KR100311461B1 - 청색레이저소자제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청색레이저소자 제조방법에 관한 것으로, SHG변환효율 증대를 위한 것으로, 기판위에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 포토레지스트층을 소정의 분극반전층 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 기판의 웨이브가이드가 형성될 소정의 위치내에 분극반전층 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단계, 상기 분극반전층용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 분극반전층을 형성하는 단계, 상기 금속패턴을 제거하는 단계, 상기 분극반전층이 형성된 기판상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계, 상기 제 2 포토레지스트층을 소정의 웨이브가이드 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 상기 분극반전층에 수직한 웨이브가이드 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단계, 상기 웨이브가이드용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 웨이브가이드를 형성하는 단계, 및 상기 금속패턴을 제거하는 단계로 이루어지는 청색레이저소자 제조방법을 제공함으로써 표면가이드 현상을 방지하여 SHG변환효율을 대폭적으로 증대시킬 수 있도록 한다.

Description

청색레이저소자 제조방법
제 1 도는 종래 기술 및 본 발명에 따른 청색레이저소자 제조방법을 도시한 공정순서도
제 2 도는 종래 기술에 따른 청색레이저소자 구조도
제 3 도는 종래 기술에 따른 청색레이저소자의 분극반전층 및 웨이브가이드 마스크패턴을 도시한 도면
제 4 도는 본 발명에 따른 청색레이저소자의 분극반전층 및 웨이브가이드 마스크패턴을 도시한 도면
제 5 도는 본 발명에 따른 청색레이저소자 구조도
제 6 도는 본 발명에 따른 청색레이저소자의 키패턴 형성방법의 일실시예를 도시한 공정순서도
제 7 도는 본 발명에 따른 청색레이저소자의 키패턴 형성방법의 다른 실시예를 도시한 공정순서도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2, 12 : 포토레지스트
3, 13 : 마스크 4, 14 : 금속
5 : 앰풀 10 : 분극반전층
11 : 웨이브가이 20 : 키패턴
본 발명은 청색레이저소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 SHG(Second Harmonic Generation) 변환효율 증대를 위한 청색레이저 소자구조의 제조방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따른 청색레이저 제조방법을 제 1 도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 도 (a)와 같이 LiTaO3(Lithium tantalate) 시료(1)위에 포토레지스트(2)를 도포한 후, 제 3 도 (a)에 도시한 분극반전(Domain inversion)층 제조용 포토마스크(3)를 올려놓고 자외선광을 조사한 후, 상기 포토레지스트를 현상액에 담가 자외선광이 조사된 포토레지스트 부분을 제거하여 제 1 도 (b)에 도시한 바와 같은 포토레지스트패턴(2)을 형성한다.
다음에 제 1 도 (c)에 도시된 바와 같이 금속으로서, Cr을 두께 약 200Å 정도 증착한 후, 제 1 도 (d)와 같이 상기 포토레지스트(2) 및 그 상부의 Cr층을 아세톤을 이용하여 리프트오프(lift-off)하여 금속패턴(4)을 형성한다.
이어서 제 1 도 (e)에 도시된 바와 같이 파이렉스(pyrex)관으로 된 앰풀(ampoule)내에 상기 금속패턴(4)이 형성된 시료(1)를 넣고 양자교환(proton exchange) 및 열처리과정을 거침으로써 제 2 도에 도시된 바와 같이 시료내 분극 (polarization)방향이 주기 ∧값으로 되풀이되는 분극반전층(1O)을 형성한다.
이어서 분극반전층 형성후 필요없게 된 금속패턴을 제거하고 분극반전 프로파일(폭 및 깊이)을 관찰하기 위해 제 1 도 (f)에 도시된 바와 같이 HF:HNO3=1:2의 식각용액에 시료를 담가 30분 정도 습식식각 한다.
상기와 같이 분극반전층(1O)을 조성한 후, 제 1 도 (a) 내지 (f)의 공정을 반복 수행하여 제 2 도에 도시된 바와 같은 분극반전층(10) 패턴에 수직하고 폭 4㎛정도인 웨이브가이드(11)를 시료 표면에 형성한다.
이때, 사용되는 웨이브가이드 제조용 포토마스크는 제 3 도 (b)에 도시된 바와 같다.
이와 같이 형성된 소자의 시료의 한쪽 단면으로 파장 860nm(적색)의 빛을 웨이브가이드내로 집속하여 입사시키면 반대편을 통해 파장 430nm(입사광의 반파장)인 청색광이 생성되는데 이를 통칭 SHG라고 한다.
상기와 같이 소자의 한쪽 단면으로부터 웨이브가이드내부로 입사된 빔은 웨이브가이드에 수직으로 조성된 분극반전층을 거치면서 시료 전표면에 거쳐 퍼지는 표면가이드(surface guide)현상이 발생하게 된다.
이는 분극반전층 및 웨이브가이드 조성방법이 모두 두 번의 중첩된 양자교환에 의존하기 때문에 빛이 시료내부를 통과하면서 웨이브가이드내부에만 가두어지지 못하고 분극반전층을 따라서 웨이브가이드에 수직한 방향으로 퍼져나가기 때문이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 표면가이딩현상을 억제할 수 있는 청색레이거 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 청색레이저 제조방법은 기판위에 제 1 포토레지스트층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 포토레지스트층을 소정의 분극반전층 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 기판의 웨이브가이드가 형성될 소정의 위치내에 분극반전층 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단계, 상기 분극반전층용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 분극반전층을 형성하는 단계, 상기 금속패턴을 제거하는 단계, 상기 분극반전층이 형성된 기판상에 제 2 포토레지스트층을 형성하는 단계, 상기 제 2 포토레지스트층을 소정의 웨이브가이드 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 상기 분극반전층에 수직한 웨이브가이드 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단계, 상기 웨이브가이드용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 웨이브가이드를 형성하는 단계, 및 상기 금속패턴을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 청색레이저 제조방법은 분극반전층 제조용 포토마스크만 다르며, 제 1 도의 종래공정과 동일한 공정에 의해 수행된다.
즉, 제 1 도 (a)와 같이 LiTaO3(Lithium tantalate)시료(1)위에 포토레지스트(2)를 도포한 후, 제 4 도 (a)에 도시한 분극반전(Domain inversion)층 제조용 포토마스크(3)를 올려놓고 자외선광을 조사한 후, 상기 포토레지스트를 현상액에 담가 자외선광이 조사된 포토레지스트 부분을 제거하여 제 1 도 (b)에 도시한 바와 같은 포토레지스트패턴(2)을 형성한 다음, 제 1 도 (c)에 도시된 바와 같이 금속으로서, Cr을 두께 약 200Å정도 증착한 후, 제 1 도 (d)와 같이 상기 포토레지스트(2) 및 그 상부의 Cr층을 아세톤을 이용하여 리프트오프(lift-off)하여 금속패턴(4)을 형성한다.
이어서 제 1 도 (e)에 도시된 바와 같이 파이렉스(pyrex)관으로 된 앰풀(ampoule)내에 상기 금속패턴(4)이 형성된 시료(1)를 넣고 양자교환(proton exchange) 및 열처리과정을 거침으로써 제 5 도에 도시된 바와 같이 분극반전층(10)을 형성한 후, 금속패턴을 제거하고 분극반전 프로파일(폭 및 깊이)을 관찰하기 위해 제 1 도 (f)에 도시된 바와 같이 HF:HNO3=1:2의 식각용액에 시료를 담가 30분 정도 습식식각 한다.
상기와 같이 분극반전층을 조성한 후, 제 1 도 (a) 내지 (f)의 공정을 반복수행하여 제 5 도에 도시된 바와 같이 웨이브가이드(11)를 시료 표면에 형성한다.
이때, 사용되는 웨이브가이드 제조용 포토마스크는 제 4 도 (b)에 도시된 바와 같다.
제 5 도는 본 발명에 의해 제조된 소자의 구조도로서, 분극반전층(10)의 폭이 웨이브가이드(11)의 폭과 같으며, 제 4 도 (a)와 같이 주기적인 분극반전층만 가지는 포토마스크를 사용하여 두 번에 걸친 양자교환이 입사빔을 가두고자 하는 웨이브가이드 내부로 국한되도록 함으로써 분극반전층의 폭방향(웨이브가이드의 수직방향)으로 입사빔이 퍼지는 것을 방지한다.
즉, 제 5 도에서 보듯이 본 발명은 분극반전층이 웨이브가이드 내부에 형성되어 있으므로 입사된 광이 웨이브가이드 내부를 진행하면서 웨이브가이드 길이 방향에 수직한 방향으로 형성되어 있는 분극반전층의 양자교환효과로 인하여 빛이 이 방향으로 퍼지는 것을 방지할 수 있게 된다.
파장 860nm인 입사광을 파장 430nm인 청색출력광으로 변환시키는 효율(SHG변환효율)은 다음 수학식 1과 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
수학식 1,2에서, PW는 파장이 860nm인 입사빔 출력값, P2W는 파장이 430nm인 출력 SHG빔 출력값, nW는 입사빔이 느끼는 시료의 굴절율, n2W는 출력 SHG빔이 느끼는 시료의 굴절율, d는 시료의 비선형 계수, L은 시료의 길이, A는 웨이브가이드의 단면적을 각각 나타낸다.
상기 수학식 2에서 입사광출력(PW)에 대한 출력광출력(P2W)의 비는 입사광과 SHG광의 모드 오버랩 및 웨이브가이드내의 광집속도를 나타내는에 정비례하여 증가한다.
따라서 본 발명에서와 같이 분극반전층을 웨이브가이드 내부로 국한시킴으로써 소자표면 전체로 입사광이 퍼지는 현상을 방지할 경우 SHG변환효율이 매우 증대된다.
본 발명에 있어서, 상기 웨이브가이드내부에 조성된 분극반전층의 한 단위셀의 크기는 5(길이) ×3(폭)㎛정도로 매우 작다.
따라서 분극반전층에 수직한 웨이브가이드를 조성하는데 있어서 아무런 기준점이 없이는 분극반전층과 웨이브가이드를 정확하게 수직으로 형성하는 것이 어렵게 된다.
따라서 제 4 도에 도시된 포토마스크에서와 같이 패턴의 상,하부에 키패턴 (key pattern)을 형성하여 얼라인 키로 활용하는 것이 바람직하다.
상기 얼라인 키패턴의 형성방법은 제 6 도에 도시된 바와 같이 시료(1)위에 포토레지스트(12)를 도포하고 소자내부의 특정위치에 위치하도록 키패턴만을 가진 포토마스크(13)를 사용하여 노광(a) 및 현상(b)공정을 행한 후, 금속(14)을 증착하고(c), 리프트오프공정을 통해 상기 포토레지스트 및 그 상부의 금속층을 제거하여 제 6 도 (d)에 도시된 바와 같이 금속층으로 된 키패턴(14)을 형성한다.
또한, 제 7 도에 도시된 바와 같이 시료(1)위에 포토레지스트(12)를 도포하고 소자내부의 특정위치에 위치하도록 키패턴만을 가진 포토마스크(13)를 사용하여 노광(a) 및 현상(b)공정을 행한 후, 상기 포토레지스트패턴(12)을 마스크로 하여 습식식각공정을 행한다(c).
이어서 제 7 도 (d)에 도시된 바와 같이 선택적 식각에 의한 키패턴을 형성할 수도 있다.
상기와 같이 시료의 특정위치에 키패턴을 형성함으로써 이를 얼라인키로 이용하여 분극반전층과 웨이브가이드를 정확하게 수직으로 형성할 수 있게 된다.
이상 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 표면가이드 현상을 방지할 수 있어 SHG변환효율을 대폭적으로 증대시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 기판위에 제1포토레지스트층을 형성하는 단계와, 상기 제1포토레지스트층을 소정의 분극반전층 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 기판의 웨이브가이드가 형성될 소정의 위치내에 분극반전층 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단가, 상기 분극반전층용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 분극반전층을 형성하는 단계, 상기 금속패턴을 제거하는 단계, 상기 분극반전층이 형성된 기판상에 제2포토레지스트층을 형성하는 단계, 상기 제2포토레지스트층을 소정의 웨이브가이드 형성용 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 상기 분극반전층에 수직한 웨이브가이드 패턴을 형성하는 단계, 기판상에 금속을 증착하는 단계, 상기 웨이브가이드용 포토레지스트패턴을 리프트오프하여 금속패턴을 형성하는 단계, 양자교환 및 열처리과정을 거쳐 웨이브가이드를 형성하는 단계, 및 상기 금속패턴을 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색레이저소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분극반전용 마스크는 분극반전층의 폭이 웨이브가이드의 폭과 같도록 된 것임을 특징으로 하는 청색레이저소자 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분극반전용 마스크의 상,하부에 키패턴이 각각 형성된 것을 특징으로하는 청색레이저소자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 웨이브가이드용 마스크의 상,하부에 키패턴이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 청색레이저소자 제조방법.
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