KR100446625B1 - 광스위치 제조 방법 - Google Patents

Abstract

제조 공정이 간단하고 재료비가 저렴한 광스위치 제조 방법이 개시되어 있다.

이 개시된 광스위치는 폴리실리콘을 건식식각하거나 또는 도금을 이용하여 구동부 및 마이크로미러를 제작하고, 습식식각을 이용하여 광파이버 정렬용 V 그루브를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 광스위치의 마이크로미러와 액추에이터를 제작하기 위한 구조물을 값비싼 SOI 대신 폴리실리콘 또는 도금을 이용하여 제조함으로써 제조 비용을 대폭 감소시킬 수 있다. 또한, V 그루브를 이용하여 광파이버를 정확하게 정렬할 수 있고 마이크로미러의 높이를 낮출 수 있어 공정 및 조립 편이성을 증대시킬 수 있다.

Description

광스위치 제조 방법{Manufacture method of optical switch}

본 발명은 제조 공정이 간단하고 재료비가 저렴한 광스위치 제조 방법에 관한 것이다.

근래에는 광통신의 발달로 광신호를 적절한 선로로 절환하기 위한 광스위치의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 종래 광신호를 받아서 이를 전기신호로 변환한 다음, 상기 전기신호를 다시 광신호로 변환하여 선택된 다른 선로로 인가하는O-E-O 방식에서 점차 광신호를 전기신호의 변환없이 바로 광신호로 절환할 수 있는 O-O 방식의 연구가 진행되고 있다.

광스위치에는 도파로를 설계하고 열 또는 전압을 가하여 도파로의 굴절률을 변화시킴으로써 광경로를 변화시키는 TO(thermo-optic), EO(electro-optic) 방식의 스위치가 있고, 기타 기계식 및 액정 등을 이용한 방법도 있다. 이 중 MEMS(Micro Electromechanical System)를 이용하여 마이크로미러를 만들고 이를 이용하여 광신호를 절환하는 방식이 다른 방식에 비해 소형으로 할 수 있으며, 인접한 부품들과의 간섭이 적고 광손실이 적은 편이어서 선호되고 있다.

MEMS를 이용한 방식 중에는 마이크로미러를 한 방향으로 on-off시켜 이차원적으로 스위칭하는 방법과 두 방향으로 구동시키면서 광신호를 원하는 위치에 정확하게 전달되도록 하는 삼차원적인 방법이 있다. 그런데, 스위칭 경로가 많지 않은 경우, 예를 들어 16×16 이하인 경우에는 대부분 이차원 스위칭 방법을 사용한다. 여기서, 광스위치의 가격을 결정하는 요소로는 광스위치의 크기, 제작공정의 수 및 조립의 용이성 등이 있다.

종래의 광스위치는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 가이드(165)가 십자형으로 형성되고, 이 가이드(165)에 광파이버(166)가 삽입되며, 상기 가이드(165) 사이에 마이크로미러(167)가 슬라이드 가능하게 배치되어 구성된다. 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 마이크로미러(167)를 슬라이드 구동시키기 위해 콤(comb)형 액추에이터(169)가 구비된다.

상기 액추에이터(169)에 의해 상기 마이크로미러(167)가 이동되어가이드(165)의 중심부(165a)에 위치되면(도 1b 참조) 레이저빔이 상기 마이크로미러(167)에 의해 반사되어 광경로가 변환된다. 따라서 직각 방향에 있는 광파이버로 전달되어 진행된다. 한편, 상기 액추에이터(169)에 의해 마이크로미러(167)가 가이드 중심부(167a)을 벗어나면 레이저빔은 직진하여 건너편의 광파이버로 전달되어 진행된다.

종래에는 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(170)를 이방성 건식 식각하여 상기 마이크로미러(167)와 액추에이터(169)와 같은 구조물을 제작한다. 이때, 광파이버(166)가 설치될 가이드(165)도 함께 제작된다. 이후 도 2d에 도시된 바와 같이 산화층(172)을 제거하여 구조물(175)을 릴리즈시킨다.

그런데, SOI 웨이퍼에 이방성 선택 식각을 이용하여 수직의 마이크로미러를 제조하는데 있어서 식각시의 공정조건에 따라 수직도에 오차가 발생된다. 또한, 이방성 선택 식각을 이용하여 수직 마이크로미러를 제조할 때 발생하는 물결무늬 형상으로 인해 반사광의 산란이 발생하여 광손실이 발생하게 된다. 일반적으로 마이크로미러의 표면에 금속막을 도포하는 경우 표면 형상에 따른 산란으로 인한 반사광 손실에 의해 반사도가 약 15-20% 정도 떨어진다. 또한, SOI는 매우 고가이므로 광스위치의 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있다.

또한, 종래에는 SOI 웨이퍼에 구조물과 광파이버용 가이드가 같이 제작된다.예를 들어 광파이버의 직경이 125㎛인 경우, 빛은 광파이버의 중심인 62.5㎛의 높이에서 나오며 광파이버의 NA 및 광파이버 코아의 직경 등을 고려할 때 마이크로미러의 높이는 적어도 80㎛는 되어야 한다. 따라서, SOI 웨이퍼의 실리콘층이 80㎛ 이상이 되어야 하며, 마이크로미러 및 액추에이터를 제작하기 위해서는 이 두께만큼을 건식식각하여야 한다. 하지만, 두꺼운 구조물의 수직 식각은 상당히 어려우며 공정시간 및 비용도 많이 소요된다.

또한, 웨이퍼를 건식 식각하여 가이드(165)를 제작할 때 직사각형의 단면을 갖는 가이드가 형성되는데, 건식 식각은 제작 오차가 크므로 가이드의 정확한 깊이와 폭을 갖도록 제작하기가 어렵다. 광파이버를 배치하기 위한 가이드 내부로 광파이버가 위치되려면 어느정도의 공차가 있어야 하며, 이러한 공차로 인해 광파이버를 정확하게 정렬하기가 어렵다. 광스위치 제작시 가장 비용이 많이 소요되는 부분이 패키징이며 이 중 광파이버 정렬은 스위치의 성능과 직접적으로 관련되는 부분으로 숙련된 인력이 많이 요구된다. 광파이버를 정확히 정렬하는 가장 보편적인 방법은 (100) 웨이퍼를 이용하여 V 그루브를 제작하는 것이지만 광파이버를 웨이퍼의 표면에 배치하는 이상 이 방법은 사용할 수 없다. 따라서, 광파이버를 용이하게 정렬할 수 있는 새로운 구조가 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 제작 공정이 용이하고 광파이버의 정렬을 정확하고 쉽게 할 수 있으며, 제조 비용이 저렴한 광스위치 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 2×2 광스위치 및 작동상태도를 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 제조 방법에 따라 제조된 2×2 광스위치를 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 광스위치의 제조 공정을 나타낸 도면이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...웨이퍼 13...보호층

15...희생층 17...폴리실리콘층

20...V그루브

본 발명에 따른 광스위치 제조 방법은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼 상에 보호층을 증착하고, 상기 보호층 위에 산화층을 증착하는 단계; 상기 산화층 위에 구조물을 제작하기 위한 폴리실리콘층을 증착하고, 폴리실리콘층을 식각하여 구조물을 형성하는 단계; 상기 구조물 표면에 마스크층을 형성한 다음, 상기 산화층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보호층에 V그루브 대응영역을 패터닝하는 단계; 및 상기 웨이퍼를 습식식각하여 V그루브를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 마스크층은 헤비도핑에 의해 형성되거나 산화막 또는 금속막을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광스위치 제조 방법은, 웨이퍼 상에 보호층을 증착하고, 상기 보호층 위에 희생층을 증착하는 단계; 상기 희생층 위에 마이크로미러 및 액추에이터용 구조물을 제작하기 위한 도금몰드를 형성하고, 도금몰드 표면에 도금을 하여 구조물을 형성하는 단계; 상기 구조물 표면에 보호막을 증착한 다음, 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 고가인 SOI 웨이퍼 대신 웨이퍼 위에 생성된 폴리실리콘층을 이용하여 마이크로미러 및 액추에이터용 구조물로 제조함으로써 재료비를 절감하고, 웨이퍼에 V 그루브를 제작하여 광파이버의 정렬을 용이하게 하며 마이크로미러의 높이를 기존 방식보다 줄이는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광스위치 제조 방법은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 (100) 결정 방향의 Si 웨이퍼(10)의 표면을 세척한 후 그 위에보호층(13)(passivation)을 증착한다. 이 보호층(13)은 후에 광파이버가 배치될 V그루브를 식각할 때 다른 곳을 보호하기 위해 사용되는 것으로, 예를 들어 질화물 재질로 이루어질 수 있다. 그런 다음 <110> 결정 방향을 정확하게 결정하여 상기 보호층(13)을 식각함으로써 V그루브가 형성될 부분에 대응되는 영역(14)을 패터닝한다. 이 경우, 정확한 모양 및 크기를 형성하기 위해 통상적으로 건식식각을 이용한다. 상기 보호층(13)의 패터닝 폭과 깊이는 광파이버의 광축이 웨이퍼 표면에서 약 15-20㎛ 정도 높이에 위치하도록 결정하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 보호층(13) 위에 희생층으로 사용할 산화층(15)을 형성한다. 이 산화층(15)의 두께는 제한이 없으나 희생층으로서의 역할을 충실히 할 수 있는 두께인 1-3㎛ 정도가 바람직하다. 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 산화층(15) 위에 폴리실리콘층(17)을 30-40㎛ 정도의 두께로 증착한다. 이 폴리실리콘층(17)은 마이크로미러(도 1a의 167) 및 마이크로미러를 수평방향으로 구동시키는 액추에이터(도 2a의 169)를 제작하기 위한 구조물로 사용된다.

다음, 상기 폴리실리콘층(17)을 건식식각하여 마이크로미러 및 액추에이터를 형성한다. 건식식각 후에 폴리실리콘층(17) 위에 마스크층(19)을 형성한다. 이 마스크층(19)은 헤비도핑(heavy doping)을 하거나, 금속막 또는 산화막을 증착하여 형성될 수 있다. 예를 들어 헤비도핑을 하는 경우에는 액추에이터가 정전 구동 방식일 때 추가적인 메탈 코팅 없이 액추에이터가 작동되도록 하고, 추후에 V그루브 식각시 선택도(selectivity)에 의해 구조물이 식각되지 않도록 한다.

이어서, 구조물을 릴리스(release)시키기 위해 도 3e에 도시된 바와 같이 상기 산화층(15)을 제거한다. 이 산화층(15)을 제거한 후에는 도 3f에 도시된 바와 같이 상기 보호층(13)에 V그루브 형성 부위(14)만이 제거되어 있으므로 KOH 등을 이용하여 V그루브(20)를 습식식각한다. 이때, 마이크로미러의 반사율을 향상시키기 위해 폴리실리콘층(17) 부위에 Au를 추가로 증착할 수 있다.

상기와 같이 제작된 액추에이터의 V그루브(20)에 광파이버를 장착한다. 상기 V그루브는 서로 직교되어 십자형으로 형성되어 있으며, (100) 웨이퍼의 <110> 방향에 맞추어 식각된다. 여기서, 십자형의 V그루브의 중심부분에 광파이버가 모여지는 곳에서 광파이버를 상호 근접하게 배치시키기 위하여 광파이버 끝단(도 1a의 A부)의 클래드 부위를 습식식각하여 직경을 줄일 수 있다. 또한, 광파이버의 끝단을 가공하여 빔이 평행빔으로 출력되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 실시예에서는 마이크로미러와 액추에이터 제작용 구조물을 폴리실리콘을 이용하여 형성하였지만, 폴리실리콘 대신 포토레지스트 또는 폴리이미드 등으로 몰드를 형성하고, 그 위에 도금을 하여 구조물을 형성할 수도 있다. 이때, 추가적인 도핑이나 금속막 증착 공정은 필요없다. 이와 같이 몰드를 이용하여 구조물을 형성한 다음 상기 희생층(15)을 제거함으로써 액추에이터가 완성된다.

다음, 상기 실시예에서는 액추에이터를 형성한 다음 상기 V그루브(20)를 식각하였지만, 이와 달리 V그루브(20)를 먼저 식각하여 형성한 다음, 그 위에 희생층을 형성하고, 이 위에 구조물을 위한 폴리실리콘층 또는 도금몰드를 형성할 수 있다. 이후에는 앞서 설명한 공정과 동일하다.

상기한 제조 방법에 의해 제작된 액추에이터에 의해 마이크로미러를 수평이동시킨다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 마이크로미러가 액추에이터에 의해 이동되어 광경로상에 위치할 경우 마이크로미러에 입사된 레이저빔은 직각으로 반사되어 인접 광파이버로 전달된다. 한편, 마이크로미러가 광경로 밖으로 이동되었을 경우 레이저빔은 직진하여 건너편의 광파이버로 전달된다.

이와 같은 구조에 판스프링 등을 적용하면, 정전등의 경우에도 액추에이터의 원치 않는 동작이 방지되고 정전 이전 상태로 마이크로미러가 유지되도록 할 수 있다.

본 발명에 따라 폴리실리콘을 사용하여 구조물을 제작하는 경우, 예를 들어 폴리실리콘을 약 40㎛정도 증착하여도 그에 수반되는 비용은 SOI 웨이퍼 비용의 1/3 정도에 불과하다. 또한, 40㎛ 높이의 구조물을 수직의 마이크로미러로 이용하려면 광축 즉, 광파이버의 중심이 Si 웨이퍼 표면에서 20㎛의 높이에 있어야 한다. 이때, 광파이버의 직경이 125㎛인 경우 광파이버의 중심이 62.5㎛이므로 Si 웨이퍼 표면으로부터 20㎛ 높이에 광파이버의 중심을 맞추기 위해서는 광파이버가 Si 웨이퍼 표면에서 42.5㎛ 정도 들어가야 한다. 이에, 본 발명에서는 웨이퍼 표면으로부터 소정 깊이로 형성된 V그루브를 제작하여 광파이버를 정확하게 정렬할 수 있다.

본 발명에 따른 광스위치 제조 방법은, 광스위치의 마이크로미러와 액추에이터를 제작하기 위한 구조물을 값비싼 SOI 대신 폴리실리콘 또는 도금몰드를 이용하여 제조함으로써 제조 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.

또한, V그루브를 형성하여 광파이버를 정확하게 정렬할 수 있고, 마이크로미러의 높이를 기존 SOI 웨이퍼를 사용한 방식 대비 절반 이하로 제작할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있으며, 마이크로미러의 수직도 향상으로 인한 성능 향상 등의 효과가 있다.

Claims (7)

1. 웨이퍼 상에 보호층을 증착하고, 상기 보호층에 V그루브 대응영역을 패터닝하는 단계;

   상기 보호층 위에 산화층을 증착하는 단계;

   상기 산화층 위에 구조물을 제작하기 위한 폴리실리콘층을 증착하는 단계;

   상기 폴리실리콘층을 식각하여 구조물을 형성하는 단계;

   상기 구조물 표면에 마스크층을 형성한 다음, 상기 산화층을 제거하는 단계;및

   상기 웨이퍼를 식각하여 V그루브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 마스크층은 헤비도핑에 의해 형성되거나 산화막 또는 금속막을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광스위치 제조 방법.
4. 웨이퍼 상에 보호층을 증착하고, 상기 보호층에 V그루브 대응영역을 패터닝하는 단계;

   상기 보호층 위에 희생층을 증착하는 단계;

   상기 희생층 위에 마이크로미러 및 액추에이터용 구조물을 제작하기 위한 도금몰드를 형성하고, 도금몰드 표면에 도금을 하여 구조물을 형성하는 단계;

   상기 구조물 표면에 보호막을 증착한 다음, 상기 희생층을 제거하는 단계;

   상기 웨이퍼를 식각하여 V그루브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광스위치 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 도금몰드는 포토레지스트 또는 폴리이미드로 형성되는 것을 특징으로 하는 광스위치 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제