KR100461874B1 - Ｆｈｄ 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼 위에 FHD 공정을 통해 각 층의 기능을 수행할 수 있는 여러 층의 조성을 차례로 증착한 후, 이렇게 증착시킨 각 층의 조성을 한번의 소결과정에 의해 고밀도화시켜서 클래딩층과 코어층을 이루는 전구역의 굴절률을 같게 하면서도 필요에 따라 코어층에만 광민감성을 높게 유지하여 광도파로를 만들 수 있도록 함으로써, 광도파로의 기능을 훌륭하게 수행할 수 있도록 제작하는 방법으로서, 기존의 방법에 비해 간편하고 빠른 시간에 광민감성 평면 도파로형 소자를 효과적으로 제작할 수 있도록 한 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

ＦＨＤ 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법{Fabrication of planar waveguide with photosensitivity during FHD process}

본 발명은 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 웨이퍼 위에 FHD 공정을 통해 각 층의 기능을 수행할 수 있는 조성으로 이루어진 나노미터 크기의 미세 유리분말을 증착한 후, 한번의 소결과정에 의해 고밀도화시키는 방법으로 광민감성 평면 도파로형 소자를 제작할 수 있는 방법을 제공하며, 클래딩층과 코어층을 이루는 전구역의 굴절률을 같게 하면서도 필요에 따라 코어층에만 광민감성을 높게 유지할 수 있게 하여 기존의 방법에 비해 간편하고 빠른 시간에 광민감성 평면 도파로형 소자를 효과적으로 제작할 수 있도록 한 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 광통신 기술의 발전에 따라 광분배기, 광결합기, 광스위치, 광파장분할기, 광증폭기 등의 각종 집적형 광학부품을 제작하기 위한 다양한 평면 도파로 기술이 제공되고 있다.

평면 도파로 기술에는 화염가수분해법(FHD:Flame Hydrolysis Deposition), 이온교환(Ion Exchange) 반응법, 솔-젤(Sol-Gel) 방법 등이 있으며, 그 중에서 가장 대표적인 화염가수분해법을 이용하여 평면 도파로형 소자를 제작하는 기본적인 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

실리콘 혹은 실리카 기판 위에 화염가수분해법으로 버퍼 클래딩층인 실리카 막을 제작한 후, 굴절률을 높여서 코어층을 제작하고, 계속해서 광도파로를 형성하기 위한 금속 마스크 패턴을 형성한 다음, 반응이온식각법으로 코어층을 성형하고, 이렇게 성형한 코어층 위에 상부 클래딩층을 형성하여 광신호의 흐름을 유도하는 구조로 광소자를 제작한다.

한편, 최근에 제공되고 있는 FHD 공정상에서 평면 도파로형 소자의 제작방법으로는 다음과 같은 기술들이 있다.

1) 하부 클래딩층을 형성할 분말(Soot)을 증착한 후 소결처리하고, 그 위에 코어층을 형성할 분말을 증착한 후 소결처리하고, 그 위에 상부 클래딩층을 형성할 분말을 증착한 후 소결처리하여 광민감성을 갖는 평면형 박막을 제작한다.

이를 좀더 설명하면, 실리콘 기판 위에 산화과정을 거쳐서 SiO₂층을 쌓은 다음, FHD 공정을 이용하여 하부 클래딩층을 만들기 위해 SiCl₄를 증착한 후 소결처리하여 SiO₂층의 굴절률이 633nm에서 1.459가 되게 제작하고, 코어층을 만들기 위해 SiCl₄, GeCl₄를 증착한 후 소결처리하여 SiO₂-GeO₂층 굴절률이 633nm에서 1.475가 되게 증착한 후 상부 클래딩층을 하부 클래딩층과 같은 조건으로 쌓아서 광민감성 평면형 광도파로를 제작한다.

이와 같이 제작할 경우 클래딩을 형성하는 UV 조사가 되지 않은 코어층과 클래딩층 간의 굴절률이 서로 상이하여 광파가 제대로 도파되기 힘들고, 각 층의 소결과정을 별개로 수행하므로 많은 시간과 복잡한 공정이 요구되는 단점이 있다.

2) 하부 클래딩층을 형성할 분말(Soot)을 증착한 후 부분 소결하고, 그 위에 코어층을 형성할 분말을 증착한 후 두 층을 한번에 완전 소결처리한 후 에칭과정을 거쳐 광도파로를 만든 다음, 그 위에 상부 클래딩층을 형성할 분말을 증착한 후 완전 소결하여 제작한다.

이를 좀더 설명하면, 하부 클래딩층을 형성할 분말을 증착한 후 수소 또는 산소 불꽃화염으로 부분 소결하고, 그 위에 코어층을 형성할 분말을 증착한 후 두 층을 한번에 로(Furance)를 통해서 완전 소결처리한 후 패턴을 만들어 에칭과정을 거쳐 광도파로를 만든 다음, 그 위에 상부 클래딩층을 형성할 분말을 증착한 후 역시 로를 통해 완전 소결하여 광도파로를 제작한다.

이와 같이 제작할 경우에는 기존의 에칭을 하여 제작하는 방법보다는 간편하지만, 이러한 방법 역시 각각의 소결처리를 개별적으로 수행하므로 공정이 복잡한단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 실리콘 웨이퍼 위에 FHD 공정을 통해 각 층의 기능을 수행할 수 있는 여러 층의 조성을 차례로 증착한 후, 이렇게 증착시킨 각 층의 조성을 한번의 소결과정에 의해 고밀도화시켜서 클래딩층과 코어층을 이루는 전구역의 굴절률을 같게 하면서도 필요에 따라 코어층에만 광민감성을 높게 유지할 수 있도록 함으로써, 광도파로의 기능을 훌륭하게 수행할 수 있도록 하며, 기존의 방법에 비해 간편하고 빠른 시간에 광민감성 평면 도파로형 소자를 효과적으로 제작할 수 있도록 한 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 FHD 공정을 이용하여 광민감성 평면 도파로형 소자를 제조하는 방법에 있어서, 일정한 두께의 실리카층을 갖는 기재 위에 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 형성할 분말을 순차적으로 증착한 후, 이렇게 각 층을 증착한 기재를 한번의 소결과정을 통해 고밀도화하여 전구역의 굴절률을 같게 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기재는 실리콘 웨이퍼를 수증기를 주입한 로 내에서 승온속도 5℃/min로 1100℃ 까지 가열한 후 12시간 동안 유지하고, 냉각속도 5℃/min로 상온까지 낮추는 습식산화를 통해 2㎛ 이상되는 두께의 실리카층을 갖게 하는 과정으로 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기재 위에 하부 클래딩층과 상부 클래딩층을 증착하는 과정에서의 원료조성은 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂또는 B₂O₃-P₂O₅-SiO₂또는 GeO₂-B₂O₃-SiO₂또는 GeO₂-P₂O₅-SiO₂로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기재 위에 코어층을 증착하는 과정에서의 원료조성은 B₂O₃-GeO₂-SiO₂또는 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기재 위에 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 증착시 기재 온도 150∼300℃, 기재 속도 400∼600cm/min, 토치 속도 3.0∼5.0cm/min의 조건하에서 연속 증착하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기재 위에 증착된 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 소결시 승온속도 및 냉각속도 3∼10℃/min, 소결 온도 1200∼1500℃, 소결 시간 1∼5시간의 조건하에서 세층을 동시에 한번의 소결과정으로 고밀도화시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층의 굴절률을 맞추기 위해 소량의 GeCl₄를 하부 클래딩층과 상부 클래딩층에 첨가하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법을 보여주는 공정도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 FHD 공정을 통해 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법에서 일괄소결방법(Co-sintering)을 이용하여 공정을 간단히 하면서도 클래딩층 및 코어층을 이루는 전구역의 굴절률을 같게 함으로써, 광도파로의 기능을 훌륭하게 수행할 수 있는 제작방법을 제공한다.

즉, FHD 공정을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 각 층의 기능을 할 수 있는 조성으로 글래스 분말을 증착한 후 한번의 소결과정으로 광민감성 박막을 제작할 수 있는 방법을 제공한다.

도 1을 참조하여 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

(1) 실리콘 웨이퍼를 로에 넣은 후 가습기를 통해 수증기를 로 내에 주입시킨 상태에서 승온속도 5℃/min로 1100℃까지 가열해서 12시간 동안 유지한 다음, 5℃/min의 냉각속도로 상온까지 낮추는 습식산화과정으로 2㎛ 이상되는 두께의 실리카층을 형성한다.

(2) 위의 과정을 거친 실리콘 웨이퍼, 즉 기재 위에 FHD 공정을 통해 하부 클래딩층을 형성할 분말을 증착한다.

이때의 원료조성은 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂(G.B.P.S) 또는 B₂O₃-P₂O₅-SiO₂(B.P.S)로 구성하는 것이 바람직하다.

(3) 위의 과정을 거친 기재 위에 FHD 공정을 통해 코어층을 형성할 분말을 증착한다.

이때의 원료조성은 B₂O₅-GeO₂-SiO₂(B.G.S)로 구성하는 것이 바람직하다.

(4) 위의 과정을 거친 기재 위해 FHD 공정을 통해 상부 클래딩층을 형성할분말을 증착한다.

이때의 원료조성은 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂(G.B.P.S) 또는 B₂O₃-P₂O₅-SiO₂(B.P.S)로 구성하는 것이 바람직하다.

(5) 위의 (1) 내지 (4)의 과정을 각 층을 증착한 기재를 로 내에서 한번에 소결하는 과정을 통해 고밀도화시킨다.

(6) 계속해서 위의 공정을 모두 완료한 광민감성 박막에 광도파로를 형성하기 위한 UV 조사를 수행한다.

또한, 기재 위에 각 층을 조성하기 위한 증착과정에서는 기재의 온도 150∼300℃, 기재의 속도 400∼600cm/min, 토치의 속도 3.0∼5.0cm/min의 조건으로 하여 열팽창 차이를 줄여 연속해서 증착하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 소결하는 과정에서는 승온속도 및 냉각속도 3∼10℃/min, 소결 온도 1000∼1500℃, 소결 시간 1∼5시간의 조건하에서 세층을 동시에 한번의 소결과정으로 고밀도화시킴으로써, 클래딩층 및 코어층의 전 구역에 걸쳐 동일한 굴절률을 갖게 할 수 있다.

또한, 하부 클래딩층과 상부 클래딩층에 소량의 GeCl₄를 첨가함으로써, 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층의 굴절률을 맞출 수 있으며, 이때에는 633nm의 파장에서 굴절률이 1.460∼1.600 사이의 굴절률로 맞출 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 아래의 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

〈실시예〉

광도파로를 잘 형성하기 위해 코어층과 클래딩층의 굴절률을 633nm의 파장에서 1.465가 되도록 원료가스의 조성을 조절하였다.

클래딩층 조성 박막을 위한 최적의 원료조성은 SiCl₄40(sccm), BCl₃20(sccm), POCl₃100(sccm), GeCl₄20(sccm)의 조건으로 하였고, 코어층 조성 박막을 위한 최적의 원료조성은 SiCl₄40(sccm), GeCl₄60(sccm), BCl₃80(sccm)의 조건으로 하였다.

이상의 조건으로 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 연속해서 증착한 후 일괄소결방법으로 광민감성을 갖는 박막을 제조하여 UV 조사를 통해 굴절률을 높인 코어를 제외한 전 클래딩 영역(코어층의 UV가 조사되지 않는 부분을 포함하여)의 굴절률을 갖도록 하였다.

클래딩층을 형성하는 하부 클래딩층과 상부 클래딩층에도 GeCl₄가 첨가되었으나, 소량의 첨가로 굴절률 변화를 무시할 수 있을 만큼 적게 발생하였다.

이상에서와 같이 본 발명은 FHD 공정을 통해 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 차례로 증착한 후 이것들을 한번의 소결과정을 통해 고밀도화시켜서 클래딩층 및 코어층을 이루는 전구역의 굴절률을 같게 하여 광도파로의 기능을 훌륭하게 수행할 수 있도록 한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제조방법을 제공함으로써, UV 직접 조사방법을 이용하는 광소자의 제작시 제작시간이 기존의 방법보다 1/3 정도 줄일 수 있고, 공정 또한 간편하고, 광학성질 또한 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. FHD 공정을 이용하여 광민감성 평면 도파로형 소자를 제조하는 방법에 있어서, 일정한 두께의 실리카층을 갖는 기재 위에 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 형성할 분말을 순차적으로 증착한 후, 이렇게 각 층을 증착한 기재 위에 증착된 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 승온속도 및 냉각속도 3∼10℃/min, 소결 온도 1000∼1500℃, 소결 시간 1∼5시간의 조건하에서 세층을 동시에 한번의 소결과정으로 고밀도화하여 전구역의 굴절률을 같게 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기재는 실리콘 웨이퍼를 수증기를 주입한 로 내에서 승온속도 5℃/min로 1100℃ 까지 가열한 후 12시간 동안 유지하고, 냉각속도 5℃/min로 상온까지 낮추는 습식산화를 통해 2㎛ 이상되는 두께의 실리카층을 갖게 하는 과정으로 제조하는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기재 위에 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층을 증착시 기재의 온도 150∼300℃, 기재의 속도 400∼600cm/min, 토치의 속도 3.0∼5.0cm/min의 조건하에서 연속 증착하는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.
4. 삭제
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 기재 위에 하부 클래딩층과 상부 클래딩층을 증착하는 과정에서의 원료조성은 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂또는 B₂O₃-P₂O₅-SiO₂또는 GeO₂-B₂O₃-SiO₂또는 GeO₂-P₂O₅-SiO₂로 구성되는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 기재 위에 코어층을 증착하는 과정에서의 원료조성은 B₂O₃-GeO₂-SiO₂또는 GeO₂-B₂O₃-P₂O₅-SiO₂로 구성되는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 클래딩층, 코어층, 상부 클래딩층의 굴절률을 맞추기 위해 소량의 GeCl₄를 하부 클래딩층과 상부 클래딩층에 첨가하는 것을 특징으로 하는 FHD 공정을 이용한 광민감성 평면 도파로형 소자의 제작방법.