KR100377186B1 - 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 제조방법 - Google Patents

폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

폴리머 도파로 패턴 제작시 건식식각 마스크로써 SiNx 박막을 이용한 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광소자의 제조방법이 개시된다. 제안된 광소자는 Si 기판 위에 폴리머 물질을 이용하여 도파 박막을 제작하고 SiNx 박막을 이용하여 도파로열 패턴을 제작하여 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광소자를 제작한다. 본 발명에서 제안된 도파로 패턴 제작을 위한 건식식각시 SiNx 식각 마스크를 이용하면 미세한 도파로열 패턴 제작이 가능하고 도파로 측면 패턴이 매우 균일하여 도파손실을 최소화 할 수 있으며 4 마이크론 이상의 큰 식각이 가능하고, 크랙(Crack) 등이 발생하지 않아 제작한 폴리머 광소자의 성능을 향상 시킬 수 있다.

Description

폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 제조방법 {Fabrication method of polymeric arrayed waveguide grating wavelength multiplexer /demultiplexer}
본 발명은 폴리머 도파로 패턴 제작시 건식식각 마스크로써 SiNx 박막을 이용한 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광소자 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 도파로 패턴이 가능하고 광 도파손실 특성이 향상되는 폴리머 도파로열 격자 파장다중/역다중 광소자의 제작방법에 관한 것이다.
도파로열 격자를 이용한 파장 분할 다중화기, 역다중화기 및 라우터의 기능을 갖는 광도파로는 파장분할 다중화 방식 (Wavelength Division multiplexing :WDM)의 광통신 시스템을 구성하기 위한 필수적인 광소자이다. 종래의 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광도파로 소자를 제작하기 위한 방법으로 도파로 패턴 식각을 위한 식각 마스크로써 금속 마스크 또는 폴리머 감광막, 실리콘 함유 감광막 등을 사용하였다.
그러나, 이들 식각 마스크 중 금속마스크는 제작된 도파로 패턴이 불균일하고, 폴리머 감광막 마스크는 4 마이크론 이상의 식각이 불가능하며 실리콘 함유 감광막은 미세한 도파로열 패턴 제작시 미세 패턴 영역에서 crack이 발생하는 등의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 폴리머 물질을 사용함에 따른 제작 공정을 단순화하고, 건식식각 마스크로서 실리콘 나이트라이드 박막을 사용함으로써 소자의 삽입 손실과 누화율을 감소시킬 수 있는 폴리머 도파로열 광 소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 개략도,
도 2a∼2c는 본 발명에 의한 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정단면도,
도 3a은 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 입출력단 광도파로(9) 구조를 도시한 단면도,
도 3b는 도 3a의 단면 전자현미경 사진,
도 4a는 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 input slab과 AWG 영역의 표면 광학현미경 사진,
도 4b는 폴리머 도파로영 격자 파장 다중/역다중 광소자의 output slab과 AWG 영역의 표면 광학현미경 사진,
도 5는 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 TE 모드 삽입손실 스펙드라이다.
<도면의 주요 부분에 대한 기호 설명>
20 ; Si 기판 22 ; 하부 클래드층(PFCB)
24 ; 코아층(FPEK) 26 ; SiNx 층
28 ; 상부 클래드층(PFCB)
11a, 11b ; 입/출력단 도파로 영역
13a, 13b ; 입/출력단 슬랩(slab) 도파로 영역
15 ; 도파로 열 격자 (arrayed waveguide grating) 영역
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광 소자를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판 상에 폴리머 도파로 하부 클래드층과 폴리머 도파로 코아층을 순차적으로 도포하는 단계와, 상기 결과물 상에 SiNx 또는 SiO2물질을 사용한 식각 마스크용 절연막 패턴을 형성하는 단계, 상기 절연막 패턴을 건식 식각 마스크로 이용하여 상기 폴리머 코아층의 일부를 식각하여 폴리머 도파로 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 결과물 상에 폴리머 도파로 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 폴리머 도파로 패턴 제작을 위한 절연막 패턴은, SiNx, 및 SiO2중의 어느 하나의 물질로 이루어진 식각 마스크를 사용하며, 이들 절연막 패턴의 두께는, 대략 0.1∼1㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 도파로 패턴 제작을 위한 건식식각시 SiNx 식각 마스크를 이용하면 미세한 도파로열 패턴 제작이 가능하고, 도파로 측면 패턴이 매우 균일하여 도파손실을 최소화 할 수 있으며, 4 마이크론 이상의 큰 식각과 crack 등이 발생하지 않아 제작한 폴리머 광소자의 성능을 향상 시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 폴리머 도파로 패턴 제작시 건식식각 마스크로써 SiNx 박막을 이용한 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광소자 제작방법에 관한 것으로써, Si 기판 위에 폴리머 물질을 이용하여 도파 박막을 제작하고 SiNx 박막을 이용하여 도파로열 패턴을 제작하여 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광소자를 제작한다.
도파로 열 격자을 이용한 파장분할을 이루게 하는 광도파로 소자의 구성은 도 1의 개략도에 도시한 바와 같이, 입/출력 도파로(Input/Output Waveguide)(11a, 11b)와 두개의 평판도파로(Input/Output Slab)(13a, 13b) 및 도파로열 격자(Arrayed Waveguide)(15)로 구성된다.
상기 입/출력 도파로(11a, 11b)는 1xN , Nx1 또는 NxN으로 구성되어 입력 광신호의 다중화, 역다중화의 기능을 하게 되고, 입/출력 각 도파로(11a, 11b) 사이에 상호간 신호의 연결이 규칙적으로 가능한 라우터의 기능을 갖는다. 상기 입력도파로(11a)를 통해 들어온 광 신호는 입력 평판 도파로(13a)에서 퍼져나가 도파로열 격자(15)에 여기된다. 도파로열 격자(15)는 두개의 평판도파로 사이에 정렬되어 신호를 전달한다. 상기 도파로열 격자(15)의 이웃하는 도파로들은 일정한 길이 차이를 나게 하여 입력 파장에 따른 인접한 도파로간의 위상 변위차를 일으키며, 이는 출력 평판도파로(13b)에서 집속되는 광신호의 방향에 영향을 미친다. 따라서 같은 입력단자에서 여기된 다른 파장의 신호는 파장에 따라 다른 출력단자로 전달된다.
종래의 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중화 광도파로 소자를 제작하기 위한 방법으로 도파로 패턴 식각을 위한 식각 마스크로써 금속 마스크 또는 폴리머 감광막, 실리콘 함유 감광막 등을 사용하였다. 그러나, 이들 식각 마스크 중 금속마스크는 제작된 도파로 패턴이 불균일하고, 폴리머 감광막 마스크는 4 마이크론 이상의 식각이 불가능하며, 실리콘 함유 감광막은 미세한 도파로열 패턴 제작시 미세 패턴 영역에서 크랙(crack)이 발생하는 등의 문제점이 있다.
본 발명에서 제안된 도파로 패턴 제작을 위한 건식 식각시 절연막 마스크 예를 들면, SiNx 또는 SiOx 식각 마스크를 이용하면 미세한 도파로열 패턴 제작이 가능하고, 도파로 측면 패턴이 매우 균일하여 도파손실을 최소화 할 수 있으며, 4 마이크론 이상의 큰 식각과 크랙 등이 발생하지 않아 제작한 폴리머 광소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 의한 폴리머 도파로 패턴 제작 과정을 단계별로 순차적으로 도시한 공정단면도로서, 기본적인 폴리머 파장분할 광소자의 구조는반도체 기판(20), 폴리머로 이루어진 도파로 하부 클래드층(22), 도파로 코아층(24), 및 도파로 상부 클래드층(28)으로 구성된다.
도 2a를 참조하면, 먼저 (100) 방향성을 가진 Si 기판(20) 위에 스핀 코팅 방법으로 하부 쿨래드층(22)으로 PFCB(perfluorinated cyclobutane) 폴리머 물질을 8㎛ 코팅한 후, 핫 플레이트(hot plate)에서 약 250℃의 온도로 대략 3시간 동안 베이킹(baking)을 실시한다. 이후, 도파로 코아층(24)으로 FPEK(fluorinated poly(ether ketone)) 물질을 4㎛ 두께로 코팅 후, 250℃, 3시간 동안 베이킹(baking)을 실시한다.
도 2b를 참조하면, 광도파로 패턴을 제작하기 위하여 PECVD 장비를 이용하여 0.2㎛ 두께의 SiNx 또는 SiOx 박막(26)을 전면에 증착하고 광식각 기술과 산소 개스를 이용한 플라즈마 건식 식각 기술을 이용하여 폴리머 도파로 패턴(24a)을 제작한다.
이때, 제작된 폴리머 도파로 패턴의 폭과 식각 깊이는 각각 6㎛과 1.8㎛로 제작한다.
도 2c를 참조하면, BOE(buffered oxide etchant) (6:1) 용액을 이용하여 SiNx 패턴(26)을 제거한 후, 폴리머 상부 클래드층(28)으로 PFCB(perfluorinated cyclobutane) 폴리머 물질을 대략 8㎛ 코팅 후, 핫 플레이트(hot plate)에서 250℃의 온도에서 3시간 동안 베이킹(baking)을 실시한다. 마지막으로, 광파의 입출력을 위한 단면 형성을 위해 단면 절개법 (cleaving) 이나 단면 연마 방법 (polishing) 을 이용하면 소자의 제작이 완료 된다.
상기 방법으로 제작된 1x8 폴리머 광도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 크기는 40x15 mm2 이었다.
도 3a 및 도 3b는 입/출력단 광도파로의 단면 구조 및 제작된 광도파로의 단면 전자 현미경 사진을 각각 나타낸다.
상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안한 건식식각 마스크로써 SiNx 박막을 사용한 경우, 식각한 도파로의 측면 패턴 및 도파로 평면의 식각 후 거칠기가 매우 매끄러움을 알 수 있으며, SiNx 박막 제거 후 도파로 상부면에 잔류 박막이 없음을 확인 할 수 있다. 이러한 도파로 패턴 제작 후 표면 형상은 광도파로 도파 손실에 큰 영향을 미치는 요소로서, 본 발명에서 제안한 SiNx 식각마스크를 사용한 경우 낮은 광도파 손실을 얻을 수 있다. 이러한 도파로 구조에서 얻어진 도파 광손실은 0.5 dB/cm 이었다.
도 4a 및 도 4b는 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광 소자 제작 시, 소자 특성에 가장 큰 영향을 미치는 영역인 입/출력단 slab 도파로와(13a, 13b)와 도파로 열 격자(AWG)(15) 영역의 광학현미경 사진을 각각 나타낸다.
상기 도면에서 쉽게 알 수 있는 바와같이, SiNx 식각 마스크를 사용함에 따라 식각 후 경사 도파로 폭이 1㎛ 이내로 매우 미세한 패턴이 용이하게 얻어짐을 알 수 있다.
한편, 도 5는 전술한 방법을 통하여 제작된 1x8 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자의 각 채널의 삽입손실 특성을 보여준다. TE 도파모드에서 전체 채널의 파워 균일도는 1dB 이하였고, 최소 손실은 7 dB 이었다. 채널간 누화율은 -25 dB 이었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 폴리머 도파로 패턴 제작을 위한 건식식각 시 SiNx 식각 마스크를 이용하여 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자를 제작하면 미세한 도파로열 패턴 제작이 가능하고, 도파로 측면 패턴이 매우 균일하여 도파손실을 최소화 할 수 있으며, 4 마이크론 이상의 큰 식각이 가능하고, crack 등이 발생하지 않아 제작한 폴리머 광소자의 성능을 향상 시킬 수 있다.
또한, SiNx 식각 마스크의 제거가 용이하여 식각 후 식각 마스크의 잔류물질이 남지 않아 도파로의 광손실을 줄일 수 있는 장점을 지닌다. 이러한 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광소자는 파장분할 광통신 시스템의 광신호 처리 등에 응용된다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 폴리머 도파로열 격자 파장 다중/역다중 광 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    반도체 기판 상에 폴리머 도파로 하부 클래드층과 폴리머 도파로 코아층을 순차적으로 도포하는 단계;
    상기 결과물 상에 SiNx 또는 SiO2물질을 사용한 식각 마스크용 절연막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 절연막 패턴을 건식 식각 마스크로 이용하여 상기 폴리머 코아층의 일부를 식각하여 폴리머 도파로 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 결과물 상에 폴리머 도파로 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 폴리머 도파로열 광 소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 절연막 패턴의 두께는,
    대략 0.1∼1㎛인 것을 특징으로 하는 폴리머 도파로열 광 소자의 제조방법.
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