KR100398698B1 - 나노미터 크기의 광도파로 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노미터 크기의 광도파로 제작방법에 관한 것이다.

근래, 박막을 이용한 광디바이스의 개발이 큰 주목을 받고 있다. 이와 같은 광디바이스의 제작에 있어 광도파로의 제작은 필수 공정이며 또한, 광집적회로에 있어서 많은 광소자들이 광도파로상에서 만들어지고 있다.

박막을 이용한 광디바이스의 제작에는 주로 사파이어 기판을 사용하며, 상기 기판 위에 광도파로의 재료로 리튬 리오븀 옥사이드 (LiNbO₃) 또는 리튬 탄탈륨 옥사이드 (LiTaO₃)등의 박막을 증착한 후 사진·석판 인쇄(Photo-lithography) 방법으로 광도파로 패턴을 형성하나 빛의 회절의 특성으로 인하여 빛의 파장보다 작은 패턴을 절대로 형성할 수 없고, 100nm(나노미터) 이하의 크기를 갖는 광도파로의 제작은 거의 불가능한 실정이다. 본 발명은 사파이어 기판 표면에 나노미터의 높이를 갖는 스텝들을 형성시킨 후 광도파로 재료의 박막 증착 시 증착 물질의 원자 또는 분사들이 스텝에 부착되도록 하여 나노미터 크기의 광도파로를 형성하는 것을 목적으로 한것으로, 100 나노미터 이하의 크기를 갖는 광도파로를 형성하기 위하여 900℃의 온도에서 30분 정도 사파이어 기판을 열처리하면 기판의 전 표면에 직선의 스텝들이 형성된다. 형성된 스텝의 높이는 결정면의 방위가 (0001)인 C-면 기판인 경우 최소 0.21±0.02nm 이상, 결정면 방위가 ()인 A-면 또는 결정면 방위가 ()인 R-면인 경우 각각 0.25±0.02nm, 0.36±0.03nm 이상이며 처리 온도를 높이거나 처리 시간을 길게 하면 스텝의 높이는 스텝 다발(bunching) 현상에 의해 (최소 높이 x 정수배)의 높이를 나타낸다. 이러한 사파이어 기판을 고진공 증착 장비에 넣고 광도파로 물질을 증착시키며, 부착되는 양이 증가할수록 스텝을 따라 부착물이 전부 연결된 선모양의 구조가 형성된다. 스텝의 높이와 증착량에 따라 광도파로의 폭은 조절이 가능하고, 광도파로의 간격은 스텝 사이의 간격을 조절함으로서 가능하며, 상기 스텝간 간격은 기판 표면방위의 오차(misorientation angle : 본래의 면 방위에 대한 표면의 기울어진 각도), 열처리 온도 및 시간의 조절로 가능하다.

본 발명을 적용한 방법은, 100nm 크기 이하의 광도파로 제작이 가능하여 나노 광스위치, 나노 광변조기, 나노 비선형 광레이저 등의 개발 및 초고집적 나노 광디바이스의 개발에 중요한 역할을 할 수 있다. 특히, 복잡한 사진·석판 인쇄 공정의 생략이 가능하게 되어 공정의 단순화 및 제조 경비의 절감을 가져올 수 있는 것이다.

Description

나노미터 크기의 광도파로 제작방법{A manufacturing process of the optical waveguide with nanometer size}

본 발명은 나노미터 크기를 갖는 광도파로 제작에 관한 기술로서, 특히 기판의 표면에 나노미터 크기를 갖는 표면 구조를 형성시킴으로서 기판 위에 증착되는 광도파로 재료를 기판의 나노미터 크기의 표면 구조에만 증착되도록 한 나노미터 크기의 광도파로를 제작하는 방법에 관한 것이다.

근래, 박막을 이용한 광디바이스의 개발이 큰 주목을 받고 있다. 광디바이스 제작에 있어 광도파로의 제작은 필수 불가결한 공정이며 광 집적회로에 있어 많은 광소자들이 광도파로상에서 만들어지고 있다. 박막을 이용한 광도파로의 제작에는 주로 사파이어 기판을 사용하며 광도파로 재료로 사용되는 리튬 리오븀 옥사이드 (LiNbO₃)또는 리튬 탄탈륨 옥사이드 (LiTaO₃) 등의 전기 광학 계수가 큰 물질을 증착하여 제작하며, 사파이어 기판은 그 굴절률이 상기 리튬 리오븀 옥사이드 (LiNbO₃)나 리튬 탄탈륨 옥사이드(LiTaO₃)의 굴절률보다 작아 LiNbO₃또는 LiTaO₃박막 광도파로의 기판으로서 일반적으로 널리 사용되고 있다. 광도파로 박막의 굴절률이 기판의 굴절률보다 높아, 빛은 도파로 내에서 전반사로 진행함으로 광손실이 적고 광파워가 효율적으로 전달된다. 박막 형성 후 광도파로를 사진·석판 인쇄 방법으로 제작하던 종래의 방법은 석판 인쇄 공정에서 빛을 이용하기 때문에 빛의 회절의 특성으로 인하여 빛의 파장보다 작은 패턴을 절대로 형성할 수 없다. 100nm(나노미터) 이하의 크기를 갖는 광도파로의 제작은 종래의 방법으로는 매우 어려우며 거의 불가능하였던 것이다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명 요지는 나노미터 높이의 스텝(step)들과 나노미터 넓이의 테라스(terrace)들로 구성된 표면 구조를 기판 표면에 형성하여, 증착되는 광도파로 물질의 원자 또는 분자들을 우선적으로 스텝들에 부착되도록 함으로서 스텝을 따라서 나노미터 크기의 광도파로를 형성시키는 것을 목적으로 한 것으로, 기판 표면에서의 스텝의 높이 및 테라스의 넓이는 기판 표면방위의 오차, 기판 표면의 면방위, 고온 열처리 온도 및 처리 시간 등을 조절함으로서 조절할 수 있다. 스텝의 높이와 테라스의 넓이의 조절은 곧 광도파로의 크기와 광도파로 사이의 거리를 조절하게 되는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 광도파로 제작 시 복잡한 사진·석판 인쇄술 공정을 줄임으로서 공정의 단순화 및 경비의 절감을 목적으로 한다.

도 1은 고온 열처리한 사파이어 기판의 표면도

도 2는 광도파로 재료를 증착시킨 후 형성한 나노미터 크기의 광도파로도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 기판 2. 스텝 3.테라스 4.증착물

이를 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기본적인 목적은 기판 표면에 나노미터의 스텝 구조를 형성하여 증착되는 광도파로 물질의 원자 또는 분자들이 우선적으로 스텝에 부착되도록 함으로서 사진·석판 인쇄 공정 없이 자발적으로 스텝을 따라서 나노미터 크기의 광도파로가 형성되도록 한 것이다.

이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 재료에 따라 800∼1400℃ 의 온도에서 10분 이상 사파이어 기판(1)을 열처리하면 기판(1)의 전 표면에 직선의 스텝(2)들이 형성된다. 이때 가열온도를 900℃로 하면 30분 정도의 가열이 적절하며, 형성된 스텝(2)의 높이는 결정면의 방위가(0001)인 C-면 기판 인 경우 최소 0.21±0.02nm 이상, 결정면의 방위가()인 A-면 또는 결정면 방위가 ()인 R-면인 경우 각각 0.25±0.02nm, 0.36±0.03nm 이상이다. 처리 온도를 높이거나 처리 시간을 길게 하면 스텝의 높이는 스텝 다발 현상에 의해 (최소 높이 x 정수배)의 높이를 나타낸다. 이러한 사파이어 기판을 고진공 증착 장비에 넣고 광도파로 물질을 증착 시킨다. 예를 들면 펄스 레이저 증착법(PLD)의 경우 사파이어 기판(1)을 넣고 10^-6Torr 이하의 진공도까지 진공을 뽑은 후 산소를 주입한 다음 1mTorr 이상의 압력이 되도록 한다. 기판을 600℃이상으로 가열하면서 광도파로의 재료인 리튬 리오븀 옥사이드(LiNbO₃)또는 리튬 탄탈륨 옥사이드(LiTaO₃)를 증착시키면 기체 상태의 LiNbO₃나 LiTaO₃의 원자 또는 분자는 전부 기판 표면의 스텝(2)에 부착되어 LiNbO₃또는 LiTaO₃의 핵이 생성되며, 부착되는 양이 증가할수록 스텝을 따라 부착물이 전부 연결된 선모양의 증착물(4) 구조의 광도파로가 형성된다. 스텝의 높이가 약 10nm이고 증착막의 두께가 약 10nm 박막두께의 양일 경우, LiNbO₃또는 LiTaO₃도파로선의 폭은 약 80nm이다. 스텝의 높이와 증착량에 따라 도파로의 폭은 조절이 가능하다. 도파로의 간격은 스텝 사이의 간격을 조절함으로서 가능하며, 스텝간 간격은 기판 표면방위의 오차(본래의 면 방위에 대한 표면의 기울어진 각도), 열처리 온도 및 시간의 조절로 가능하다.그리고 고온 열처리 시 기판(1)의 표면에 스텝(2) 구조가 생성되는 이유는, 단결정으로부터 절단에 의하여 웨이퍼를 만드는 과정에서 기계의 허용 오차에 의하여 반드시 표면 방위에 오차(misorientation angle : 본래의 면방위에 대한 표면의 기울어진 각도)가 생기기 때문이다. 또한 표면 평탄화를 위하여 기계연마 등을 하는데, 이 과정에서도 기계의 허용 오차에 의해 기판(1) 표면방위에 오차가 발생하기 때문이다. 증착물(4)들이 스텝(2)에 우선적으로 부착되는 것은 부착될 때 필요한 표면 에너지의 증가를 최소로 할 수 있기 때문이다.

본 발명은 기존의 사진·석판 인쇄 공정으로는 제작이 불가능한 100nm 크기 이하의 광도파로 제작이 가능하여 나노 광스위치, 나노 광변조기, 나노 비선형광레이저 등의 개발 및 초고집적 나노 광디바이스의 개발에 중요한 역할을 할 수 있고 특히, 복잡한 사진·석판 인쇄 공정의 생략이 가능하기 때문에 공정의 단순화 및 제조 경비의 절감을 가져올 수 있어 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 사파이어 기판(1)을 900℃의 온도에서 30분정도 가열처리하여, 결정면의 방위가 각각 C면, A면 또는 R면인 기판(1) 표면에 나노미터 크기의 스텝(2)들과 테라스(3)들로 구성된 표면 구조를 형성한 후, 상기 기판(1)을 고진공 증착 장비에 넣어 광도파로 물질의 원자 또는 분자가 기판(1) 표면의 스텝(2)에 증착되어 광도파로가 형성됨을 특징으로하는 나노미터 크기의 광도파로 제작방법.
2. 청구항 1에 있어, 사파이어 기판을 600℃이상으로 가열하여 리튬 리오븀 옥사이드 (LiNbO₃)를 광도파로의 재료로 사용함을 특징으로 하는 나노미터 크기의 광도파로 제작방법.
3. 청구항 1에 있어, 사파이어 기판을 600℃이상으로 가열하여 리튬 탄탈륨 옥사이드 (LiTaO₃)를 광도파로의 재료로 사용함을 특징으로 하는 나노미터 크기의 광도파로 제작 방법.