KR100342479B1 - 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자에 관한 것으로서, 개시된 폴리머 광학소자는 기판과, 상기 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되는 폴리머 광학소자에 있어서, 15×10-6/℃이상의 열팽창계수를 갖는 스테인레스 재질의 기판; 및 30×10-6/℃이상의 열팽창계수를 가지며, 상기 스테인레스 재질의 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되어 열팽창계수차로 인한 응력생성을 최소화한다.
Description
본 발명은 평면 광도파로(PLC:Planar Light Waveguide Circuit) 제작기술을 이용한 통신용 폴리머 광학소자 제작방법에 관한 것으로서, 특히 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자에 관한 것이다.
현재까지 광도파로 재질로 사용되는 광도파 매개체는 주로 실리카(silica)와 폴리머(polymer)가 일반적으로 사용되고 있다. 폴리머를 광도파 매개체로 사용한 광도파로 제작공정이 도 1a 내지 도 1f에 보여지고 있다. 도 1a, 도 1b는 스핀 코팅(spin coating)기술을 이용하여 기판(10)(substrate)위에 폴리머 즉, 클래드(12)(clad)층과 코아(14)(core)층 형성단계를 나타낸다. 다음으로, 도 1c는 포토리쏘그라피(photolithgraph) 공정을 이용하여 폴리머층 상에 포토레지스트 층(16)(photoresist layer)을 형성하고, 이어서 마스크(18)를 이용하여 자외선(UV light)을 조사함으로서 생성되는 패턴(pattern) 형성단계를 나타낸다. 도 1d는 플라즈마(plazma)를 쐬여 폴리머층(14) 식각단계를 나타낸다. 도 1e는 클래드층(12)상에 패턴층(20) 형성단계를 나타낸다. 도 1e는 패턴층(20)위에 클래드층(22) 형성단계를 나타낸다.
상기와 같이 종래의 평면 광도파로와 같은 광학 소자의 제작을 위해서는 우선 기판위에 광도파 매개체를 코팅하는 공정이 필요하며, 종래에는 주로 실리콘 웨이퍼가 사용되었다. 실리콘 웨이퍼는 기존의 표준 집적회로 공정장비에서 적용이 용이하여 양질의 표면상태를 갖는 장점이 있다.
그러나, 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용한 폴리머 광학 소자 제작시, 실리콘 기판(silicon substrate)과 폴리머 재질간의 다른 물성, 특히 열팽창(coefficent of thermal expansion)계수차로 인한 응력(stress) 발생으로 인해 제작공정시 여러 가지 문제를 야기한다. 즉, 일반적인 폴리머 광도파로 제작공정은 솔벤트를 함유한 용액상태의 폴리머를 기판위에 코팅하여 일련의 열처리 과정을 거친다. 이때, 열처리 과정중 폴리머와 기판간의 열팽창계수차로 인해 냉각시 응력이 발생한다. 도 2는 실리콘 기판위에 폴리머를 코팅한 후, 폴리이미아드(polyimide) 반응을 위한 열처리시 승온 및 냉각과정에서 폴리머와 기판에 작용하는 응력변화를 보여주는 그래프이다. 도2의 그래프에서 A, B, C구간은 승온 단계이고, D구간은 냉각 단계이다.
도 2에서 A구간(상온∼100℃)은 실리콘 기판위에 코팅된 폴리머 재료내 솔벤트(solvent)의 기화에 의한 수축행동(shirinkage behavior)과 이에 따른 응력발생단계를 나타낸다.
B구간(100∼200℃)은 온도증가에 따라 기판에 비해 폴리머의 팽창정도가 높으며, 또한, 폴리머의 유동성이 증가하면서 기판과 폴리머간의 응력이 온도증가에 따라 감소되다가, 200℃부근에서 폴리이마이드(polyimide) 반응에 의해 물분자등이 이탈되면서 수축행동을 일으켜 일정적으로 응력이 증가하는 단계를 나타낸다.
C구간(200∼370℃)은 온도 증가에 따른 계속적인 폴리머의 팽창과 유동성 증가로 잔류응력 해소단계를 나타낸다. 다시 말하면, 기판과 폴리머 각각의 고유 열팽창계수값에 따라 팽창된 상태를 나타낸다.
D구간(냉각단계)은 냉각식 팽창했던 재료의 수축과 각각의 열팽팡 계수값의차로 인한 응력발생단계를 나타낸다.
상기와 같은 단계별로 발생하는 응력으로 인해 야기되는 문제점은 다음과 같다.
첫 번째로, 폴리머의 수축력에 의한 기판의 휨현상이 발생된다. 패턴 전사를 위한 포토리쏘그라피 공정시, 기판과 마스크간의 밀착 저화로 미세패턴에 대한 정확한 전사에 어려움을 야기시킨다.
두 번째로, 식각시 폴리머 재료의 균열(crack) 발생과, 이로 인한 디바이스 특성이 저화된다. 인장 응력이 작용하는 폴리머위에 건식 식각시 플라즈마등의 물리적인 힘에 의한 갈라짐이 발생한다.
세 번째로, 다이싱 및 폴리싱시, 실리콘 기판과 폴리머의 잔류 응력으로 인한 폴리머 재료의 기판으로부터 이탈 및 채널 간격변화를 야기시킨다.
네 번째로, 광섬유 블럭과의 수동정렬시, 광도파로 채널간의 간격과 광섬유 블럭과의 간격차로 인한 정렬오차가 발생하며, 이로 인한 광 특성이 저화되는 문제가 있다.
상기한 문제점들은 결국은 광학 소자의 성능에 치명적인 영향을 초래하며, 신뢰성있는 소자제작을 위한 공정확보를 어렵게 한다.
상기 종래 기술의 문제점은 실리콘 기판위에 코팅된 폴리머의 열경화시 두 재료간의 열특성차에 의한 문제, 특히 열팽창 계수차에 의한 문제로 이를 최소화함으로서 근본적인 해결이 가능하다. 광도파 매개체로 사용되는 폴리머 재료는 합성방법과 재료에 따라 여러가지 다양한 열팽창 계수를 갖지만, 일반적으로 40∼50×10-6/℃정도의 높은 열팽창계수를 갖는다. 반면, 실리콘 기판의 경우에는 폴리머 재료에 비해 상당히 낮은 3×10-6/℃의 열팽창계수를 갖는다. 따라서, 종래에서 발생하는 문제해결 방안으로 기판의 열팽창계수에 근접한 낮은 열팽창계수를 갖는 폴리머재료를 개발하는 방법과 기판의 열팽창계수가 폴리머 재료와 비슷한 높은 열팽창계수를 갖는 기판을 사용하는 방법이 제시되고 있다. 본 발명에서는 폴리머의 열팽창계수에 따라 폴리머에 근접하거나 동일한 열팽창계수값을 가지는 재질의 기판을 사용함으로서, 열팽창계수차로 인한 응력을 최소화는데 기술적 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판과 폴리머 재질간의 열팽창계수차이를 최소화함으로서, 생성될 수 있는 응력을 극소화하여 후공정인 에칭 및 패키징등의 공정을 안정화할 수 있는 폴리머 광학소자를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 기판과, 상기 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되는 폴리머 광학소자에 있어서,
15×10-6/℃이상의 열팽창계수를 갖는 스테인레스 재질의 기판; 및
30×10-6/℃이상의 열팽창계수를 가지며, 상기 스테인레스 재질의 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되어 열팽창계수차로 인한 응력생성을 최소화한다.
또한, 본 발명은 기판과, 상기 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되는 폴리머광학소자에 있어서,
15×10-6/℃이상의 열팽창계수를 갖는 알류미늄합금 재질의 기판; 및
30×10-6/℃이상의 열팽창계수를 가지며, 상기 알루미늄합금 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되어 열팽창계수차로 인한 응력생성을 최소화한다.
도 1a 내지 도 1f는 평면 광도파로 공정을 단계별로 나타내는 도면.
도 2는 실리콘 기판위에 폴리머를 코팅한 후, 폴리이마이드 반응을 위한 열처리시 승온 및 냉각과정에서 폴리머와 기판에 작용하는 응력변화를 나타내는 그래프.
도 3a, 도 3b는 열처리 후 열팽창계수에 따른 기판의 곡률변화와 응력상태를 나타내는 도면.
도 4는 기판위에 기판보다 열처리 열팽창계수가 높은 폴리머를 코팅한 후 열처리한 경우에 발생하는 균열현상을 나타내는 도면.
도 5는 동일 폴리머를 실리콘 기판과 스테일레스기판에 코팅하여 동일조건에서 열처리과정을 거친 후 온도변화에 따른 응력변화를 측정한 그래프.
도 6a 내지 도 6e는 열처리 과정중 기판과 폴리머의 열팽창계수에 따라 열처리 구간별로 생성되는 기판의 곡률변화와 응력상태를 나타내는 도면.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명은 기존에 일반적으로 사용된 실리콘 기판과는 달리, 사용되는 폴리머 재료의 열팽창계수와 동일하거나 근접한 열팽창계수를 갖는 기판을 선택하여 기판과 광도파 매개체간의 응력을 최소화한 폴리머 광도파로를 제작하는 것을 요지로 하고 있다.
일반적으로 폴리머 평면 광도파로 제작을 위해서는 우선 폴리머 재료를 코팅하기 위한 기판이 이용되며, 코팅된 폴리머가 원하는 광특성을 갖게 하기 위한 일련의 열처리 과정이 필요하다. 열처리 과정을 마친 폴리머는 포토리쏘그라피 공정 및 식각공정을 통한 패턴형성과정등을 거치며, 다이싱, 폴리싱 및 광섬유 블럭연결등의 패키징 공정 후 주변환경에 대한 신뢰성 테스트를 통해 하나의 소자로 완성된다.
본 발명은 상기 과정중 폴리머막 형성을 위한 열처리 과정에서 생성되는 응력을 최소화하기 위한 광학 소자를 제공하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이를 통해 후 공정인 패턴형성과정, 패키징 과정에서 생성되는 문제점을 최소화하여 신뢰성있는 소자제작을 하기 위함이다. 도 3a, 도 3b는 열처리 후 열팽창계수에 따른 기판의 곡률변화와 응력상태를 도시한 내용이다.
도 3a, 도 3b에 도시된 바와같이, 열처리시 폴리머와 기판은 각각 고유 열팽창 계수에 따라서 팽창 및 수축을 한다. 이때, 폴리머와 기판의 열팽창계수가 동일한 경우에는 응력이 생성되지 않지만, 폴리머와 기판의 열팽창계수가 동일하지 않을 경우에는 둘간에 응력이 생성된다. 도 3a에 도시된 바와같이, 상기 기판(S)의 열팽창계수(CTES)가 폴리머(P)의 열팽창계수(CTEP)보다 낮은 경우, 기판(S)에는 압축 응력이, 폴리머(P)에는 인장응력이 작용하며, 도 3b에 도시된 바와같이, 반대로 폴리머(P)의 열팽창계수(CTEP)에 비해 기판(S)의 열팽창계수(CTES)가 높은 경우, 폴리머(P)에는 압축 응력이, 기판(S)에는 인장 응력이 작용한다.
이러한 응력 상태를 보여주는 이유는 두 재료가 갖고 있는 고유 열팽창계수의 차이 때문이다. 즉, 승온과정에서 폴리머(P)와 기판(S)은 각각 다른 팽창정도를 보이다가, 상온으로 냉각시 각각의 고유 열팽창계수에 따라 다른 양의 수축을 한다. 이때, 폴리머(P)의 열팽창계수(CTEP)보다 기판(S)의 열팽창계수(CTES)가 큰 경우에는 폴리머(P)보다 기판(S)의 수축이 많이 일어나서, 폴리머(P)에는 압축 응력이, 기판(S)에는 인장 응력이 작용한다. 이에 반해 폴리머(P)가 기판(S)보다 열팽창계수가 높은 경우에는 기판(S) 보다 폴리머(P)의 수축이 많이 일어나 기판(S)에는 압축 응력이, 폴리머(P) 자체는 인장 응력이 가해진다.
일반적으로 폴리머(P)는 기판(S)에 비해 열팽창계수가 높은 후자의 경우이며, 건식 식각 시, 폴리머(P)에 작용하는 인장 응력에 의해 균열 현상이 발생한다.
도 4는 기판(S)위에 기판(S)보다 열팽창계수가 높은 폴리머(P)를 코팅한 후, 열처리 한 경우, 즉 인장력이 작용하는 폴리머(P)막에 플라즈마를 이용한 식각시 발생하는 균열(C) 현상을 도시한 것이다. 이때, 인장력의 정도에 따라서 균열(C) 현상없이 식각할 수 있는 최대 깊이가 결정될 수 있다.
도 5는 동일 폴리머를 실리콘 기판과 스테인레스 기판위에 코팅하여, 동일 조건에서 열처리과정을 거친 후, 온도 변화에 따른 응력 변화를 측정한 그래프로서, 냉각시 응력변화양상의 차이를 볼 수 있다. 냉각시 실리콘 기판을 사용할 경우와는 달리 스테인레스 기판을 사용할 경우 응력이 증가하는 기울기가 현저히 감소된 양상을 볼 수 있다. 이는 기판과 폴리머가 각각의 고유 열팽창계수값에 따라 팽창되어 있는 상태에서, 상온으로 냉각시 열팽창계수가 낮은 실리콘 기판은 적은 수축을 하는데 반해, 높은 열팽창계수를 갖는 폴리머는 기판에 비해 더 많은 수축으로 높은 최종잔류 응력값을 보이며, 이에 반해 스테인레스 기판은 폴리머와 근접한 열팽창계수를 갖고 있으므로, 냉각시 기판과 수축정도가 비슷하여 최종 응력값이 감소하기 때문이다.
도 6a 내지 도6e는 상기 열처리 과정중, 기판과 폴리머의 열팽창계수에 따라 열처리 구간별로 생성되는 기판의 곡률변화와 응력상태를 도시한 것이다. 도 6a는 상온∼100℃사이의 승온 단계에서 솔벤트(solvent) 기화단계를 나타내는 도면이다.이어서, 도 6b는 100∼200℃사이의 승온 단계에서 솔벤트 기화에 의한 폴리머(P) 수축과, 이로 인한 기판(S)의 휨 발생 및 폴리머(P)의 인장응력 증가 단계를 나타내는 도면이다. 이이서, 도 6c는 200∼370℃사이의 승온 단계에서 기판(S)과 폴리머(P)를 나타내는 도면이다. 이때, 도 6d는 폴리머(P)의 열팽창계수(CTEP)가 기판(S)의 열팽창계수보다 큰 경우, 370℃∼상온사이의 냉각 단계에서 폴리머(P)의 팽창을 나타내는 도면이고, 도 6e는 폴리머(P)의 열팽창계수와 기판(S)의 열팽창계수(CTES)가 같은 경우, 370℃∼상온까지의 냉각 단계에서 초기상태와 거의 동일하게 복원된 폴리머(P)와 기판(S)을 나타낸다.
이때, 생성된 최종응력값은 후공정인 식각 및 패키징작업시 이미 상술한 기존 문제들을 야기시킨다. 한편, 도 6e에 도시된 바와같이 폴리머와 기판의 열팽창계수가 거의 같은 경우에는 수축이나 팽창같은 유동성이 발생되지 않는다.
표 1은 본 실험에 사용된 기판과 폴리머의 열팽창계수값의 차와 갈라짐 현상(crack)없이 식각할 수 있는 최대 깊이와의 관계를 보여준다. 표 1에 보여진 바와같이, 열팽창계수값의 차이가 작을 수록 최대 식각깊이가 증가하는 사실을 알 수 있다. 본 발명에 따라서 폴리머의 열팽창계수가 30×10-6/℃일 경우, 고 열창계수의 기판은 스테인레스 재질이나 알루미늄합금 재질의 기판이 가장 바람직하다.
[표 1]
| 기판 | 기판과 폴리머 재료간의 열팽창계수 차 | 열팽창계수(×10-6/℃) | 균열 없는 최대 에칭 깊이(㎛) |
| 폴리머 | 0 | 45 | |
| 실리콘(Si) | 93% | 3 | 2.8 |
| 파이렉스(Pyrex) | 93% | 3 | 2.8 |
| 유리(sodalime) | 80% | 9 | |
| 스테인레스(SUS) | 60% | 17-18 | 6.0 |
| 알루미늄 합금(듀랄루민) | 44% | 25 |
상기 표 1에 보여진 결과로서, 폴리머의 열팽창계수를 고려하여 기판은 스테인레스 재질이나 알루미늄 합금이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다. 상기 표 1에서 스테인레스(stainless) 기판은 철(Fe)을 주성분으로, 크롬(Cr)의 함량이 0∼25%, 니켈(Ni)이 0∼15%범위인 함량을 갖는다. 또한, 알루미늄합금(두랄류민)의 기판은 알루미늄(Al)을 주성분(90%이상)으로, 구리(Cu)의 함량이 0∼7%, 마그네슘 (Mg)이 0∼6%, 그리고 아연(Zn)의 함량이 0∼6%이다.
결과적으로, 종래의 실리콘 기판을 사용한 폴리머 광학 소자 제작의 경우, 실리콘 기판위에 폴리머 코팅후, 열처리과정에서 열팽창계수차로 인해 생성되는 응력발생은 다음 공정인 포토리쏘그라피, 식각 및 패키징에 치명적인 문제를 야기시켜 신뢰성있는 소자제작을 불가능하게 하는 가장 큰 문제점으로 작용하고 있으므로, 도 6e에 도시된 바와같이, 본 발명은 공정상 문제점 발생의 근본적인 원인인 응력을 제거하기 위해 폴리머와 열팽창계수차가 작은 기판 즉, 스테인레스 기판이나 알루미늄합금 기판을 사용함으로서, 근본적인 문제를 해결할 수 있었다. 즉, 온도변화에 따른 열팽창 정도가 동일하거나 근접한 기판과 폴리머를 사용함으로서, 응력이 제거되거나 최소화된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함을 당해분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
이상으로 살펴본 바와같이, 본 발명은 열처리 후 냉각시 폴리머와 기판의 수축정도의 차로 인해 발생되는 기판의 휨문제를 해결하여 다음 공정인 포토리쏘그라피 공정시 정확한 패턴 전사를 가능케 하는 효과를 달성하였다. 또한, 건식 식각시 갈라짐 발생을 유발하는 주 요인인, 폴리머에 작용하는 인장력을 제거하여 갈라짐없이 원하는 깊이의 식각을 가능케하여 다양한 타입의 광도파로를 제작할 수 있게 되었다. 또한, 패키징 작업을 위한 다이싱 및 폴리싱 작업시 기판과 폴리머에 잔류하고 있는 응력으로 인해 폴리머막이 기판에서 이탈되어 채널간의 간격을 변화시키는 문제에 대한 해결이 가능하다. 즉, 광섬유 블럭의 간격과 도파로의 채널간 간격을 동일하게 유지함으로서, 수동정열을 효과적으로 할 수 있어 소자제작에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으며, 온도 및 습도등의 외부환경에 신뢰성있는 소자제작이 가능케 한다.
Claims (8)
- 기판과, 상기 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되는 폴리머 광학소자에 있어서,15×10-6/℃이상의 열팽창계수를 갖는 스테인레스 재질의 기판; 및30×10-6/℃이상의 열팽창계수를 가지며, 상기 스테인레스 재질의 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되어 열팽창계수차로 인한 응력생성을 최소화한 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자.
- 삭제
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- 제1항에 있어서, 상기 스테인레스 기판은 철을 주성분으로, 크롬의 함량이 0∼25%, 니켈이 0∼15%범위의 함량으로 구성된 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자.
- 기판과, 상기 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되는 폴리머 광학소자에 있어서,15×10-6/℃이상의 열팽창계수를 갖는 알류미늄합금 재질의 기판; 및30×10-6/℃이상의 열팽창계수를 가지며, 상기 알루미늄합금 기판상에 코팅되는 폴리머로 구성되어 열팽창계수차로 인한 응력생성을 최소화한 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자.
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- 제5항에 있어서, 상기 알루미늄합금 기판이 알루미늄을 주성분으로, 구리의 함량이 0∼7%, 마그네슘이 0∼6%, 아연의 함량이 0∼6%인 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자.
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| KR1019990062710A KR100342479B1 (ko) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019990062710A KR100342479B1 (ko) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20010060443A KR20010060443A (ko) | 2001-07-07 |
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| KR1019990062710A KR100342479B1 (ko) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 고 열팽창계수의 기판을 사용한 폴리머 광학소자 |
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1999
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