KR100221550B1 - 산화물 입자를 이용한 후막 형성방법 - Google Patents

산화물 입자를 이용한 후막 형성방법 Download PDF

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Abstract

광 도파로 및 평면형 수동 광소자 제작을 위하여 필요한 실리카 후막을 산화물 입자를 이용하여 형성하는 방법이 개시된다. 본 발명은 SiO2가 주성분이고 도파로의 굴절률 변화와 조밀화 공정의 온도 저하를 위한 산화물을 정량화하여 섞은 후에, 유기물 결합제, 분산제 또는 소포제와 같은 첨가제를 균일한 조성이 되도록 진공하에서 충분히 교반시킨 후, 닥터 블레이드 테이프 캐스팅법을 이용하여 원하는 두께의 실리카막을 Si 기판상에 도포한다. 소정 온도와 분위기에서 조밀화 공정을 수행하여 치밀한 실리카 후막을 형성한다. 본 발명에 따르면, 복잡하며 고가인 별도의 장비 없이 산화물 입자를 이용하여 경제적이며 대량 생산에 적합한 광 도파로용 실리카 후막을 제작할 수 있다.

Description

산화물 입자를 이용한 후막 형성방법
제1도는 종래의 화염가수분해법에 의한 후막 형성방법을 설명하기 위한 도면.
제2도는 종래의 화염가수분해 방식에 의해 제작된 실리카 후막의 단면도이다.
제3∼5도는 본 발명에 따른 후막 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서,
제3도는 후막 형성용 혼합물을 제조하는 과정을,
제4도는 닥터 블레이드(Doctor Blade)를 이용한 후막 도포과정을,
제5도는 조밀화 과정을 통해 형성된 후막을 각각 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 밀폐용기 20 : 혼합물
30 : 닥터 블레이드 40 : 기판
50 : 실리카 후막
[발명의 기술분야]
본 발명은 광도파로 및 평면형 수동 광소자 제작을 위하여 필요한 후 막형성 방법에 관한 것으로서, 특히 산화물 입자를 이용하여 조밀한 실리카 후막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
[종래 기술의 문제점]
광 통신 시스템을 위해서는 광 커플러, 광 스위치, WDM/FDM 등의 각종 광 부품들이 사용되며, 이러한 광 부품들을 제작하기 위해서는 양질의 광 도파로막의 형성이 필수적이다.
광 통신에 사용되는 광 도파로 및 평면형 광 도파로 소자는 반도체 레이저로부터 나오는 빛을 광 섬유에 효율적으로 결합시겨 광 손실을 최소화하거나 각기 다른 파장을 갖는 광 신호를 다중화하여 하나의 광 섬유로 전송하는데 사용되며, 광 섬유를 통하여 전달되어온 (여러 채널의) 광신호를 각기 다른 파장으로 분리하거나, 수동 광 소자와의 효율적인 결합에 사용되는 광 통신시스템에 있어 중요한 역할을 하는 소자이다.
특히, 파장 다중화에 의한 10Gbps 이상의 초고속 광통신 시스템의 개발시 시스템의 성능에 절대적인 영향을 미치는 시스템 구성을 위한 필수적인 핵심 부품이다.
이러한 중요한 기능을 하는 광 도파로나 도파로형 광 소자의 제작을 위해서는 광 섬유와 비슷한 굴절률 분포와 구조를 갖는 도파막의 형성이 필수적이며, 이를 위해서는 SiO2로 구성되는 클래드(Clad) 층과 GeO2, P2O5, B2O3, TiO2가 도핑된 코아(Core) 층으로 구성되는 실리카 후막의 형성이 필수적이다.
종래의 광 도파로 제작을 위해 사용되는 후막 형성법으로는, 화염 가수분해 증착법(Flame Hydrolysis Deposition; FHD)이나 PECVD(Plasma Enhenced Chemical Vapor Deposition)법이 주로 사용되고 있다.
종래의 화염 가수분해 증착법을 이용한 후막 형성방법을 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
FHD법은 제1도에 도시한 바와 같이, 토치(Touch)(100)로 들어가는 H2와 O2의 반응에 의해서 형성되는 화염의 열을 이용하여, 토치(100)로 주입되는 SiCl4, GeCl4등의 반응물을 화염가수분해 시킨 후, 이들 반응물을 산화시키는 방식에 의하여 웨이퍼(200) 상에 SiO2와 다른 산화물 도핑물질을 형성한다.
제2도는 전술한 화염 가수분해 방식에 의해 형성된 실리카 후막을 도시한 단면도로서, 형성된 산화물 입자들은 열영동(Thermophoresis)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 Si 기판(200)에 부착되는데 이러한 방식에 의해 수십 마이크론 두께의 실리카 후막(205)이 1시간 정도의 기간에 형성된다. 제2도에 도시한 바와 같이, 화염 가수분해법에 의해 형성된 실리카 후막(205)은 산화물 입자가 쌓여 있는 다공성막의 상태이므로, 도파로에서 요구되는 광학적 특성을 만족하는 고품질의 후막으로 형성시키기 위해서는 He이나 다른 가스 분위기하에서 약 1200 ∼ 1300℃의 온도로 가열하여 성형하는 조밀화 공정(Consolidation)을 거치게 된다. 이와 같은 과정을 거쳐서 광도파로나 도파로형 광소자에서 요구하는 특성을 만족하는 양질의 광도파로용 실리카 후막의 형성을 이루게 된다.
그러나, 상술한 FHD에 의한 후막 형성 공정은 실리카 입자의 증착 속도는 빠르지만 화염을 이용하여 한번에 하나의 기판만을 제작함으써 수율(Yield)이 낮아 대량생산에 불리하며, 장치 구성이 복잡할 뿐만아니라 유독성 가스의 사용 등으로 인하여 안전에 있어서도 문제가 될 수 있다. 또한, 사용하는 가스 및 반응물질의 양에 비하여 후막 형성에 이용되는 양이 매우 작다는 문제점을 갖는다.
한편, 도파로용 후막 형성을 위한 다른 방법인 PECVD법은 300 ∼ 400℃된 Si 기판으로 주입되는 SiH4와 N2O에 RF 플라즈마(Plasma)를 인가하여 화학반응을 촉진시켜 실리카 후막을 증착시키는 방법으로서, 형성되는 막의 질이 우수하기 때문에 전술한 FHD법과 같이 조밀화 공정이 필요 없다는 장점을 갖는다.
그러나, 성장속도가 작아 장시간의 증착이 필요하고, 강한 플라즈마(Plasma)를 가해주어야 하므로 이에 관련된 부대설비 및 운용에 있어 단점을 갖는다.
특히, FHD와 마찬가지로 후막 성장을 위하여 장입하는 기판의 수가 제한을 받으므로 수율에 문제가 있으며 FHD법과 마찬가지로 장치가 고가이므로 경제성이 적다는 문제점을 안고있다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
이와 같이, 기존의 광도파막 형성법은 수율이 낮아 대량생산에 불리하며 장치구성이 복잡하며 유독성 가스의 사용 등으로 인하여 경제성 및 안전 문제가 발생한다. 또한 유독성 가스와 화학 약품의 사용으로 인하여 안전과 후막형성 폐기물의 처리문제가 발생하며 안정된 후막을 형성하기 위해서는 상당한 공정실험이 필요하며 첨가물의 종류를 바꾸보자 할 경우 새로운 시설이 필요로 하게 된다. 본 발명에서는 기존의 화염가수분해법 또는 화학기상증착법에서 발생하는 각종 문제점을 해결하고, 양질의 도파막을 형성하여 광 부품의 손실을 개선하고 향후 광 통신에서 사용될 각종 광부품의 질적향상을 위하여 편리하고 간단한 후막형성방법을 제안한다.
따라서, 본 발명의 목적은 복잡하며 고가인 별도의 장비 없이 산화물 입자를 이용하여 경제적이며 대량 생산에 적합한 광도파로 및 평면형 도파로 소자의 제작을 위한 새로운 후막형성방법을 제공하는데 있다.
[발명의 구성]
본 발명에 따른 실리카 후막은 하기의 3단계 과정을 거쳐 제작된다.
a) SiO2를 주성분으로 하는 산화물 입자와 이들 산화물 입자간의 결합을 위한 유기물 결합제(binder), 및 상기 산화물 입자간의 균일한 조성을 위한 분산제(dispersant)를 포함하는 첨가제를 전공 하의 밀폐 용기안에서 교반시켜 혼합물을 형성하는 단계.
b) 상기 혼합물을 닥터 블레이드 테이프 캐스팅(Doctor Blade Tape Casting)법을 이용하여 소정 기판 상에 도포하는 단계.
c) 상기 도포된 실리카막을 약 300∼400℃의 온도로 예비 가열하여 첨가된 유기물을 제거한 후, 소정 온도 및 분위기 하에서 가열 성형하는 조밀화 공정(consolidation)을 수행하는 단계.
바람직하게, 상기 산화물 입자를 구성하는 SiO2외에 광 도파로의 굴절률 변화와 상기 조밀화 공정의 온도 저하를 위하여, GeO2, B2O3, P2O5및 TiO2중의 어느 하나의 산화물을 첨가시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 산화물 입자의 교반 시 기포 발생을 억제하기 위하여, 미량의 소포제(antifoam)를 첨가제로서 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유기물 결합제로서 PVB(Polyvinyl Butyral), Starch, Methacryate Sitn, 또는 Methacryate Emulssion을 사용하여, 상기 분산제로는 맨하탄 오일(Manhathan Oil) 또는 글리세릴 모노오레이트(Glyceryl Monooleate)를 사용하는 것이 바람직하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 실리카 후막은 제3도 내지 제5도에 도시한 바와 같이, 후막 형성용 혼합물을 형성하는 공정(제3도 참조)과, 닥터 블레이드를 이용하여 상기 혼합물을 도포하는 공정(제4도 참조), 및 도포된 후막을 조밀화시키는 공정(제5도 참조)을 통하여 형성된다.
제3도를 참조하여, 1단계의 혼합물 조성 과정을 설명한다.
먼저, 후막 형성을 위한 혼합물(20)을 밀폐 용기(10) 내에 넣는다.
이때, 상기 혼합물(20)은 형성하고자 하는 후막 성분비에 따라 조성을 달리할 수 있지만, 산화물은 SiO2가 주성분인 실리카 입자와 부성분인 첨가제로 이루어진다.
상기 첨가제로는, 상기 산화물 입자들간의 결합을 위하여 유기물 결합제(binder)와, 산화물 입자들간의 균일한 조성을 위한 분산제(Dispersant), 및 산화물 입자와 혼합 시 기포의 발생을 억제하기 위한 소포제(antifoam)등이 첨가된다.
상기 유기물 결합제로는 PVB(Polyvinyl Butyral), 전분(Starch), Methacry Sitn, Methacryate Emulssion 등이 사용될 수 있으며, 상기 분산제로는 맨하탄 오일 (Manhathan Oil)이나 글리세릴 모노올레이트(Glyceryl Monooleate)가 사용될 수 있다.
이때, 광 도파로의 굴절률의 변화와 후 속의 조밀화 공정시의 온도를 낮추기 위하여, GeO2, B2O3, P2O5또는 TiO2등이 정량화되러 산화물 입자와 함께 섞이는 것이 바람직하다.
전술한 성분들로 혼합되어 밀폐 용기(10)내에 놓여진 혼합물(20)들은 진공펌프(14)를 이용한 진공 하에서 상기 첨가물이 균일하게 섞일 수 있도록 교반 수단(12)에 의해 교반된다.
이때, 산화물 입자 및 첨가제의 양은 원하는 점도와 두께를 얻을 수 있도록 조절되며, 균일한 조성을 이룰 수 있도록 충분히 교반된다.
상기 공정을 통하여 조성된 혼합물(20)은 제4도에 도시된 바와 같은, 닥터 블레이드 테이프 캐스팅(Doctoy Blade Tape Casting)법을 이용하여 원하는 두께의 실리카 후막을 Si 기판(40) 위에 도포한다.
구체적으로, 상기 혼합물(20)은 롤러(34)에 의해 좌, 우 이동되는 플라스틱 필름(32)에 의해 기판(40) 상의 전 표면에 걸쳐 골고루 도포된다.
이때, 혼합물(20)의 도포 두께는 닥터 블레이드(Doctor Blade)(30)를 이용하여 정확히 조절된다.
최종적으로, 상기 공정을 통하여 도포된 실리카막은 약 300 ∼ 400℃ 정도의 온도로 1차 가열되어 첨가된 유기물들을 제거한 후, 조밀화 공정을 통하여 제5도에 도시된 바와 같은, 치밀한 실리카 후막(50)을 형성한다.
이때, 조밀화 공정의 온도와 분위기는 형성하고자 하는 실리카막의 조성에 따라 결정되며, 본 발명에서는 대략 950 ∼ 1200℃의 온도를 사용하였다.
또한, 전술한 과정들을 반복하여 실리카 후막(50)을 형성할 수 있음은 물론이다.
[발명의 효과]
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 발휘한다.
첫째, 본 발명에서 제안한 후막형성법은 상용화되어 시판되는 산화물 입자 및 미량의 첨가제를 사용하므로 종래의 FHD나 PECVD법과 같은 후막 형성법에서와 같이 후막형성을 위한 별도의 고가의 장비의 설치 및 유지보수가 필요 없으므로 광도파로를 형성하는데 드는 비용을 크게 절감 시킬 수 있다.이에따라, 도파로 및 도파로형 광소자 제작의 경제성을 제고 할 수 있다.
둘째, 기존의 FHD법이나 PECVD법에서와 같이 유독성 가스와 화학 약품을 사용하지 않으므로 안전과 후막형성 폐기물의 처리등에 비용이 들어가지 않으므로 경제적이다.
셋째, 한번에 다량의 혼합물을 제작한후 연속적으로 기판에 실리카 후막을 형성시킬 수 있으므로 기판의 처리용량에 있어 많은 제약점을 가지는 기존의 FHD와 PECVD법과 달리 대량 생산에 적합하다는 장점을 갖는다.
넷째, 산화물 입자로 존재하는 여러가지 물질을 첨가제로 사용할수 있으므로 다양한 첨가물과 조성을 가지는 실리카계 도파로를 별도의 장치나 시설 없이 용이하게 시험 할 수 있다.

Claims (7)

  1. SiO2를 주성분으로 하는 산화물 입자와 이들 산화물 입자간의 결합을 위한 유기물 결합제(binder) 및 상기 산화물 입자간의 균일한 조성을 위한 분산제(dispersant)를 포함하는 첨가제를 진공 하의 밀폐용기 안에서 교반시켜 혼합물을 형성하는 제1공정; 상기 혼합물을 닥터 블레이드 테이프 캐스팅(Doctor Blade Tape Casting)법을 이용하여 소정 기판 상에 도포하는 제2공정; 및 상기도포된 실리카막을 약 300∼400℃의 온도로 예비 가열하여 첨가된 유기물을 제거한 후, 소정 온도 및 분위기 하에서 가열 성형하는 조밀화 공정(consolidation)을 포함하는 것을 특징으로하는 실리카 후막의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화물 입자를 구성하는 SiO2외에 광 도파로의 굴절률 변화와 상기 조밀화 공정의 온도 저하를 위하여, GeO2, B2O3, P2O5, 및 TiO2중의 어느 하나의 산화물을 첨가시키는 것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화물 입자의 교반 시 기포 발생을 억제하기 위하여, 미량의 소포제(antifoam)를 첨가제로서 더 포함하는것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기물 결합제로서 PVB(Polyvinyl Butyral), 전분(Starch), Methacryate Sitn, 및 Methacryate Emulssion 중의 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분산제(Dispersant)로서 맨하탄 오일(Manhathan Oil) 및 글리세릴 모노오레이트(Glyceryl Monooleate)중의 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조밀화 공정의 가열 온도가 약 950∼1200℃의 온도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 제2공정의 혼합물 도포 공정을 상기 닥터 블레이드 테이프 캐스팅법 대신에 스크린(screen) 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리카 후막의 형성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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