KR100455088B1 - 광 도파로 소자의 제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스탬프의 가압력과 자외선을 이용한 경화에 의해 광 도파로 소자를 성형 제작하므로써 기계적인, 또는 광학적인 문제점이 없이 양호한 제품을 대량 생산할 수 있는 광 도파로 소자의 제작방법을 제공함에 있다.
본 발명에서 제시하고자 하는 광 도파로 소자의 제작방법은,
포토리소그라피(photolithography)에 의해 패턴을 갖는 마스터(10)를 제작하는 공정; 상기 마스터(10)에 메탈층을 도금하여 마스터와 반대형상의 패턴이 형성되도록 하므로써 메탈 스탬프(20)를 제작하는 공정; 상기 마스터(10)와 메탈 스탬프(20)를 분리하는 이형공정; 광 도파로 소자용 기판(30)상에 젤(gel)상태의 폴리머(31)를 코팅하는 공정; 상기 코팅된 폴리머층을 메탈 스탬프(20)의 패턴면에 의해 가압하여 마스터 패턴과 동일한 패턴을 형성함과 동시에 폴리머층에 대해 자외선을 조사하여 폴리머층을 경화시키는 공정; 상기 메탈 스탬프(20)와 마스터 패턴이 형성된 광 도파로 소자(40)를 분리하는 이형공정;으로 이루어진다.

Description

광 도파로 소자의 제작방법{Production method of lightwave guide}
본 발명은 포토리소그라피에 의해 소정 패턴을 갖는 마스터를 제작하고, 마스터상에 도금공정에 의해 마스터 패턴과 반대되는 패턴을 갖도록 스탬프를 제작하여, 이 스탬프의 패턴형성면에 의해 기판에 증착된 폴리머(UV레진)를 가압(pressing) 성형하고 자외선을 조사하여 성형된 상태로 경화시켜 최초 마스터패턴과 동일한 패턴을 갖는 양질의 광 도파로 소자를 반복적으로 대량 생산할 수 있는 신개념의 광 도파로 소자 제작방법에 관한 것이다.
광 통신에 사용되는 광 도파로(lightwave guide) 및 평면형 광소자(planar lightwave curcuit, planar waveguide device)는 반도체 레이저로부터 나오는 빛의 신호를 분배(split) 또는 결합(combine)하거나 각기 다른 파장을 갖는 광신호를 다중화 또는 역다중화하여 광섬유를 통해 전송하는데 사용되며, 광섬유를 통하여 전달되어온 여러 채널의 광신호를 각기 다른 파장으로 분리하거나, 분배하는 기능을 갖는 광통신시스템에 있어 매우 중요한 역할을 하는 소자이다.
이러한 광 도파로 소자의 제작방법은 통상 화염가수분해증착(flame hydrolysis deposition:FHD), 에어러졸 화염증착(aerosol deposition:AFD), 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD)등에 의한 실리카 재료를 사용하는 공정에 의존하고 있다. 실리카를 사용하는 공정단계의 일예를 보면 도 1과 같이,
1. 기판(1) 상에 게이트 도전막으로서 실리카 박막(2)을 증착한다.
2. 실리카 박막(2)상에 하드 마스크(hard mask)(3)를 증착한다.
3. 하드 마스크(3)상에 포토레지스트(4)를 스핀 코팅(spin coating)등의 방법에 의해 도포한다.
4. 포토마스크(5)를 이용하여 포토레지스트(4)에 자외선(UV)을 조사하여 포토레지스트(4)를 노광하고, 노광된 포토레지스트를 현상액에 넣고 현상한다(단순한포토레지스트 패턴은 본 발명의 master에 해당됨).
5. 하드 마스크(3)를 에칭(etching)한다.
6. 포토레지스트(4)를 제거한다
7. 반응성 이온식각장치(reactive ion etcher:RIE)에 의해 실리카 박막(2)을 에칭한다.
이러한 실리카 공정에 의해 제조된 광 도파로 소자는 고품질을 얻을 수 있는 장점에도 불구하고 고가의 장비에 의존해야 하는 점과, 도파로를 생산하는 단위공정이 매우 복잡한 점, 그리고 도파로에서 요구되는 광학적 특성을 만족하는 고품질의 후막으로 형성시키기 위해서 헬륨이나 다른 가스 분위기하에서 약 1200~1300℃의 온도로 가열하여 성형하는 조밀화 공정(consolldation) 또는 소결공정(sitering process)을 거치게 되는데, 이 과정에서 발생되는 열응력에 의해 기계적 광학적문제가 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 앞서 설명한 바 있듯이 실리카 제조는 다단계 공정을 반복적으로 시행해야하므로 대량생산이란 측면에서 불리한 조건이 된다.
또한, 상기 공정에 의해 제작되는 광 도파로 소자는 공정조건의 미차에도 불량율이 약 50%에 달하는 현실을 감안할 때 생산 효율성면에서 극히 저조함을 부인할 수 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제시된 것으로서, 그 목적은 자외선 경화성 폴리머를 이용하여 스탬프의 가압력과 지외선의 조사에 의해 광 도파로 소자를 성형 제작하므로써 기계적인, 또는 광학적인 문제점이 없이 양호한 제품을 대량 생산할 수 있는 광 도파로 소자의 제작방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래 일반적인 실리카 공정에 의해 제작되는 광 도파로 소자의 제작공정도
도 2는 본 발명에 따른 광 도파로 소자의 제작 공정도
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10. 마스터 20. 메탈 스탬프
30. 광 도파로 소자용 기판 31. 폴리머
40. 광 도파로 소자
상기 제시된 목적을 구현하기 위한 본 발명의 광 도파로 소자의 제작방법은,
포토리소그라피(photolithography)에 의해 패턴을 갖는 마스터를 제작하는 공정; 상기 마스터의 패턴면상에 도금(plating)공정에 의해 메탈을 도금하여 마스터와 반대형상의 패턴이 형성되도록 하므로써 메탈 스탬프를 제작하는 공정; 상기 마스터와 메탈 스탬프를 분리하는 이형공정; 광 도파로 소자의 기판상에 액상의 폴리머를 코팅하는 공정; 상기 코팅된 폴리머층을 메탈 스탬프에 의해 가압하여 마스터 패턴과 동일한 패턴을 형성함과 동시에 폴리머층에 대해 자외선을 조사하여 폴리머층을 경화시키는 공정; 상기 메탈 스탬프와 마스터 패턴이 형성된 광 도파로 소자를 분리하는 이형공정;으로 이루어지는 것이다.
이하, 광 도파로 소자의 제작방법을 첨부된 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
제작공정을 크게 분류하면, 마스터 제작공정 → 메탈 스탬프 제작공정 → 광 도파로 소자의 성형층을 가압 성형하는 공정(UV embossing)으로 구분된다. 그러나 마스터 제작공정과 스탬프 제작공정은 소자의 대량복제에 사용될 스탬프 제작에 1회만 사용되고 실제 광도파로의 생산공정은 마지막 공정인 가압 및 자외선 성형 공정 뿐이다.
각 공정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
(제 1공정) 마스터 제작공정(S1)
마스터는 통상의 포토리소그라피(photolithography)에 의해 제조된다. 기존에는 이 마스터를 그대로 적용하였으나 본 발명에서는 스탬프를 만들기 위한 초판작업에 해당된다.
마스터(10) 제조공정은 마스터용 기판(Si/Glass substrate)(11)상에 포토레지스트(photoresist)(12)를 스핀 코팅(spin coating)등의 방법으로 도포하고, 포토 마스크(photomask)(13)를 이용하여 포토레지스트(12)에 자외선(UV)를 조사하여 노광(exposure)하고, 노광된 포토레지스트(12)를 현상액에 넣고 현상시켜 자외선이 조사된 부분을 현상(develop)하므로써, 마스터(10)의 표면에 패턴이 형성되는 것이며, 이로써 마스터(10)의 제작은 완료된다.
(제 2공정) 스탬프 제작공정 및 이형공정(S2)
상기 마스터 패턴상에 스퍼터(sputter)를 이용하여 일정 두께의 메탈(metal)을 증착하여 전극으로 사용할 수 있도록 한다. 전극이 형성된 마스터(10)를 메탈(Ni) 도금조에 넣고 일정한 온도를 유지하는 조건에서 전류를 인가하므로써 마스터(10)의 패턴면상에 메탈이 도금되도록 한다.
다음, 이형공정에 의해 마스터(10)로부터 도금된 메탈을 분리하므로써 마스터(10)의 패턴과 반대되는 패턴을 갖는 메탈 스탬프(metal stamp)(20)가 완성되는 것이다.
(제 3공정) 메탈 스탬프를 이용한 광 도파로 소자의 성형공정(S3)
광 도파로 소자용 기판(30)상에 액상의 폴리머(31)를 코팅하고, 코팅된 폴리머층을 상기 메탈 스탬프(20)의 패턴면으로서 가압하여 마스터(10)의 패턴과 동일한 패턴을 형성함과 동시에 폴리머층에 대해 자외선을 조사하여 폴리머층을 경화시키므로써 마스터 패턴과 동일한 패턴을 갖는 광 도파로 소자의 성형공정이 완료된다.
상기 폴리머(31)는 성형측면에서 보면 점성이 클수록 작업성이 우수할 것으로 오인할 수 있으나, 복제하고자 하는 패턴이 수백nm 에서 수㎛이므로 점성이 클수록 유동성이 충분치 못하여 패턴내의 충진율이 완벽하지 않을 수도 있으므로 되도록 저점도의 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
(제 4공정) 이형공정(S4)
상기 메탈 스탬프(20)에 의해 마스터 패턴의 성형이 완료된 광 도파로 소자(40)를 분리하므로써 모든 제조공정이 완료된다. 이형공정은 고도의 기술을 요하지는 않으나 이형시 제품손상에 유의해야 한다.
이상에서와 같이 본 발명은 기존의 방법, 즉 실리카 재료를 사용하여 광 도파로 소자를 제작하는 방법처럼 고가의 장비를 사용하여 다단계의 공정으로 소자가 제작되는 복잡한 방법이 아니고 실제 제조공정은 메탈 스탬프에 의한 가압 성형에 의해 광 도파로 소자를 제조함에 따라 불량율을 현저히 줄일 수 있으며, 단순공정에 의해 제조되므로써 생산성 측면에서 매우 유리하며, 또한 대량생산에 적합한 제조방법이다.
그리고, 가압 성형방식이기 때문에 소자의 높이에 대한 제약이 거의 없으며, MEMS. Bio-chip등 동종 및 이종분야에도 다양하게 응용할 수 있다.

Claims (1)

  1. 포토리소그라피(photolithography)에 의해 패턴을 갖는 마스터(10)를 제작하는 공정;
    상기 마스터(10)의 패턴면상에 도금(plating)공정에 의해 메탈을 도금하여 마스터와 반대형상의 형성되도록 하므로써 메탈 스탬프(20)를 제작하는 공정;
    상기 마스터(10)와 메탈 스탬프(20)를 분리하는 이형공정;
    광 도파로 소자용 기판(30)상에 액상의 폴리머(31)를 코팅하는 공정;
    상기 코팅된 폴리머층을 메탈 스탬프(20)의 패턴면에 의해 가압하여 마스터 패턴과 동일한 패턴을 형성함과 동시에 폴리머층에 대해 자외선을 조사하여 폴리머층을 경화시키는 공정;
    상기 메탈 스탬프(20)와 마스터 패턴이 형성된 광 도파로 소자(40)를 분리하는 이형공정;으로 이루어지는 광 도파로 소자의 제작방법.
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