KR100248407B1 - 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 축에 대하여 기울어진 광도파로를 갖는 광소자를 플립칩 접합 방법으로 수동정렬용 기판 위에 정렬하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 광소자 길이의 편차에 따른 광도파로의 위치이탈을 정밀하게 교정해 주기 위한 정렬부호를 사용하며, 또한 이를 가능하게 하는 수동정렬용 기판 제작시 정렬부호를 삽입하고, V-홈을 형성함에 있어서, 별도의 포토리소그라피 공정 중에 발생하는 마스크 정렬오차를 제거하며, V-홈의 이방성 식각 후에 변화된 V-홈의 중심 위치에 대한 플립칩 접합용 정렬부호의 위치변화를 방지하기 위하여 이들을 한번의 식각 공정으로 동시에 형성함으로써, 광소자와 광섬유를 수동정렬 할 때 광결합 효율을 극대화시킬 수 있는 것이다.

Description

광섬유와 광소자의 수동정렬 방법

본 발명은 광소자와 광섬유를 수동정렬하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히, 광섬유 축에 대해 기울어진 광도파로를 갖는 광소자와 광섬유의 정밀 수동 정렬 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 빛을 전달하는 광섬유를 광소자와 결합시키는 방법은 능동정렬(active alignment)과 수동정렬(passive alignment)의 두가지로 크게 나눌 수 있다. 통상 렌즈가 달린 TO 패키지에 실장된 광소자를 구동하고 여기서 나오는 광신호를 관찰하면서 광섬유를 정렬하는 능동정렬법과는 달리, 수동정렬에서는 광소자를 실리콘 기판 위에 플립칩접합 등의 방법으로 고정하고 동일 기판상에 인접하여 광섬유의 중심 코어(core)가 플립칩접합된 광소자의 도파로와 일치하도록 설계하여 형성시킨 V 형태의 홈(V-홈; V-groove)에 광섬유를 정렬함으로써 광결합 공정이 완료된다. 따라서 와이어접합을 배제할 수 있기에 전기적 특성이 우수할 뿐 아니라 패키징 작업이 간단하여 대량생산이 용이하다는 장점을 갖는다. 이러한 장점을 살리기 위해서는 V-홈 위에 놓인 광섬유와 플립칩 접합된 광소자의 위치 상관관계가 매우 정확하여야 한다. 특히 발광소자의 경우 광도파로와 수직한 면에서 좌우방향(x-방향)으로는 통상 (±)2㎛ 그리고 높이방향(y-방향)으로는 (±)1㎛ 내외의 정렬 정밀도를 유지하여야 하며, V-홈에 정렬된 광섬유 축 방향(z-방향)으로 광섬유 절단면과 광도파로간의 거리도 20 ㎛ 내외로 조절하여야 실용적인 광결합 효율을 얻을 수 있다.

광소자와 광섬유의 x-방향 정렬은 고정된 V-홈 위에 정렬된 광섬유의 중심 축과 광소자의 도파로가 일치하도록 하는 것인데, 이를 위해서는 광섬유의 중심 축 위치에 맞추어 형성한 플립칩 접합용 패드에 광소자를 정렬하여 접합하여야 한다. 솔더를 이용한 광소자의 플립칩 접합시 용융된 솔더의 표면장력에 의한 자기정렬(self-alignment) 성질을 이용하면 접합 전에 광소자를 정밀하게 정렬하지 않아도 최종적으로 원하는 위치에 x-방향 정렬을 이룰 수 있다는 것이 광소자 수동정렬방법의 근간 원리이다. 그러나 실제의 경우 솔더의 표면장력에 의한 복원력만으로 2 ㎛ 이내 오차범위의 정렬 정밀도를 얻기는 매우 어렵다. 설령 시도를 한다고 하더라도 접합에 필요한 시간이 매우 길어지므로, 실제적으로는 소자와 기판의 접합 전에 가급적 정밀한 정렬을 하는 것이 바람직하다. 이를 위해 정렬을 위한 부호를 별도로 만들며, 이들을 기판과 광소자의 양쪽에 모두 형성하여 접합시 정렬 부호를 일치시킨 후, 플립칩 접합함으로써 정렬을 이룬다. 이때 대부분의 광소자는 광도파로 방향이 광소자 절단면과 수직을 이루기에 광도파로의 위치를 x-y 위치가 고정된 V-홈 위에 놓이는 광섬유 축과 일치되게 하려면 단순히 광소자의 정렬부호를 기판의 정렬부호에 맞추어 플립칩 접합을 하면 된다. 그러나 특수한 목적으로 광도파로의 방향이 수동 또는 능동 광소자의 절단면과 수직하지 않고 다른 각도 α를 이루는 경우에는, 광소자 재료의 굴절률과 외부의 굴절률 차이에 의해 광이 또 따른 각도인 β각으로 나오게 되므로, 광도파로의 위치를 광섬유 축과 일치되게 정렬하는 것이 매우 까다롭다. 더욱이 광소자를 최신 기술을 이용하여 일정 크기로 절단한다고 하여도 절단된 광소자 길이의 편차가 10∼50 미크론에 달하게 된다. 따라서 도 1a에 나타낸 바와 같이, 이 광섬유 축에 대하여 광도파로가 기울어진 경우에는 광소자 절단시의 절단 오차 때문에 정렬부호를 기준으로 정밀한 플립칩 접합을 하여도 절단되어 노출된 광도파로의 위치가 V-홈 위에 놓이는 광섬유의 축과 δ 거리 만큼 떨어지게 되어 원하는 광결합 효율을 얻을 수 없게 된다.

또한 플립칩 접합된 광소자에 광섬유를 정렬하기 위한 V-홈은 금속 박막공정의 이전에 혹은 이후에 별도의 실리콘 식각공정으로 형성하는데, 이때 정밀한 포토리소그라피 공정에 의해 상기의 공정들을 수행하더라도 별도의 마스크를 사용하는 한, 양 공정간에 발생하는 포토리소그라피 정렬오차는 항상 존재한다. 이에따라 기본적인 광결합 오차를 피할 수 없다. 이들 마스크의 정렬오차 외에도 V-홈의 식각 후 규격변화에 의한 오차가 있다. V-홈 형성은 KOH등 특정용액에 대하여 실리콘 결정면간에 식각속도가 크게 다른 특성을 이용하는 실리콘의 이방성 식각성질을 이용하는 것이므로, 식각패턴이 실리콘의 일정 결정방향에 대하여 조금만 틀어져도 식각 후에 생기는 V-홈의 크기나 위치에는 큰 변화가 있게 되어 이를 감안하면 형성된 V-홈과 플립칩접합용 정렬부호간에는 광소자 접합 전에 이미 유지하고자 하는 정렬정확도 이상의 큰 오차가 발생하게 된다. 따라서 정렬부호와 V-홈의 식각패턴 형성을 위한 공정에서는 극도의 정밀한 작업이 요구된다. 그러나 마스크 정렬오차와 같이 근본적으로 내재하는 오차를 제거할 수 없을 뿐 아니라 이에 요구되는 시간도 매우 길어지는 단점이 있다.

본 발명은 광섬유 축에 대하여 기울어진 광도파로를 갖는 광소자와 광섬유를 수동 정렬방법으로 광결합을 이루기 위한 수동정렬용 기판제조시 광소자의 플립칩접합을 위한 정렬부호를 삽입하고 V-홈을 형성할 때, 이들을 한번의 식각 공정으로 동시에 형성하고, 그 제조된 기판 위에 광섬유와 상기 광소자를 수동으로 정렬하기 위해 광소자를 플립칩 접합시 광소자 길이 편차에서 기인하는 광도파로의 위치 이탈을 보정할 수 있는 정렬부호를 삽입한다.

이와같은 본 발명은 정렬부호와 V-홈 형성을 위한 각각의 포토리소그라피 공정에 기인하는 마스크 정렬오차를 제거하고, 광도파로의 각도와 광소자의 길이 오차에 무관하게 더욱 정밀한 광소자와 광섬유의 수동정렬을 손쉽게 하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 자동정렬된 정렬부호를 이용한 광소자 플립칩접합의 원리도,

도 2a 내지 도 2j는 본 발명에서의 수동정렬용 기판을 제조하는 방법 및 공정이 끝난 기판에 광소자와 광섬유를 정렬하는 공정을 도시한 단면도,

도 3a 및 도 3b는 광소자와 광섬유의 수동정렬 예의 사시도를 각각 나타낸다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 실리콘 웨이퍼 2 : 실리콘 질화물

3 : UBM 패드 3a : 재 정의된 UBM 패드

4 : 정렬부호 식각 방지막 5 : UBM 개구용 포토레지스트

6 : 기판 정렬부호 7 : V-홈

8 : V-홈 개구 9 : 식각 패턴 정의용 포토레지스트

10 : 솔더 증착용 후막 포토레지스트

11 : 증착된 솔더범프 12 : 리플로우된 솔더범프

13 : 광소자 광도파로 14 : 수동정렬용 기판

15 : 광소자 16 : 기판상 V-홈에 정렬된 광섬유

17 : 광섬유 코어 18 : 기판에 놓이는 광소자의 절단면 방향

19 : 정렬용 식각홈을 위한 개구 20 : 광소자의 정렬부호

21 : 솔더범프 패턴에 상응하는 광소자 UBM 패턴

22 : 광소자 길이편차 교정부호

23 : 광소자의 설계된 크기를 나타내는 원점

24 : 광소자의 절단면과 교정부호가 수직으로 교차하는 점

25 : 광소자 절단면의 수직한 방향과 각도 a를 갖는 광도파로에서 나온 광의 진행방향

26 : 광소자 절단 오차에 따른 광도파로 위치의 이동

27 : V-홈 위에 놓이는 광섬유의 축

28 : 광소자 절단면

29 : 광소자 절단면과 수직한 방향

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 광소자의 수동정렬용 기판 제작시 정렬부호를 삽입하고 V-홈을 형성함에 있어서, 별도의 포토 리소그라피 공정 중에 발생하는 마스크 정렬오차를 제거하며 V-홈의 이방성 식각 후에 변화된 V-홈의 중심 위치에 대한 플립칩접합용 정렬부호의 위치 변화를 방지하기 위하여 이들을 한번의 식각 공정으로 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은, 광섬유 축에 대하여 기울어진 광도파로를 갖는 광소자와 광섬유를 플립칩접합 방법으로 수동정렬용 기판 위에 정렬함에 있어서, 광소자 길이의 편차에 따른 광도파로 위치의 이탈을 정밀하게 교정해 주기 위한 정렬부호를 사용하는 것이 특징이다.

이러한 정렬부호의 사용에 대한 원리도를 도 1b에 예시하였다. 광소자의 절단 오차에 따라 광도파로 절단면의 위치가 이동(26)되어 광소자 절단면의 수직한 방향(29)과 각도 α를 갖는 광도파로에서 나온 광의 진행 방향(25)이 광섬유 축(27)과 (-) x-방향으로 δ거리 만큼 이탈되었을 때, 먼저 광소자 정렬부호(20)와 기판 정렬부호(6)를 일치시킨 후 광소자의 절단면(28)과 광소자 교정부호(22)가 수직으로 교차하는 점(24)을 (+)x-방향으로 이동시켜 기판 정렬부호의 광섬유 축 방향 패턴과 일치시키면 광소자 절단 오차에 따른 광도파로의 위치 이동(26) 거리 δ가 보상되어, 광도파로에서 나온 광의 진행방향(25)이 광섬유 축(27)과 일치되므로 상기의 목적이 구현된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

수동정렬용 기판을 제조하기 위해서는, 절연 및 실리콘의 식각 방지를 위한 실리콘질화물의 형성, 솔더 패드를 위한 언더 범프 메탈러지(under-bump metallurgy: UBM, 예를 들면 Ti\Ni\Au 층)의 형성, V-홈과 정렬용 정렬부호의 형성, 그리고 플립칩접합을 위한 솔더 증착 등의 공정이 요구된다. 수동정렬용 기판의 제조와 그 기판을 이용한 정렬방법을 설명하면 다음과 같다.

제 1 공정은 전기적 절연 및 V-홈 형성을 위하여, 광소자와 광섬유의 정렬용 기판인 실리콘 웨이퍼(1) 위에 실리콘 질화물(2) (또는 실리콘 산화물)을 전면 증착하며 이의 단면도를 도 2a에 나타내었다.

제 2 공정에서는 솔더를 이용한 플립칩접합을 위하여 솔더 접착이 가능한 UBM 패드(3)와 기판에 정렬부호(6) 형성을 위한 정렬부호 식각 방지막(4)을 형성하기 위하여 UBM을 증착한다. 먼저 상기 실리콘 질화물(2) 위에 UBM 개구용 포토레지스트(5)를 도포하고 노광공정을 하여 패턴을 정의한 개구를 만든 후, 전면(全面)에 금속층을 증착하고(도 2b), 리프트-오프 공정을 이용하여 원하는 패턴을 형성한다(도 2c). UBM 형성을 위하여 전기도금법을 이용하여도 무방하다.

제 3 공정은 UBM 패드(3)에 연결된 전송선을 따라 솔더가 점착되는 것을 방지하기 위한 UBM 패드(3a)의 재 정의, 기판 정렬부호(6) 형성, 그리고 V-홈을 형성하기 위한 개구를 정의하는 공정이다.

기판 정렬부호(6)를 형성시에는 광소자의 정확한 플립칩 접합을 위한 위치를 지정하는 패턴을 삽입하되, 광소자의 길이 편차가 있을때 이에 따른 도파로의 위치를 광섬유 축 방향과 일치시킬 수 있도록 보정하기 위하여 광섬유 축 방향과 평행한 패턴의 길이를 광소자의 예상 절단 오차보다 길게 형성한다. 패턴 형성을 위하여 먼저 실리콘 질화물(2a)을 전면에 증착하고 포토레지스트(9) 노광공정을 통하여 패턴을 정의한 후 실리콘질화물을 건식식각하여 정렬용 식각홈을 위한 개구(19) 및 V-홈 식각용 개구(8)를 만든다. 이때 상기 V-홈이 형성될 개구부분의 실리콘 질화물(2, 2a)는 모두 건식식각한다. 이러한 공정을 거친 단면도를 도 2d에 나타내었다. 광소자에서도 기판과 별도로 기판의 패드에 상응하는 솔더접착용 패턴(21)과 정렬부호(20) 및 광소자 길이 편차 교정부호(22)를 형성한다. 이때 광소자의 정렬부호(20)는 플립칩 접합된 광소자의 광도파로에서 나오는 광이 광섬유 축과 기울어질 각도를 고려하여 형성한다. 광소자 길이 편차 교정부호(22)는 광소자의 절단면(28) 결정방향과 수직하게 형성하는데, 이때 광소자의 정확한 절단 크기를 알 수 있도록 교정부호의 축과 수직한 방향으로 (즉, 광소자가 절단된 결정면과 수평방향) 패턴을 일정한 간격으로 형성한다. 이때 광소자의 설계된 크기를 나타내는 원점(23)을 다른 패턴과 구별되도록 하면(도 1b 참조) 광소자 절단 오차에 따른 실제 길이를 손쉽게 측정할 수 있다. 또한 도 1b에 도시된 바와 같이, 광소자와 기판의 정렬 후 길이 편차를 보정하기 위해서는 광소자와 기판의 최초 정렬시 광소자의 설계된 크기를 나타내는 원점(23)이 기판 정렬부호(6)의 광섬유 축 방향 패턴과 교차되도록 광소자 길이 편차 교정부호(22)를 형성하여야 한다.

제 4 공정에서는 앞서 제 3 공정에서의 식각 패턴 정의용 포토레지스트(9)를 제거한 후 실리콘 질화물(2, 2a)을 식각 방지막으로 하여 V-홈(7) 형성용 개구(8)에 KOH 등의 식각용액으로 실리콘 식각공정을 하며, 이를 도 2e에 도시하였다. 또한 형성된 V-홈(7), 기판 정렬부호(6) 및 UBM 패드(3)의 위치 관계에 대한 이해를 돕기 위한 정면도를 도 2f에 도시하였다.

제 5 공정은 솔더범프 형성을 위한 공정으로서, 제 4공정에서의 UBM 패드(3) 형성공정과 마찬가지로 리프트-오프 공정을 이용하는데, 이를 위해 솔더 증착용 후막 포토레지스트(10)를 도포하고 노광을 하여 솔더 증착을 위한 패턴을 정의한 후 전면(全面)에 솔더(11)를 증착하고(도 2g), 아세톤 용액 중에서 후막 포토레지스트(10)를 제거하여 UBM 패드(3) 위의 솔더범프 만을 남긴다. 솔더의 증착을 위하여 리프트-오프 공정 대신에 전기도금법을 이용하여도 무방하다. 솔더범프는 통상적으로 기판 또는 뚜껑의 한쪽에 형성하는데, 필요에 따라 양쪽에 다 하는 경우도 있다.

제 6 공정에서는 증착된 솔더의 조성 균일화를 위하여 질소(혹은 수소) 분위기의 오븐에서 리플로우 공정을 하는데, 솔더가 리플로우되면 용융된 솔더의 표면장력으로 인하여 솔더의 형태가 둥글게 되며(12), 이를 도 2h에 나타내었다.

제 7 공정에서는 상기의 공정이 완료된 수동정렬용 기판(14)에 있는 솔더범프(12) 패드 패턴에 상응하는 광소자 UBM 패턴(21)이 있는 광소자(15)를 플립칩접합하는데, 이때 광소자의 정렬부호(20)가 기판의 정렬부호(6)에 일치하도록 하여 접합이 완료된 결과를 도 2i 에 도시하였다. 이들 정렬부호를 기판과 광소자에서 각각 다른 위치에 두개 이상 형성시키면 접합을 위한 정렬시 광소자와 기판의 회전 정렬오차까지 정확히 교정할 수 있다. 만약 광소자의 길이가 설계규격과 다른 경우에는 광소자의 정렬부호(20)와 기판의 정렬부호(6)를 일치시킨 후 광소자 길이 편차 교정부호(22)와 광소자의 절단면(28)이 수직으로 교차되는 점(24)을 (+)(광소자의 길이가 길게 된 경우) 혹은 (-)(광소자의 길이가 짧게 된 경우) x -방향으로 이동시켜 기판 정렬부호(6)의 z-방향 선에 일치되도록 함으로써, 광소자 길이의 편차에 따른 광도파로(13) 위치 이동을 보정한다. 플립칩접합을 위한 기판 정렬부호(6) 및 교정부호(22)의 사용 예를 도 3a에 도시하였다.

제 8 공정에서는 수동정렬용 기판(14) 위에 플립칩접합된 광소자에 광섬유를 정렬하는 공정으로서, 도 2j는 광소자(15)에 광섬유(16)를 정렬하여 광섬유 코어(17)와 광소자의 광도파로(13)가 일치되도록 정렬이 완료된 상태를 나타낸다. 완성된 기판의 사시도를 도 3b에 도시하였다.

이상과 같은 본 발명은 광결합을 이루기 위한 수동정렬용 기판 제작시 광소자의 플립칩접합을 위한 정렬부호를 삽입하고 V-홈을 형성함에 있어서 이들을 한번의 식각 공정으로 동시에 형성함으로써 정렬부호와 V-홈 형성을 위한 각각의 포토리소그라피 공정에 기인하는 마스크 정렬오차를 제거하며, 광소자를 플립칩 접합시 광소자 길이 편차에서 기인하는 광도파로의 위치 이탈을 보정할 수 있는 정렬부호를 삽입함으로써 광도파로의 각도와 광소자의 길이 오차에 무관하게 더욱 정밀한 광소자와 광섬유의 수동정렬을 손쉽게 이룰 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 광섬유 축과 각도를 이루는 광도파로를 갖는 광소자의 수동정렬방법에 있어서,

   솔더를 이용한 플립칩 접합을 위해 솔더범프 패드가 형성되고, 기판의 정렬부호와 V-홈이 한번의 식각에 의해 동시에 형성된 수동정렬용 기판을 제조하는 제 1 과정과;

   상기 기판에 형성된 솔더범프 패드 패턴에 상응하게 광소자에 형성된 솔더범프 패드 패턴을 접합시키고, 그 접합시 광소자 길이 편차에서 기인하는 광도파로의 위치 이탈을 보정하기 위한 광소자의 정렬부호와 상기 기판의 정렬부호를 일치시키는 제 2 과정과; 및

   상기 기판 위에 접합된 광소자의 도파로와 광섬유 코어를 일치시키는 제 3 과정으로 이루어져, 마스크 정렬 오차를 제거하고 광도파로의 각도와 광소자의 길이 오차에 무관하게 광소자와 광섬유를 수동정렬하는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 과정은

   기판(1) 위에 실리콘 질화물(2)을 전면 증착하는 제 1 공정과;

   상기 실리콘 질화물(2) 위에 포토레지스트(5)를 도포 및 노광하여 패턴을 정의한 개구를 만든 후 전면에 언더 범프 메털러지(UBM)를 증착 후 리프트-오프 공정에 의해 솔더 접착이 가능한 패드(3)와 정렬부호 식각 방지막(4)을 형성하는 제 2 공정과;

   그 전면에 실리콘 질화물(2a)을 증착하고 그 위에 포토레지스트(9)를 도포 및 노광하여 패턴을 정의한 후 그 정의된 부분의 실리콘 질화물을 건식식각하여 재정의된 UBM 패드(3a), 기판 정렬부호(6), 및 V-홈(7)을 위한 각각의 개구를 형성하는 제 3 공정과;

   상기 포토레지스트(9)를 제거한 후 기판 정렬부호(6)와 상기 V-홈 형성용 개구에 V-홈(7)을 한번의 식각공정으로 동시에 형성하는 제 4 공정과;

   이 결과물 위에 후막 포토레지스트(10)를 도포 및 노광하여 상기 UBM 패드(3a) 개구에 리플로우 공정에 의한 솔더범프(12)를 형성하는 제 5 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광소자의 정렬부호는 플립칩 접합된 광소자의 광도파로에서 나오는 광이 광섬유 축과 기울어진 각도를 고려하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광소자의 정확한 절단 크기를 알기 위해 광소자 길이 편차 교정부호(22)는 광소자의 절단면(28) 결정방향과 수직하게 일정한 간격으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   광소자 절단 오차에 따른 실제 길이를 쉽게 측정하도록 광소자의 설계된 크기를 나타내는 원점(23)을 다른 패턴과 구별되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제조된 수동정렬용 기판에 광소자를 플립칩 접합시 회전 정렬 오차의 정확한 교정을 위하여 정렬부호를 그 기판과 광소자에 각각 두 개 이상 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광소자의 수동정렬 방법.

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