KR100509510B1

KR100509510B1 - 균일한 평면 광도파로 제작방법

Info

Publication number: KR100509510B1
Application number: KR1019970032888A
Authority: KR
Inventors: 정선태
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 2005-10-21
Also published as: GB2327280A; GB9815126D0; CN1105927C; GB2327280B; CN1205444A; JPH1172637A; KR19990010190A; JP2902640B2

Abstract

본 발명은 균일한 평면 광도파로를 제작하는 방법에 관한 것으로, 균일한 평면 광도파로를 제작하는 방법은 기판에 하위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제1단계; 제1단계의 결과물위에 코아층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제2단계; 광도파로를 생성하기 위해 제2단계에서 표면 연마된 코아층을 패터닝 하는 제3단계; 및 제3단계에서 패터닝되어 생성된 광도파로 위에 상위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제4단계로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 표면 평탄화 공정이 추가되어 광도파로의 두께 균일도가 증가하므로써 광도파로내의 유효굴절률이 균일하게 되고 보다 정밀한 광소자가 제작가능하다. 특히 AWG DeMUX의 경우 각 채널에서의 위상차

Description

균일한 평면 광도파로 제작방법{Fabrication for uniform planar waveguide}

본 발명은 광도파로 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 평면 광도파로 제작방법에 관한 것이다.

평면 광도파로(Planar Lightwave Circuit)는 광통신용 소자를 제작하는 마이크로-옵틱(micro-optic) 방법의 단점을 보완하고 대량생산을 하기위해 개발되었다. 도 1a 내지 1c는 종래의 평면 광도파로 제작과정을 크게 구분하여 도시한 것으로, 도 1a는 기판(100)위에 하위 클래딩층(Lower Cladding layer, 102) 및 코아층(Core layer, 104) 증착단계를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 코아층에 도파로(106)를 형성하는 패턴공정단계를 나타내며, 도 1c는 도 1b에서 형성된 도파로위에 상위 클래딩층(Upper Cladding Layer, 108) 증착단계 및 패키징단계(도시되지 않음)로 이루어진다.

도 1d는 도 1a 내지 1c의 제작방법을 세분화한 흐름도로서, 도 1d에 따른 평면 광도파로 제작방법은 다음과 같다. 먼저, 막 증착공정에 의해 하위 클래딩 및 코아층이 증착된다(112단계). 막 증착은 폴리머(Polymer)와 같은 유기물질은 스핀코팅(spin coating), 무기물질은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 변형된 CVD, 화염가수증착법(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 등의 방법으로 이루어진다. 이 때, 막 증착방법과 조건에 따라 약간의 차이는 있지만 두께의 불균일이 존재한다. 스핀코팅은 유기물질을 합성한 후 소정의 용매를 이용하여 그 농도 및 점도를 조절한 다음, 스핀코터(Spin coater)위에 분사시킨 후 고속으로 회전시켜 수 마이크로미터(μm)의 유기막을 형성하는 방법이다. CVD 방법은 증착시키고자하는 막의 원료가 되는 물질의 가스를 주입시켜 반응로에서 에너지를 주어 기판에 막을 형성하는 방법이다. 변형된 CVD에는 저압 CVD(Low Pressure CVD), APCVD(Atmosphere Pressure CVD), PECVD(Plazma Enhanced CVD) 등의 방법이 있다. FHD는 수소와 산소 불꽃을 이용하여 이용하여 반응가스를 합성하여 작은 입자(Soot)를 만든 후 기판위에 증착시키는 방법이다. 각각의 막 증착공정시 기판으로는 주로 실리콘 기판이 사용되고 이외에도 석영(Quartz), 산화알루미늄(Al₂O₃), 갈륨비소(GaAs), 인듐인화물(InP) 등의 산화물 및 III-V족 화합물 반도체 기판이 사용된다.

패턴제작은 청정실내에서 이루어진다. 막이 증착된 웨이퍼는 세척 및 건조 과정을 거쳐 포토 레지스트(Photo Resist, PR) 스핀코팅이 이루어진다(116단계). 이 때, 상술한 112단계와 116단계 사이에 식각조건에 따라 금속 마스크가 증착되기도 한다(114단계). PR 스핀코팅 후, PR 패턴이 견고해지도록 베이킹되고(118단계) 마스크 정렬기(Mask aligner)를 이용하여 설계패턴이 웨이퍼 위에 전사된 다음 자외선이 조사된다(120단계). 자외선 조사에 의해 패턴이 형성되면 현상액을 사용하여 반응하지않은 PR을 벗겨내고(122단계), 건식 식각한다(124단계). 식각방법은 이온화 결합 플라즈마(Ionization Coupled Plazma) 혹은 반응성 이온빔 에칭(Reactive Ionbeam Etching)이 사용된다. 식각이 끝나면 패턴 마스크로 사용된 물질(PR이나 금속막)이 제거되고(126단계), 후 열처리(Post-Annealing)된 다음(128단계), 막 증착공정에 의해 상위 클래딩이 형성된다(130단계). 이러한 과정이 완료되면 웨이퍼 단위의 공정은 끝나고 각 소자 단위로 절단 가공된 후 패키징 과정을 거쳐 소자로 완성된다.

상술한 바와 같이 종래의 평면 광도파로 제작방법은 기본적으로 막을 증착하는 과정이 3번 반복되고, 다층구조(Multi-layer)의 소자를 만들 때는 그 이상이 필요하다. 이 경우, 막 증착 조건을 최적화시켜도 두께의 균일도가 2~3% 정도이다. 막의 두께가 일정하지 않으면 이를 기본으로 만들어지는 도파로의 두께도 같이 불균일하게 되고 이는 결국 소자 특성의 불균일을 초래하게 된다. 도 2a는 두께가 불균일한 광도파로의 단면을 도시한 것이고, 도 2b는 두께가 불균일한 광도파로의 측단면을 도시한 것이다. 참조번호 200은 기판, 202는 코아층 그리고 204는 클래딩층을 나타내며, d는 광도파로의 두께, w는 광도파로의 폭 그리고 l은 광도파로의 길이를 나타낸다. 상기한 두께의 불균일이 소자의 특성에 미치는 영향은 다음과 같다. 예를 들어, 어레이 도파로 디멀티플렉서(Arrayed WaveGuide Demultiplxer, AWG DeMUX)는 여러 파장이 섞여들어오는 입력 광신호의 파장을 분리하여 각각의 독립된 채널로 나눠준다. 이 때, 각 채널의 위상차

는 일정한 간격으로 정해져야하고, 이 위상차는

이 경로차, β가 도파로의 전파지수(propagation index)일 때,

로 주어진다. 도파로의 전파지수 β는 k₀가 파속(wave factor), d가 도파로의 두께, θ가 입사각일 때,

로 주어지는데, 도파로가 균일하지 않으면 빛이 전파되는 도중 d가 변하게되고 결국 각 채널 끝단에서 원하는 특정 파장으로 분리되못하여 누화(cross talk)이 커지게 된다. 이것이 실제 소작 제작에 문제점으로 작용한다.

AWG DeMUX 소자 뿐 만 아니라 광도파로를 기본으로하는 소자에서는 이러한 문제점이 발생할 수 있다. 기본적으로 이로 인해 발생하는 오차가 허용범위 안에 들어오면 사용가능하지만 다층구조로 되어 보다 정밀한 광 신호의 제어가 필요한 소자인 경우 보다 정확한 광도파로가 요구된다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 2~3%되는 상/하위 클래딩층, 코아층의 두께 불균일을 해결하기위해 표면 평탄화 공정을 추가하여 막의 두께 차이를 최소화하므로써 표면 균일도를 증가시키는 균일한 평면 광도파로 제작방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 균일한 평면 광도파로 제작방법은 기판에 하위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제1단계; 상기 제1단계의 결과물위에 코아층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제2단계;광도파로를 생성하기 위해 상기 제2단계에서 표면 연마된 코아층을 패터닝 하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 패터닝되어 생성된 광도파로 위에 상위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제4단계를 포함함이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 균일한 평면 광도파로 제작방법에 관한 흐름도로서, 도 3에 따른 균일한 평면 광도파로 제작방법은 하위 클래딩층 증착단계(300), 제1표면 연마계(310), 코아층 증착단계(320), 제2표면 연마단계(330), 패터닝 단계(340), 상위 클래딩층 증착단계(350) 및 제3표면 연마단계(360)로 이루어진다.

상/하위 클래딩층과 코아층의 막 증착단계(300, 320, 350)는 상술한 바와 같은 스핀 코팅, CVD, 저압 CVD, PECVD, APCVD 및 FHD중에서 한 방법이 사용된다. 기판도 상술한 실리콘, 석영, Al₂O₃, GaAs, InP 등의 산화물 및 III-V족 화합물 반도체 기판중의 하나가 사용된다.

제1, 제2 및 제3표면 연마단계(310, 330, 360)는 표면을 평탄화하기위한 과정이다. 표면연마(polishing)에는 기계적 연마와 화학적 연마 방법이 있는데, 기계적 연마는 연마하고자하는 표면 물질의 경도(hardness) 이상되는 물질을 사용하여 물리적으로 표면을 조금씩 긁어내는 방법이고, 화학적 연마는 표면과 반응하는 화학물질을 사용하여 표면을 조금씩 녹여내는 방법이다. 상술한 두 연마방법을 결합한 기계화학적 연마법(Chemical Mechanical Polishing)이 사용되기도 한다. 기계화학적 연마방법은 화학약품을 사용하여 연마하고자하는 표면과 화학반응으로 표면의 특성을 변화시켜 기계적 연마효율을 증진시키는 방법으로, 특히 웨이퍼를 이용한 대량생산 공정이 가능하고 미세한 표면 연마가 가능한 반도체 공정에 많이 사용된다. 도 4a 내지 4c는 상술한 기계화학적 연마방법을 도시한 것으로, 도면의 ○는 연마제, ●는 화학약품을 나타낸다. 도 4a는 연마되지 않은 증착면을 나타내고, 도 4a의 400은 기판, 402는 증착막을 나타낸다. 도 4b는 404의 연마기구와 연마제, 화학약품을 이용하여 연마하는 과정을 나타내며, 도 4c는 연마된 후 표면이 균일하게 되었음을 보이는 도면이다.

예를 들어, 실리카 광도파로의 경우 표면연마 대상이 비피에스지(BPSG, Boron Phosporous Silica Glass)로서 주성분이 규소산화물(SiO₂)이므로, 이와 반응하는 알칼리(Alkali, OH)중의 하나인 KOH가 첨가된 연마제(SiO₂미립자, 세라믹 미립자 등)가 사용된다면 실리카 유리의 표면 특성이 달라지고, 화학반응에 의해 달라진 막의 표면 특성으로 인해 기계적 연마 효율이 증진된다.

한편, 본 발명의 동작원리는 다음과 같다. 먼저 하위 클래딩층 막이 증착되고(300단계), 상술한 방법으로 표면 연마 작업이 수행된다(310단계). 그 위에 코아층 막이 증착되고(320단계) 다시 표면 연마 작업이 수행된다(330단계). 코아층의 증착 및 표면 연마 작업이 완료되면 패터닝이 이루어진다(340단계).

패터닝 과정은 다음과 같다. 먼저, 웨이퍼가 세척된 후, PR 스핀코팅이 이루어진다(342단계). 342단계의 수행이전에 식각 조건에 따라 금속 마스크가 증착되기도 한다(341단계). PR 스핀코팅 후, PR 패턴이 견고해지도록 베이킹되고(343단계) 설계패턴이 웨이퍼 위에 전사된 다음 자외선이 조사된다(344단계). 자외선 조사에 의해 패턴이 형성되면 현상액을 사용하여 반응하지않은 PR을 벗겨내고(345단계), 건식 식각한다(346단계). 식각방법은 이온화 결합 플라즈마 혹은 반응성 이온빔 에칭이 사용된다. 식각이 끝나면 패턴 마스크로 사용된 물질(PR이나 금속막)이 제거되고(347단계), 후 열처리되어(348단계) 패터닝 과정이 완료된다.

패터닝 후, 막 증착공정에 의해 상위 클래딩이 형성되고(350단계), 표면 연마 작업이 수행된다(360단계).

상술한 과정이 모두 종료되면, 이 과정들을 반복하여 다층구조의 소자를 제작할 수 있다.

상술한 방법으로 연마가 이루어진 단일모드 실리카 도파로의 경우 도파로의 두께 편차는 500Å이내로 줄어든다. 단일모드 실리카 도파로인 경우 코아층의 두께가 약 8μm이므로 두께 편차율이 0.6%가 되어 종래의 2~3%에 비해 균일도가 3~5배 가량 향상된다. 멀티모드(multimode)인 경우에는 도파로의 크기가 더 커지고 두께 편차는 변하지 않으므로 편차율은 더욱 줄어들게 된다. 따라서, 여러 개의 파장을 다루는 소자, 광의 전파길이가 긴 소자 또는 다층의 도파로를 갖는 소자 등에 이용가능하다.

가 원하는 값에 일치되어 누화가 감소된다.

도 1a 내지 1c는 종래의 평면 광도파로 제작과정을 도시한 것이다.

도 1d는 종래의 평면 광도파로 제작방법을 세분화한 흐름도이다.

도 2a는 두께가 불균일한 광도파로의 단면도이다.

도 2b는 두께가 불균일한 광도파로의 측단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 균일한 평면 광도파로 제작방법에 대한 흐름도이다.

도 4a 내지 4c는 표면 평탄화 과정을 도시한 것이다.

Claims

기판에 하위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제1단계;

상기 제1단계의 결과물위에 코아층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제2단계;

광도파로를 생성하기 위해 상기 제2단계에서 표면 연마된 코아층을 패터닝 하는 제3단계; 및

상기 제3단계에서 패터닝되어 생성된 광도파로 위에 상위 클래딩층을 증착한 후 증착된 표면을 연마하는 제4단계를 포함함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 기판의 재질은

실리콘, 석영, 산화알루미늄, 갈륨비소 및 인듐인화물 중 어느 하나임을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 하위 클래딩층 증착은

스핀 코팅, 화학기상증착법, 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법, 저압 화학기상증착법, 대기압 화학기상증착법 및 화염가수증착법 중 어느 하나를 이용함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 연마는

기계적인 연마, 화학적인 연마 및 기계화학적 연마 중 어느 하나를 이용함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 코아층 증착은

스핀 코팅, 화학기상증착법, 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법, 저압 화학기상증착법, 대기압 화학기상증착법 및 화염가수증착법 중 어느 하나를 이용함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 상위 클래딩층 증착은

스핀 코팅, 화학기상증착법, 플라즈마 인핸스드 화학기상증착법, 저압 화학기상증착법, 대기압 화학기상증착법 및 화염가수증착법 중 어느 하나를 이용함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제1항에 있어서, 상기 패터닝 단계는

포토 레지스트 스핀코팅 단계;

열을 가하여 포토 레지스트 패턴을 견고하게하는 베이킹 단계;

설계패턴을 포토 레지스트에 전사시켜서 마스크를 정렬하고 자외선을 조사하는 단계;

소정의 현상액에 담가서 반응하지않은 포토 레지스트 패턴을 벗겨내는 단계;

설계패턴에 따라 식각한 다음 패턴 마스크로 사용한 물질을 제거하는 식각 단계; 및

후 열처리 단계를 구비함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제7항에 있어서,

상기 포토 레지스트 스핀코팅단계 이전에 금속 마스크를 증착하는 단계를 더 구비함을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.
제7항에 있어서, 상기 식각은

이온화 결합 플라즈마방법 및 반응성 이온빔 매칭방법중 어느 하나를 이용하여 이루어짐을 특징으로하는 균일한 평면 광도파로 제작방법.