KR100333899B1 - 버퍼층을이용하여복굴절을감소시키는광도파로및그제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화염가수분해 증착(FHD)에 의한 실리카 광도파로 및 광소자 제작시 잔류응력에 의해 발생되는 복굴절을 버퍼층을 이용하여 감소시키는 광도파로 및 그 제작방법에 관한 것으로, 이러한 광도파로는 웨이퍼위에 형성된 하부클래딩층, 하부클래딩층위에 형성된 코아층 및 코아층위에 형성된 상부클래딩층으로 이루어진 광도파로에 있어서, 웨이퍼와 하부클래딩층사이에 잔류응력에 의한 복굴절을 줄이는 버퍼층을 더 구비함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 기존의 소자제작공정을 변화시키지않고 단지 초기에 버퍼층을 웨이퍼위에 증착하는 단계를 추가함으로써 복굴절을 감소시킬 수 있으며, 또한 버퍼층내의 불순물의 종류 및 불순물의 함량을 조절함으로써 응력을 조절할 수 있다.

Description

버퍼층을 이용하여 복굴절을 감소시키는 광도파로 및 그 제작방법{Optical waveguid for reducing birefringence using buffer layer and method of forming the same}
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 특히 화염가수분해 증착(FHD)에 의한 실리카 광도파로 및 광소자 제작시 잔류응력에 의해 발생되는 복굴절을 버퍼층을 이용하여 감소시키는 광도파로 및 그 제작방법에 관한 것이다.
광도파로(optical waveguid)는 광파를 일정 단면내에 가두고 길이 방향으로 손실이 적게 전파시키는 전송로로, 보통은 굴절율이 주위보다 높은 코아(core)와굴절율이 보다 낮은 클래드(cladding)가 있다.
도 1은 종래의 광도파로의 단면을 도시한 것으로, 웨이퍼(101), 하부클래딩층(102), 코아층(103) 및 상부클래딩층(104)으로 이루어진다.
이러한 광도파로 제작시 도파로에 존재하는 잔류응력은 원하는 특성을 갖는 광소자를 제작하는데 큰 제약을 준다. 도파로에 응력은 막(film) 제조과정에서 가장 많이 발생하고 식각공정을 통한 도파로 제작 단계에서도 발생한다. 특히 현재 수동형 광도파로의 재료로 각광받는 실리카(SiO2)의 경우 화염가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition:이하 FHD)로 만든다. FHD에 의해 증착된 실리카막은 구형의 실리카 입자가 쌓인 매우 기공도가 높은 층이므로 치밀한 구조를 만들기 위하여 약 1300oC에서 소결공정을 거치게 된다. 소결공정 이후 냉각과정에서 Si와 SiO2의 열팽창율 차이 때문에 잔류응력이 발생된다. 실리카 외에 광소자 제작을 위해 사용하는 다른 종류의 막들도 정도의 차이는 있지만 막내에 잔류응력이 존재한다.
잔류응력은 막의 수직방향과 수평방향의 크기가 다르고 따라서 응력을 받은 부분의 광도파로는 수직방향과 수평방향의 밀도가 달라져 복굴절이 발생하게 된다. 복굴절에 의해 광소자의 편광의존성이 발생되고 소자의 성능이 저하된다.
이러한 복굴절 문제를 해결하기 위하여 (1)응력을 해소하는 홈(Groove)을 도파로 사이사이에 만들거나 (2)웨이퍼와 막사이에 발생하는 응력에 대응하는 상쇄응력을 발생시킬 수 있는 막을 다시 증착하는 방법 (3)Half wave plate를 삽입하여 TM모드와 TE모드를 전환시켜 복굴절을 해소하는 방법이 사용되고 있다.
(1)응력을 해소하는 홈(Groove)을 도파로 사이에 만드는 방법은 플라즈마 건식식각을 이용하고 있으나 이 방법을 이용하여 잔류응력 조절용 골을 만들 경우 수십 마이크로미터의 실리카층을 식각해야 한다는 공정상의 어려움이 있다.
(2)웨이퍼와 막사이에 발생하는 응력에 대응하는 상쇄응력을 발생시킬 수 있는 막을 다시 증착하는 방법은 비정질 실리콘을 증착하여 응력상쇄층을 만드는 것인데 정확한 크기와 두께를 가지는 상쇄층을 만드는 것에 어려움이 있다.
(3)반파 플레이트(Half wave plate)를 삽입하여 TM모드와 TE모드를 전환시켜 복굴절을 해소하는 방법은 반파 플레이트(Half wave plate)를 도파로 가운데 넣기 위해서는 도파로의 정밀한 절단, 필터의 삽입, 에폭시를 이용한 고정등 여러 단계의 수동적인 공정을 요하고 있다. 즉 작업의 정밀도가 요구되고 장비를 이용한 자동화가 힘들기 때문에 효율면에서 떨어지는 방법이다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 종래의 소자제작공정이전에 화염가수분해증착법으로 버퍼층을 증착하여 잔류응력에 의한 복굴절을 감소시키는 광도파로 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 광도파로의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 광도파로의 단면을 도시한 것이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201....웨이퍼 202....버퍼층
203....하부클래딩층 204....코아층
205....상부클래딩층
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 위한 광도파로는 웨이퍼위에 형성된 하부클래딩층, 상기 하부클래딩층위에 형성된 코아층 및 상기 코아층위에 형성된 상부클래딩층으로 이루어진 광도파로에 있어서, 상기 웨이퍼와 상기 하부클래딩층사이에 잔류응력에 의한 복굴절을 줄이는 버퍼층을 더 구비함을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 위한 광도파로 제작방법은 웨이퍼위에 화염가수분해증착에 의해 증착된 실리카막으로 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층위에 하부 클래딩층을 형성하는 단계; 상기 하부 클래딩층위에 광도파로 패턴에 따른 코아층을 형성하는 단계; 상기 코아층위에 상부클래딩층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 광도파로의 단면을 도시한 것으로, 웨이퍼(201), 버퍼층(202), 하부클래딩층(203), 코아층(204) 및 상부클래딩층(205)으로 이루어진다.
본 발명은 먼저 웨이퍼(201)위에 FHD법에 의해 실리카 버퍼층(202)을 증착하고 이 버퍼층(202)위에 하부클래딩층(203)을 형성하고, 하부 클래딩층(203)위에 광도파로 패턴에 따른 코아층(204)을 형성하며, 코아층(204)위에 상부클래딩층(205)을 형성한다.
이러한 본 발명에 의한 광도파로는 기존과 동일한 구조의 소자 제작공정 초기에 버퍼층(202)를 웨이퍼(201)위에 증착함으로써 박막 증착과 동시에 응력을 감소시켜 복굴절을 줄일 수 있다.
광도파로에 존재하는 잔류응력은 웨이퍼(201)와 박막의 열팽창률 차에 의해 소결후 냉각과정에서 야기된다. 이러한 응력현상은 웨이퍼(201)와 하부클래딩층(203)의 박막사이에서 가장 크게 나타난다.
응력∝Δα×ΔT (α: 열팽창계수, T: 온도)
응력을 감소시키기 위해서는 웨이퍼(201)와 박막의 열팽창율 차(Δα)를 줄이거나 응력이 발생하기 시작하는 온도를 낮추어야 한다.
열팽창율이 다른 웨이퍼(201)와 하부클래딩층(203)사이에 첨가불순물의 함량이 많은 버퍼층(202)을 둘 경우 실리카막의 고밀화 후 냉각과정에서 웨이퍼(201)와 하부클래딩층(203)의 수축정도가 다르더라도 그 사이에 존재하는 버퍼층(202)이 유동성이 있으면 웨이퍼(201)와 하부클래딩층(203)이 서로 영향을 주지 않고 자유롭게 수축되기 때문에 응력이 발생되지 않는다. 그러므로 버퍼층(202)이 유동성을 상실하는 온도를 낮출수록 웨이퍼와 박막간의 열팽창율의 차로부터 야기되는 응력을 더 줄일 수 있다. 박막에 걸리는 응력과 복굴절은 아래식과 같은 관계를 갖는다.
복굴절(Birefringence) = nTE-nTM= n3(p11-p12)σ/2
이때 p는 광탄성계수를 의미한다.
수학식 2로부터 박막에 걸리는 응력이 복굴절에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
본 발명의 핵심인 버퍼층(202)은 FHD법으로 증착된 실리카막으로써 첨가된 불순물의 함량이 많을수록 유동성을 상실하는 온도가 낮아지고 열팽창율 또한 증가되기 때문에 버퍼층(202)내의 불순물 종류 및 함량을 적절히 조절하면 상부에 있는실리카막의 응력을 최소화 할 수 있다. 이러한 간단한 방법을 통해 복굴절이 감소한 광소자를 제작할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존의 소자제작공정을 변화시키지않고 단지 초기에 버퍼층을 웨이퍼위에 증착하는 단계를 추가함으로써 복굴절을 감소시킬 수 있으며, 또한 버퍼층내의 불순물의 종류 및 불순물의 함량을 조절함으로써 응력을 조절할 수 있다.

Claims (2)

  1. 웨이퍼위에 형성된 하부클래딩층, 상기 하부클래딩층위에 형성된 코아층 및 상기 코아층위에 형성된 상부클래딩층으로 이루어진 광도파로에 있어서,
    상기 웨이퍼와 상기 하부클래딩층사이에 잔류응력에 의한 복굴절을 줄이기 위하여 화염가수분해증착(FHD)에 의해 증착된 실리카막으로 형성된 버퍼층을 더 구비하고, 상기 버퍼층은
    상기 실리카막에 첨가된 불순물의 종류 및 불순물의 함량에 따라 응력이 조절됨을 특징으로 하는 광도파로.
  2. 웨이퍼위에 화염가수분해증착에 의해 증착된 실리카막으로 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층위에 하부 클래딩층을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래딩층위에 광도파로 패턴에 따른 코아층을 형성하는 단계;
    상기 코아층위에 상부클래딩층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제작방법.
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