집적광학에서 광변조기 및 광스위치 등의 집적광학소자의 구동전압을 낮출 수 있는 등의 효과를 지니고 있다.

이상에서 상세히 설명하였듯이, 본 발명의 융기형 리늄니오베이트 광도파로 제조방법은 단수한 공정에 의해 상온에서도 높은 식각율과 균일성이 뛰어난 식각결과를 얻을 수 있어 단시간에 경제적으로 광도파로를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 시간에 따른 안정한 굴절율 및 전기광학효과를 지닌 양자교환 광도파로를 제조할 수 있으며, 본 발명의 광도파로 제조방법에 의해 제조된 융기형 광도파로는 곡선형태의 광도파로 구조를 지닌 도파소자의 제조시에 소자의 길이를 줄일 수 있는 효과를 지니고 있고 도파모드의 집중도를 향상시킬 수 있는 등의 효과를 지니고 있다.

Claims (3)

1. (i) 리튬니오베이트 기판상에 크롬으로 금속 마스크를 형성하고 선택적으로 양자교환에 의해 기판상에 양자교환층을 형성하는 단계;(ii) 전기 양자교환층이 형성된 기판을 불산 및 질산으로 구성되는 식각용액으로 습식식각하여 양자교환층을 식각하는 단계;(iii) 전기 식각된 기판상에 포토레지스트를 입히고 기판의 저면으로부터 광을 조사하여 선택적으로 포토레지스트를 감광하고 감광된 포토레지스트를 현상하여 실리카로 양자교환 마스크를 중착하는 단계; 및 (iv) 전기 금속 마스크 및 금속 마스크 상의 양자교환 마스크를 제거하여 기판을 양자교환하고 열처리하는 단계를 포함하는 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 양자교환 마스크를 중착한 다음, 전기 마스크 재질과 다른 재질의 금속층을 기판상에 증착하여 자기정렬 전극층을 형성하는 것을 특징으로 하는 융기형 리튬니오베이트 광도파로의 제조방법.
3. 리튬니오베이트 기판상에 금속 마스크를 형성하고 선택적 양자교환에 의해 기판상에 양자교환층을 형성하고, 전기 양자교환층이 형성된 기판을 식각용액으로 습식식각하여 양자교환층을 식각한 다음, 전기 식각된 기판상에 포토레지스트을 입히고 기판의 저면으로부터 광을 조사하여 선택적으로 포토레지스트를 감광하고 감광된 포토레지스트를 현상하여 양자교환 마스크를 증착한 후 전기 금속 마스크 및 금속 마스크 상의 양자교환 마스크를 제거하여 기판을 양자교환하여 열처리하여 제조된 융기형 리튬니이오베이트 광도파로.