KR100635882B1 - 광도파로 및 광도파로의 테이퍼 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마를 이용한 광도파로의 측면 평탄화 방법과 테이퍼 형성 방법에 관한 것이다. 즉 본 발명은 광도파로의 코어 상부에 코어 보호막을 형성함으로써 상대적으로 연마 속도가 늦은 코어 측면이 평탄화 되는 동안 코어의 두께 변화 및 모서리 라운딩(rounding)을 억제한다. 또한, 코어 상부에 코어 보호막을 형성하고 테이퍼가 생성될 곳은 코어를 완전히 노출시키거나 부분적으로 희생 패턴을 남긴 후, 노출된 코어 모서리로부터 혹은 희생 패턴으로부터 화학 기계적 연마를 통해 코어를 제거함으로써 광도파로에 수직 방향(vertical) 테이퍼를 제공한다.

광도파로, 코어, 클래딩, 표면 요철, 광손실, 코어 보호막, 테이퍼, 화학 기계적 연마, 선택비, 연마 패드, 그레이스케일 리소그라피

Description

광도파로 및 광도파로의 테이퍼 형성 방법{METHOD FOR FORMING WAVEGUIDE AND TAPER OF THE WAVEGUIDE}

도 1a 내지 도 1c는 종래 광도파로 코어의 표면 요철 제거 방법을 도시한 공정 수순도,

도 2a 내지 2f는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광도파로 코어의 측면 평탄화 방법을 도시한 공정 수순도,

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광도파로 코어의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공정 수순도,

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광도파로 코어의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공정 수순도,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광도파로 코어의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공정 수순도,

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 광도파로 코어의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공전 수순도,

도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 제 6 실시 예에 따른 광도파로 코어의 테이퍼형성 방법을 도시한 공정 수순도.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

10: 코어, 12: 표면 요철, 20: 기판, 22: 클래딩층

24: 코어층, 26: 코어 보호층, 30: 코어, 32: 코어 보호막

34: 코어 상부, 36: 계단 모양 구조, 38: 테이퍼, 40: 희생 패턴

52: 포토레지스트, 54: 희생 패턴, 60: 포토레지스트, 70: 연마 패드

본 발명은 광도파로의 제조 및 광도파로의 테이퍼 형성 방법에 관한 것으로, 특히 광도파로 형성에 있어 화학 기계적 연마를 이용하여 표면 요철을 제거한 광도파로 및, 광섬유와 광도파로 혹은 크기가 다른 광도파로 간의 연결(coupling) 시 일어나는 손실을 최소화하는 수직방향(vertical)의 광도파로 테이퍼 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로 광통신 시스템에서 정보 전달의 수단으로 사용되는 빛(photon)이 지나가는 매개체를 광도파로라 한다. 광도파로는 광이 지나가는 부분을 코어(core)라고 하고 코어를 감싸서 광의 전반사를 가능하게 하는 부분을 클래딩(cladding)이라고 한다.

이러한 광통신 시스템에서는 광섬유와 광 도파로 구조를 갖는 반도체 소자와의 정렬이 중요하고 광 손실을 줄이기 위하여 광도파로의 코어 표면 요철을 최소화하는 제조 공정이 요구된다.

빛이 광도파로를 통해 전달될 때, 광도파로의 코어와 클래딩 계면의 요철은 빛의 산란(scattering)을 일으켜 광 손실의 주요 원인이 되고 있다. 이에 대해서는 Lee, Lim, Kimerling, Shin 그리고 Cerrina에 의해 2001년 12월 Optics Letters지 1888-1890 페이지에 발표된 "Fabrication of ultralow-loss Si/SiO2 waveguides by roughness reduction"에서 SOI(silicon on insulator)를 이용한 광도파로에서 TMAH를 이용한 비등방성(anisotropic) 식각 방법 및 산화(oxidation) 후 불산(HF) 딥(dip) 방법에 의해 코어 표면의 요철을 크게 줄이며 이로 인해 광 손실도 32dB/cm에서 0.8dB/cm까지 줄일 수 있음이 기술되어 있다.

그러나 비등방성 습식 식각은 Si 산화물이나 Si 질화물과 같은 비정질 유전물질(dielectric)에는 적용 될 수가 없으며, Si 단결정의 경우에도 코어의 단면이 크게 변형되는 단점이 있다. 또한 산화 후 불산 딥(dip) 방법 역시 유전체에는 적용하기 불가능하며, 산화 공정 시 필요한 높은 온도가 큰 제약이 된다. 한편, Si 산화물이나 질화물과 같이 유전물질로 이루어진 코어는 불산이나 인산에 의한 등방성 식각으로 표면의 요철을 제거할 수 있으나, 시간의 경과에 따른 표면의 변화를 묘사하는 도 1a에서 보여지는 바와 같이 등방성 습식 식각으로 코어(10)의 표면 요철(12)을 제거하기 위해선 코어(10) 자체의 두께 변화가 많이 요구된다.

즉, 처음 두께 t0와 표면 요철(12)이 규격 값 이하로 되었을 때의 두께 t2 차이가 크게 된다. 반면에 화학 기계적 연마에 의한 표면 평탄화는 도 1a에서 도시된 바와 같이 표면 요철(12)을 제거하기 위해 필요한 코어(10)의 두께 변화(t0 - t2)가 습식 식각에 비하여 적다. 하지만 도 1b에 도시된 클래딩층(8) 상부의 코어층을 건식 식각 함으로써, 형성된 코어(10) 측면의 표면 요철(12)과 같은 경우는, 일반적인 화학 기계적 연마로 요철을 제거하기 어려운데 그 이유는 도 1c에서 보여지는 바와 같이, 코어 상부가 연마 패드(70)로부터 받는 압력 Pt가 코어 측면이 연마 패드로부터 받는 압력 Ps보다 훨씬 크기 때문이다. 측면 요철을 제거하기 위해 연마를 진행하면 도 1c에서와 같이 심각한 코어 두께 손실과 모서리 라운딩(rounding)이 일어나게 되어 코어의 기능을 발휘할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

한편 통상적으로 연결손실이 가장 적은 방법으로 광도파로에 테이퍼를 형성하는 것이 알려져 있으며, 이는 Shani, Henry, Kistler, Orlowsky 그리고 Ackerman에 의해 1989년 12월 Applied Physics Letters 2389-2391 페이지에 발표된 "Efficient coupling of semiconductor laser to an optical fiber by means of tapered waveguide on silicon"에 기술되어 있다. 또한 광도파로의 테이퍼 형성 방법으로는 Moerman, Daele, Demeester에 의해 1997년 12월 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 1308-1320 페이지에 발표된 "A review on fabrication technologies for the monolithic integration of tapers with III-V semiconductor devices"에 광범위하게 기술되어 있다.

테이퍼 종류에는 크게 수직방향(vertical) 테이퍼와 측면(lateral) 테이퍼가 있는데, 수직방향 테이퍼는 일반적인 측면(lateral) 테이퍼 형성에 요구되는 고해상도의 노광 시스템이 요구되지 않고, 한쪽 면이 클래딩층에 의해 지지되어 구조적 안정성이 뛰어나며, 일반적으로 그레이 스케일 리소그라피(lithography)를 통해 제 작된다.

그레이 스케일 리소그라피 방법에 의해 두께가 다른 포토레지스터가 형성되며, 식각 공정 시 포토레지스트 두께가 얇은 지역부터 포토레지스트가 제거된 후 광도파로 물질을 식각하게 되므로 최종적으로 초기 포토레지스트 지형(topography)과 유사한 광도파로가 형성되게 되는데, 이때 그레이 스케일을 넓게 잡으면 계단 모양의 지형이 형성되고 좁게 잡으면 테이퍼가 형성되게 된다.

그러나 상기한 그레이 스케일에 의한 테이퍼 형성은 근본적으로 테이퍼 상부에 있던 포토레지스트의 식각을 전제로 하게 되는데, 이때 포토레지스트의 국지적인 침식이나 뭉침(agglomeration)은 광도파로가 노출되는 시점을 국지적으로 변화시키며 이로 인해 테이퍼 면이 거칠어지며, 이와 같이 거칠어진 테이퍼 면은 빛의 산란(scattering)을 일으켜 심각한 광 손실을 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 화학 기계적 연마를 이용하여 광도파로 표면의 요철 제거와 수직방향 테이퍼를 형성하는 방법을 제공하며, 광도파로의 코어 상부에 코어 보호막을 형성함으로써 화학 기계적 연마로 인한 불필요한 코어의 크기 및 모양 변화를 억제시킬 수 있도록 하는 광도파로 및 광도파로 테이퍼 형성방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광도파로 형성 방법으로서, 기판상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와, 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와, 코어 보호층에 대한 패터닝과 식각 공정을 통해 상부에 보호 막을 갖는 코어를 형성하는 단계와, 코어의 측면을 화학 기계적 연마를 통해 평탄화하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명은 광도파로의 테이퍼 형성 방법으로서, 기판상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성시키는 단계와, 코어층 상부에 코어 보호층을 형성시키는 단계와, 코어 보호층에 대한 1차 패터닝과 식각을 통해 상부에 보호막을 가지는 코어를 형성시키는 단계와, 보호막에 대한 2차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼 형성 부위의 보호막을 제거시키는 단계와, 보호막이 제거된 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어에 수직방향 테이퍼를 형성시키는 단계를 포함한다.

도 2a 내지 2e는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광도파로 코어의 측면 평탄화 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 광도파로 코어 측면 평탄화 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 2a에서와 같이, 기판(20) 상에 클래딩층(22)과 코어층(24) 그리고 코어 보호층(26)을 순차적으로 형성시킨다. 이때 기판(20)은 Si(규소) 이거나 글래스(glass)로 이루어지는데, Si의 경우, 순수한 Si 기판일수도 있고, SOI(Silicon On Insulator)와 같이 사전 처리된 경우와 전기 광학적 소자들을 포함하는 경우의 기판을 이용할 수도 있다. 위 클래딩층은 유전물질(dielectric)인 Si 산화물 혹은 이미드나 아크릴레이트와 같은 폴리머로 이루어진다. Si 산화물의 경우, 일반적으로 열산화(thermal oxidation)법 혹은 화학기상증착(CVD)법으로 클래딩층을 형성하고, 폴리머 클래딩층은 일반적으로 스핀(spin) 코팅에 이은 큐어링(curing)으로 형성한다. 굴절률과 같은 광학적 특성을 변화시키기 위하여 Si 산화물에 B, N, P, F 혹은 Ge와 같은 원소들을 도핑 한다. 또한, 클래딩층을 통해서도 빛이 도파 되도록 하기 위해서, 즉 클래딩인 동시에 코어로서 작용하기 위해서, 클래딩층을 복층으로 형성할 수 있다. 이는 굴절률이 n₁인 물질을 기판(20) 위에 클래딩층으로 형성하고 굴절률이 n₁보다 큰 n₂인 물질을 n₁ 위에 역시 클래딩층으로 형성하고 굴절률이 n₂보다 큰 물질로 코어를 제작하는 경우이다.

예를 들어, Si 기판 위에 SiO₂를, SiO₂ 위에 N이 도우핑된 SiO_xN_y 를 클래딩층으로 형성하고 SiN으로 이루어진 코어를 구성하는 경우이다. 이 경우, 빛이 SiN 뿐만 아니라 SiO_xN_y 층에도 부분적으로 갇히게 된다.

코어층(24)은 빛을 가두어 놓기 위해 클래딩층(22)보다 굴절률이 큰 물질로 이루어진다. Si 산화물, Si 질화물, Ta 산화물 혹은 Hf 산화물 등을 코어로 사용할 수 있으며, 클래딩층과 마찬가지로 B, N, P, F 혹은 Ge와 같은 원소로 도핑 하여 굴절률을 변화시킨다. 이때 단결정 Si 코어는 SOI(silicon on insulator) 기판을 이용하여 제작하는데, SOI 기판의 절연층이 클래딩층의 역할을 하게 된다.

코어 보호층(26)의 역할은 코어 형성 후 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 시 불필요한 코어의 크기 변화를 방지하는 것이다. 무기 유전물질(inorganic dielectric)을 증착하거나 Dow Chemical사의 SiLK와 같은 폴리머 계열의 물질을 스핀 코팅 시킨 후 큐어링 하여 코어 보호층을 형성한다. 또한 Al, Ti, TiN, Ta, W 혹은 Cr 같은 금속 물질도 코어 보호층으로 이용될 수 있다. Si로 이루어진 코어층의 경우에는 금속 보호층을 형성하기 전에 먼저 Si 산화물이나 질화물과 같은 유전물질을 Si 상부에 증착 하여 Si 내로 금속의 확산을 방지한다.

후속 화학 기계적 연마 공정에서 코어 보호층 물질이 코어 물질과 충분한 선택비를 갖기 위해서는 두 물질의 화학적 성질이 상이한 것이 유리하다. 예를 들면, Si 산화물 코어층의 경우에는 Si 질화물로 이루어진 보호층, 또 질화물 코어층의 경우에는 Si 탄화물이나 Applied Materials사의 Black Diamond나 Novellus사의 Coral과 같이 탄소가 도우핑된 Si 산화물로 이루어진 코어 보호층과 같이 두 물질의 화학적 성격이 서로 다르면 화학 기계적 연마나 식각 공정에서 충분한 선택비를 얻을 수 있다.

Si 질화물의 경우, Cabot사의 SS-12 슬러리를 이용하여 800 A/min 정도 연마 속도를 얻을 수 있는 반면 같은 조건에서 Si 탄화물이나 Black Diamond 의 연마 속도는 50 A/min 미만이다. Al과 같은 금속 코어 보호층의 경우, 유전체인 코어층과는 상이한 화학적 특성 때문에 유전체 연마용 슬러리에 대해 매우 낮은 연마 속도를 나타낸다. 그러나 코어 보호층의 광학적 성질이 클래딩층과 상이할 경우, 측면 평탄화가 이루어진 후, 클래딩층이 코어 주위를 에워싸기 전에 코어 보호층을 제거하여야 한다. 이때에도 화학 기계적 연마를 이용할 수 있는데, 이때에는 연마 선택비가 낮거나 코어 보호층의 연마 속도가 더 빠른 슬러리를 사용하여 코어 보호층을 빨리 제거하도록 한다. 예를 들면, Si 질화물의 경우 Rodel사의 CuS-1201 슬러리를 이용하여 600 A/min 정도 연마 속도를 얻을 수 있고 같은 조건에서 Si 탄화물과 Black Diamond 의 연마 속도는 각각 650 A/min 및 1150 A/min를 나타낸다. Al과 같 은 금속 코어 보호층의 경우, 습식 식각 혹은 습식 식각과 화학 기계적 연마를 병행하여 코어 보호층을 제거하는 것이 바람직하다.

코어 보호층과 코어층의 연마 선택비가 크지 않은 경우에는 코어 보호층을 두껍게 형성해야 측면을 평탄화 할 때까지 코어 상부가 노출되는 것을 방지할 수 있다. 클래딩층 물질을 코어 보호층으로 사용하는 경우는 측면 평탄화 이후 코어 보호층을 제거하지 않아도 되기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있다.

이어 도 2b에서와 같이, 1차 패터닝과 식각 공정을 통해 코어(30)와 코어 보호막(32)을 형성시킨다. 이때 리액티브 이온 에칭(reactive ion etching: RIE)과 같은 건식 식각의 경우, 도 2b에서 보여지는 바와 같이 코어 측면에 표면 요철(12)이 생기는데 일반적으로 코어층과 포토레지스트의 식각 선택비가 낮을수록 또 코어층의 두께가 커질수록 요철은 심해진다.

이어 화학 기계적 연마를 통한 측면 평탄화 공정을 도시한 도 2c∼2d에 나타내었다. 여기서 P는 연마 압력이고 V는 기판과 연마 패드와의 상대속도를 나타낸다. 측면 평탄화를 위한 화학 기계적 연마에서는 압축성(compressibility)이 큰 연마 패드(70)를 이용하여 코어(30) 측면이 충분히 연마 패드와 접촉할 수 있도록 한다. 이때 Rodel사의 Polytex나 Thomas West사의 BP-30과 같이 폴리머 섬유로 형성된 패드가 쉽게 압축되기 때문에 측면 평탄화에 바람직하다. 압축성을 더욱 증가시키기 위해 연마 패드 하부에 스폰지와 같이 압축성이 큰 재질로 이루어진 서브패드(sub pad)를 부착 할 수 있다. 연마 패드가 코어(30)와 클래딩층(22) 상부와 밀착하여 움직임에 따라 코어(30) 측면, 코어 보호막(32) 그리고 클래딩층(22) 상부가 연마되어 도 2d에 나타낸 것과 같이 초기의 점선 상태에서 모양이 변하게 된다. 이때 연마 공정은, 코어 보호막(32)이 다 연마되어 코어(30) 상부가 노출되기 전에 연마 공정을 중지하도록 시간을 조절한다. 그러면 연마 공정 동안 코어 측면만이 연마 패드와 접촉하고 상부는 코어 보호막(32)에 의해 보호되기 때문에 코어(30)의 두께 변화가 없고 모서리 라운딩이 억제된다.

이어 도 2e를 참조하면, 코어(30) 측면 평탄화가 완료된 상태로, 코어 상부에 두께가 감소된 코어 보호막(32)이 존재한다. 코어 보호막이 이후 공정에서 형성될 클래딩과 같은 물질이면 코어 보호막을 제거 할 필요가 없다. 그러나 코어 보호막이 클래딩 물질과 상이한 경우, 예를 들면 Si 산화물 클래딩과 Si 질화물 코어에 Si 탄화물로 이루어진 코어 보호막의 경우, Si 탄화물 보호막을 제거하여야 한다. 코어 보호막 제거는 습식 식각이나 화학 기계적 연마를 이용하여 측면 평탄화 직 후 시행할 수 있다. 이 때, 연마 선택비가 낮은 슬러리로 바꾸어 코어 보호막이 빨리 제거 되도록 하며, 연마 패드는 모서리 라운딩을 억제할 수 있도록 압축성(compressibility)이 작은 Rodel사의 IC-1000과 같은 폴리우레탄 계열의 패드를 사용하는 것이 바람직하다. 도 2f는 모서리 라운딩을 억제하기 위한 다른 방법을 도시한 것으로, 도 2f와 같이 클래딩층(23)을 코어 주위에 형성한 후 클래딩층 평탄화 공정 시 코어 보호막이 노출되면 클래딩층과 함께 제거시킨다.

도 3a 내지 3g는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광도파로의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 본 발명의 광도파로 테이퍼 형성 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 3a를 참조하면, 제 1 실시 예의 도 2a와 같이 기판(20) 상에 클래딩층(22)과 코어층(24) 그리고 코어 보호층(26)을 순차적으로 형성시킨 후, 1차 패터닝과 식각 공정을 통해 코어(30)와 코어 보호막(32)을 형성시킨다. 이때 코어 측면에 요철이 있는 경우, 요철을 제거하기 위해 제 1 실시 예에 따른 측면 평탄화 공정을 더 추가 할 수 있으며, 또는 후속 테이퍼 형성을 위한 화학 기계적 연마 공정 시 테이퍼 형성과 함께 측면 평탄화를 통해 요철을 제거할 수도 있다.

이어 도 3b에서와 같이, 2차 패터닝 및 식각 공정을 통해 테이퍼가 형성될 부분에 있는 코어 보호막을 제거하여 코어 상부(34)를 노출시킨다. 그런 후 도 3c에서와 같이 선택적으로 3차 혹은 3, 4차 패터닝과 식각 공정을 더 수행시켜 테이퍼가 형성될 부분이 계단 모양의 구조(36)로 변환되도록 하는데, 이는 후속 화학 기계적 연마 공정 시 빠른 시간 안에 테이퍼를 형성하는데 도움을 준다.

이어 도 3d∼3f에서와 같이, 기판을 화학 기계적 연마 할 때 연마 패드(70)가 클래딩층(22), 코어(30) 및 코어 보호막(32)과 접촉하며 상호 마찰을 일으키도록 한다.

이때, 이들 구조의 높이에 따라 연마 패드의 변형이 달라지며 이로 인해 상기 도 3d∼3f에서 보여지는 바와 같이 P1, P2, P3 각각 다른 압력이 클래딩층(22), 코어(30) 및 코어 보호막(32)에 가해지며, 모서리 부분은 연마 패드의 변형이 국지적으로 크기 때문에 높은 압력을 받게 되는데, 테이퍼의 생성은 코어 모서리 부분의 침식이 확장되면서 이루어진다. 특히 도 3e와 같이 계단 구조를 형성한 경우에는 테이퍼 생성이 시작되는 곳이 많아 빠른 시간에 테이퍼를 형성할 수 있다. 테이 퍼 형성과 함께 코어 측면의 요철을 제거해야 하는 경우에는 압축성이 큰 연마 패드를 사용하여 패드가 코어 측면을 충분히 접촉할 수 있도록 한다. 코어 보호막은 테이퍼 생성 부위와 코어 측면(압축성이 큰 패드를 사용하였을 경우)을 제외한 곳에서의 침식에 의한 코어 두께 변화 및 모서리 라운딩을 방지한다. 이후 테이퍼 형성을 위한 연마를 마치면 도 3f에서와 같이 광도파로의 코어(30) 끝 부분에 수직방향(vertical) 테이퍼(38)가 형성된다.

도 4a내지 도 4b는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광도파로의 테이퍼형성 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 4a 내지 도 4b를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광도파로 테이퍼 형성 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 상기 도 4a에서와 같이, 기판(20)상에 클래딩층(22)과 코어층(24) 그리고 코어 보호층(26)을 순차적으로 형성시킨 후, 1차 패터닝과 식각 공정을 통해 테이퍼가 형성될 부분에 있는 코어 보호층(26)을 제거하여 코어층(24)이 노출되도록 하는데, 이때, 노출되는 영역(50)은 테이퍼가 형성될 영역보다 크게 하여 후속 패터닝에서 얼라인(align)의 여유를 제공한다.

이어 도 4b에서와 같이, 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하여 코어에 해당되는 부분의 포토레지스트(52)만 남겨둔다. 이후, 코어 보호층(26)과 코어층(24)을 식각하여 제거하고 포토레지스트를 제거시키면 제 2 실시 예의 도 3b에서 보여지는 바와 같은 동일한 상태가 되며, 이후의 공정은 제 2 실시 예와 동일하게 수행하여 광도파로의 코어 끝 부분에 수직방향 테이퍼를 형성시키게 된다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광도파로의 테이퍼형성 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광도파로 테이퍼 형성 방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 5a의 단계는 제 2 실시 예에서 도 3a의 후속 단계로, 테이퍼가 생겨날 부위의 코어 보호막(32)을 모두 제거하는 제 2 실시 예와는 달리, 테이퍼가 형성될 코어(30) 상부에 희생 패턴(sacrificial pattern)(40)을 형성한다. 이때 위 희생 패턴(40)의 목적은 패드와 코어 간의 접촉을 국지적으로 지연함으로써 테이퍼 형성을 제어하기 위함이며, 희생 패턴(40)의 크기와 패턴 밀도는 화학 기계적 연마공정 중에 패턴이 모두 제거되도록 설계되는 것이 바람직하다. 여기서 연마와 침식(erosion) 속도는 희생 패턴의 크기와 패턴 밀도에 반비례하므로 너무 작으면 연마 지연 효과가 없고 너무 크면 테이퍼 형성을 위한 연마 공정 시 제거가 어렵게 된다.

따라서 희생 패턴의 크기는, 패턴의 모양이 직사각형인 경우, 가로 세로 중 길이가 작은 변을 기준으로 0.2∼5um 인 것이 바람직하다. 한편 여러 개의 희생 패턴을 형성 할 수도 있는데, 이때는 패턴 크기뿐만 아니라 패턴 밀도도 중요한 인자로 작용한다. 패턴 밀도는 50%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

도 5b∼5d는 희생 패턴(40)이 형성된 경우 연마 진행에 따른 공정 단면들로서 희생 패턴의 역할 중 일 예를 보여주고 있는 것으로, 도 5b에서와 같이 희생 패턴(40)을 코어 끝 부분에 형성시킨다. 연마 진행 시 가장 빨리 연마되는 곳이 모서리 부분이기 때문에 도 5b에서 보여지는 바와 같이 끝 부분에 형성된 희생 패턴(40)은 코어 끝 부분의 연마를 지연시키게 된다.

이어 도 5c∼5d에서와 같이 코어에 대한 화학 기계적 연마를 수행한다. 이때 연마가 진행됨에 따라 희생 패턴(40)이 연마 내지는 침식되고 코어(30)에서 가장 빨리 연마되는 부분은 희생 패턴(40)과 코어 보호막(32) 사이가 되며, 희생 패턴이 제거된 이후에는 코어 모서리 부분의 연마가 가장 빨리 진행되어 도 5d에서와 같은 수직방향 테이퍼(38)가 형성된다. 위 희생 패턴의 역할은 위의 예에서 본 것과 같이 코어 모서리 부분의 연마를 지연하여 테이퍼 프로필을 완만하게 하는 것 외에도 패턴들의 위치와 크기를 조절함으로써 필요한 프로필을 얻을 수 있도록 한다.

도 6a 내지 6b는 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 광도파로의 테이퍼형성 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 먼저 도 6a에서와 같이, 1차 패터닝 및 식각 공정을 통해 희생 패턴(54)에 해당되는 보호막을 제외하고 테이퍼가 형성될 부분에 있는 코어 보호층(26)을 제거하여 코어층을 노출시킨다. 이 때, 노출되는 영역(50)은 테이퍼가 형성될 영역보다 약간 크게 하여 후속 패터닝에서 얼라인(align)의 여유를 제공한다.

이어 도 6b에서와 같이 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하여 코어에 해당되는 부분의 포토레지스트(52)만 남겨둔다. 이후, 코어 보호층(26)과 코어층(24)을 식각하여 제거한 후 포토레지스트를 제거하면, 제 4 실시 예에서 도 5a에서 보여지는 바와 동일한 상태가 되며, 이후의 공정은 제 4 실시 예와 동일하게 수행시켜 코어 끝 부분에 수직방향 테이퍼를 형성시키게 된다.

도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 제 6 실시 예에 따른 광도파로의 테이퍼 형성 방법을 도시한 공정 수순도이다. 이하 상기 도 7a 내지 도 7b를 참조하여 본 발명 의 다른 실시 예에 따른 광도파로 테이퍼 형성방법을 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 7a에서와 같이, 기판(20) 상에 클래딩층(22)과 코어층(24) 그리고 코어 보호층(26)을 형성한다. 포토레지스트(60)를 도포한 후 그레이스케일 마스크를 이용하여 코어와 테이퍼가 형성될 부분을 패터닝 한다. 이 때, 그레이스케일을 변화시켜 테이퍼가 형성될 부분의 포토레지스트는 현상 후 계단 모양의 구조(62)가 되도록 한다.

이어 도 7b에서와 같이, 노출된 코어 보호층(26)과 코어층(24)을 제거하기 위하여 식각을 하게 되면 포토레지스트도 역시 어느 정도 식각이 일어나게 되어 포토레지스트가 얇은 계단 아래지역부터 코어 보호층(26)이 노출되기 시작한다.

그런 후, 계속 식각을 진행하면 코어층(24)도 포토레지스트가 얇은 지역부터 순서대로 나타나게 되고 결국 테이퍼가 형성될 코어 부분은 포토레지스트 모양과 유사한 계단 모양의 구조(64)가 된다. 이때 코어 보호층(32)은 식각 후에도 코어(30) 위에 남아 있어야 하므로 이 부분과 계단 형성 부분의 그레이 스케일 차이를 충분히 두는 것이 바람직하다. 식각 공정 후, 계단 모양의 구조를 평탄화 하기 위하여 화학 기계적 연마를 실시하면 제 2 실시 예의 도 3f에서와 같은 테이퍼 구조를 갖는 코어가 형성되는 것이다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 광도파로 및 광도파로 테이퍼 형성에 있어서, 코어 보호막을 형성한 후 화학 기계적 연마 공정을 코어 제조에 이용하여 광학적으로 평탄한 코어 계면을 제공함으로써 계면 산란(scattering)을 최소화 하며, 보호막을 선택적으로 식각 제거한 후 화학 기계적 연마를 이용하여 수직방향 테이퍼를 코어에 제공함으로써 광도파로 연결 시 연결 손실을 줄여준다.

Claims (15)

1. 광도파로 형성 방법으로서,

   기판 상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

   상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 코어 보호층에 대한 패터닝과 식각 공정을 통해 상부에 보호막을 갖는 코어를 형성하는 단계와,

   상기 코어의 측면을 화학 기계적 연마를 통해 평탄화 하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 코어 보호층은, 적어도 하나 이상의 유전물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 형성 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유전물질은, Si 산화물, Si 질화물, Si 탄화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 형성 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 코어 보호층은, 적어도 하나 이상의 금속물질로 이루어진 것을 특징으 로 하는 광도파로 형성 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 금속물질은 Al, Ti, TiN, Ta, W, Cr 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로 형성 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 코어 보호층은, 상기 클래딩층과 동일한 유전물질인 것을 특징으로 하는 광도파로 형성 방법.
7. 광도파로의 테이퍼 형성 방법으로서,

   기판 상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

   상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 코어 보호층에 대한 1차 패터닝과 식각을 통해 상부에 보호막을 가지는 코어를 형성하는 단계와,

   상기 보호막에 대한 2차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위의 보호막을 제거하는 단계와,

   상기 보호막이 제거된 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어에 수직방향 테이퍼를 형성하는 단계

   를 포함하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
8. 광도파로 테이퍼 형성 방법으로서,

   기판 상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

   상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 코어 보호층에 대한 1차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위의 코어 보호층을 제거하여 코어층을 노출하는 단계와,

   상기 노출된 코어층과 코어 보호층 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계와,

   상기 포토레지스트를 이용하여 코어 보호층과 코어층에 대한 2차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위는 노출되며, 나머지 부위는 상부에 보호막을 가지는 코어를 형성하는 단계와,

   상기 노출된 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어에 수직방향 테이퍼를 형성하는 단계

   를 포함하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
9. 광도파로의 테이퍼 형성방법으로서,

   기판 상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

   상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 코어 보호층에 대한 1차 패터닝과 식각을 통해 상부에 보호막을 가지는 코어를 형성하는 단계와,

   상기 보호막에 대한 2차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위의 보호 막을 부분 제거시켜 테이퍼가 형성될 부위의 일정 영역에 희생 패턴을 형성하는 단계와,

   상기 희생 패턴이 형성된 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어에 수직방향 테이퍼를 형성하는 단계

   를 포함하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
10. 광도파로의 테이퍼 형성 방법으로서,

    기판상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

    상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

    상기 코어 보호층에 대한 1차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위의 코어 보호층을 부분 제거하여 코어층을 노출하는 단계와,

    상기 노출된 코어층과 코어 보호층 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계와,

    상기 포토레지스트를 이용하여 코어 보호층과 코어층에 대한 2차 패터닝과 식각을 통해 테이퍼가 형성될 부위의 일정 영역에 희생 패턴을, 나머지 부위엔 상부에 보호막을 가지는 코어를 형성하는 단계와,

    상기 희생 패턴이 형성된 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어상 수직방향 테이퍼를 형성하는 단계

    를 포함하는 광도파로의 테이퍼 형성방법.
11. 광도파로 테이퍼 형성 방법으로서,

    기판상에 클래딩층과 코어층을 순차적으로 형성하는 단계와,

    상기 코어층 상부에 코어 보호층을 형성하는 단계와,

    상기 코어 보호층 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계와,

    테이퍼가 형성될 부위의 코어상 포토레지스트를 그레이 스케일 마스크를 이용하여 계단 모양의 구조로 패터닝하는 단계와,

    상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로하여 코어 보호층과 코어층을 순차적으로 식각시켜 테이퍼가 형성될 부위의 코어층을 계단 모양으로 식각 노출하는 단계와,

    상기 노출된 계단 모양의 코어 상부로부터 화학 기계적 연마를 수행하여 코어상 수직방향 테이퍼를 형성하는 단계

    를 포함하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 코어 보호층은, 적어도 하나 이상의 유전물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 유전물질은, Si 산화물, Si 질화물, Si 탄화물 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
14. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 코어 보호층은, 상기 클래딩층과 동일한 유전물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.
15. 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 2차 패터닝과 식각공정을 통해 노출된 테이퍼 형성 부위의 코어는, 적어도 1회 이상의 추가 패터닝과 식각 공정을 통해 계단 모양의 구조로 형성시키는 것을 특징으로 하는 광도파로의 테이퍼 형성 방법.

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