KR100694794B1 - 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법 및 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는 광대역 평판형 증폭기 - Google Patents

텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법 및 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는 광대역 평판형 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 평판형 증폭기에 관한 것으로 특히, 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법 및 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는 광대역 평판형 증폭기에 관한 것이다.
본 발명은 텔루르 옥사이드 (Tellurium (VI) oxide)와 텅스텐 옥사이드 (Tungsten (VI) oxide)를 고상소결법을 이용하여 텅스텐 텔루라이트(TeO2-WO3)의 타겟을 제조하는 단계; 모재를 세척하는 단계; 증착 챔버내에서 RF스퍼터링을 이용하여 상기 타겟 물질을 상기 모재에 증착시켜 텅스텐-텔루라이트박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법 및 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는 광대역 평판형 증폭기{Method of Fabricating Tungsten-Tellurite Glass Thin Film and Wide-Band Plannar Amplifier having the Tungsten-Tellurite Glass Thin Film}
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명에 따른 텅스텐-텔루라이드 유리박막을 제조하는 과정을 설명하는 공정도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 제조된 텅스텐-텔루라이드 유리박막의 결정성 평가를 나타내는 그래프.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각기 본 발명의 텅스텐-텔루라이드 유리박막의 표면, 단면 및 성분분석 결과를 나타내는 도면.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 표면의 형태를 나타내는 도면.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각기 본 발명의 텅스텐-텔루라이트 유리박막의
RF파워, 온도 및 가스 조건에 대한 증착률을 나타내는 그래프.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 투과 스펙트럼과 굴절률을 나타내는 그래프.
본 발명은 광대역 평판형 증폭기에 관한 것으로 특히, 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법 및 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는 광대역 평판형 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 광통신 시스템에서 사용되는 광섬유 증폭기는 손실 특성으로 인한 중계 거리 제한과, 분산 특성으로 인한 전송 대역폭의 제한을 받는다.
이러한 중계거리로 인한 손실 증가로 파장분할 다중화(WDM:Wavelength Division Multiplexing) 채널 수가 제한을 받으므로 전기적 변환 없이 직접 광 신호를 증폭할 필요가 있었다.
근래, 전형적인 광섬유 증폭기를 대체하는 어븀첨가 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier:EDFA)가 실용화 되었다. EDFA는 어븀이라는 특수한 물질을 광 섬유에 도핑한 것으로, 광대역 파장 분할 다중화 전송 시스템에서 널리 사용되고 있다.
EDFA의 증폭원리는 펌프 광원으로 1.48㎛ 파장의 레이져 다이오드를 사용하여 빛 에너지를 펌핑함으로써 약한 광 신호를 직접 증폭하는 것이다.
이러한 EDFA는 모재로서 실리카계 유리를 사용하고 있다. EDFA에서 실리카계 유리를 사용하는 이유는 광섬유와 재질이 유사하여 전송손실이 적고 광섬유와의 접속손실이 적고 온도에 대한 안정성을 가지기 때문이다. 하지만 실리카계 유리를 기본으로 하는 EDFA는 1550 nm 파장 대역에서의 발광 피크의 반치폭(FWHM) 이 일반적으로 45 nm정도이다. 이 정도의 반치폭 값은 대용량의 정보를 전송하기 위한 광대역 전송시스템에서 사용하기에는 부족한 면이 있다.
따라서 이득 평탄화 대역폭을 넓힐 수 있는 방안이 마련되어져야 하는데 그 중 한가지 방법이 모재로서 1550nm 파장대역에서의 발광 피크의 반치폭이 80nm 정도인 텔루라이트 유리를 사용하는 것이다. 텔루라이트 유리는 넓은 투과 영역(0.35~6mm)을 가지고 있고 좋은 유리 안정성을 가지고 있으며, 유리 형성체들 중에 가장 낮은 진동 에너지(예를 들면 약 780cm-1)를 가지고 있으며, 높은 굴절율과 낮은 공정 온도, 높은 비선형 굴절율 그리고 화학적 내구성이 좋다는 장점을 가지고 있다.
이러한 텔루라이트 유리의 장점을 정리해보면 다음과 같다. 첫째, 0.2～3 ㎛의 투과 영역을 가지는 실리케이트 유리에 비하여 0.35～5㎛의 넓은 투과 영역을 가지고 있고, 둘째 플루라이드 유리와 비교하여 좋은 유리 안정성과 내식성을 가지고 있으며, 셋째 산화물 유리 형성체들(glass formers) 중에서 상대적으로 낮은 광자 에너지를 갖고 있고 (최대 포논 에너지가 약 800 cm-1 정도임), 넷째 플루라이드 유리(n=～1.5; n2=～10-21 ㎡/W)나 실리케이트 유리 (n=～1.46; n2=～10-20 ㎡/W)에 비하여 높은 굴절율 (n=1.8～2.3)과 높은 비선형 굴절율 (n2=2.5×10-19 ㎡/W)을 가진다. 또한 이 텔루라이트 유리는 TeO4 구조의 특수성 때문에 다른 재료들과 비교하여 가장 큰 대역폭을 가지고 있다. 예를 들면 1550 nm 파장 영역에서 반 치폭 값이 85 nm 정도로 광대역 EDFA의 호스트 물질로의 가능성이 매우 많다. 따라서 대용량의 광통신에서 DWDM 등에 사용이 가능하다.
그러나 텔루라이트 유리를 광대역 신호 전송용 EDFA로 사용하기에 두가지 결점이 있다. 첫째는 포논 에너지가 상대적으로 770 cm-1 로 퍼져나감이 너무 느려서 980nm 파장대역에서 펌핑 역할을 하지 못하는 것과 둘째로 연화온도가 290℃로 낮기 때문에 높은 광학적 강도에서 열 손상을 입을 가능성이 있다는 것이다.
그러므로, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광대역 평판형 증폭기에서 열특성이 우수한 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 이용하여 소형화, 슬림화될 수 있는 광대역 평판형 증폭기를 제공하는 데 있다.
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상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 텅스텐-텔루라이트 박막유리의 제조방법은 텔루르 옥사이드 (Tellurium (VI) oxide)와 텅스텐 옥사이드 (Tungsten (VI) oxide)로 고상소결법을 이용하여 텔루르 옥사이드와 텅스텐옥사이드의 조성비가 70:30인 타겟을 제조하는 단계; 아세톤, 메틸알콜, 에틸알콜 및 증류수를 이용하여 모재를 세척하는 단계; 아르곤(Ar)과 산소(O2)를 이용하여 상기 실리콘 기판상에 증착시켜 막을 현성하는 단계를 포함하며 챔버 안의 압력을 3×10-6 torr로 하는 것을 특징으로 하고 모재는 실리콘 기판 또는 코닝유리를 포함 한다.
상기 모재와 타겟 사이의 거리는 7㎝이며 실내 온도가 50℃내지 100℃이며 공정 압력이 5mTorr내지 15mTorr이고 최적의 공정 압력은 5mTorr이다.
상기 모재와 타겟 사이의 거리는 7cm로 유지되며, RF파워가 30W내지 120W이며 최적의 RF파워가 60W이다.
본 발명에 따른 광대역 평판형 증폭기은 상기 방법에 의해 제조된 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 갖는다.
삭제
이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 상세히 설명될 것이다.
삭제
도 1a, 도 1b, 및 도 1c를 참조하면, 본 발명에 따른 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 제조하는 공정도가 도시된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 텅스텐-텔루라이트 유리 박막을 만들기 위한 준비과정으로 순도 99.9%의 텔루르 옥사이드 (Tellurium (VI) oxide) 70몰%와 순도 99.99 %의 텅스텐 옥사이드 (Tungsten (VI) oxide) 30몰%를 고상소결법으로 TeO2-WO3의 2인치 타겟을 만들었다.
도 1b에서 볼 수 있듯이 모재, 예를들면, 실리콘 (001: 수직 윗쪽 방향의 결정성) 기판 또는 코닝 유리(corning glass)를 아세톤, 메틸알콜, 에틸알콜 및 증류수를 이용하여 각각 5분씩 세척한다.
본 발명에서 타겟을 먼저 만들고 나서 모재를 세척하는 단계가 진행되는 것으로 설명되었지만, 이와 달리 모재를 먼저 세척하고 나서 타겟을 만드는 단계가 순서적으로 진행 될 수도 있음을 알아야 할 것이다.
도 1c에 도시된 바와 같이, TeO2-WO3의 타겟과 실리콘 기판 또는 코닝 유리를 증착챔버, 예를들면 RF스퍼터링 장치에 넣고 반응성 가스, 예를들면 아르곤(Ar)과 산소(O2)를 이용하여 실리콘 기판 또는 코닝 유리 상에 타겟의 물질을 증착시킨다. 이 때 챔버 안은 터버펌프를 이용하여 대략 3 ×10-6 torr로 만들어주며, 타겟과 실리콘 기판 또는 코닝 유리 사이의 거리는 약 7cm 정도를 유지한다. 여기서 7cm는 타겟에 전자를 쏘았을 때 타겟의 물질이 모재에 잘 증착시킬 수 있는 거리이다.
스퍼터링 장치는 현재 산업체에서 가장 보편적으로 이용되고 있는 박막제조 장치이다. 스퍼터링 장치는 챔버 내에 아르곤(Ar) 혹은 기타 반응성 가스를 주입한 다음 플라즈마를 발생시켜 타겟에서 스프터아웃(sputter-out)된 원자 및 분자가 기판에 도달되어 박막이 형성되도록 한다. 여기서 RF파워는 모재에 텅스텐-텔루라이트가 잘 증착되도록 타겟과 모재사이에 플라즈마 층이 형성되는 것을 도와 모재에 타겟이 잘 증착되도록 하는 역할을 한다.
아래의 표 1에는 RF스퍼터링 장치에서 모재의 온도, 아르곤과 산소 가스 흘려주는 량, 공정 압력, 파워 등을 보이고 있다.
온도 (oC) 실내온도, 50, 70, 85, 100
공정압력 (mTorr) 5, 10, 15
RF 파워 (W) 30, 60, 90, 120
Ar/O2흘려주는 양 (sccm) 0/40, 10/30, 20/20, 30/10, 40/0
증착 시간 (min) 60
삭제
이하, 본 발명에 따른 텅스텐-텔루라이트 유리 박막을 제조하는데 필요한 각 공정 조건 특성과 그 특성에 따른 실험 결과를 설명한다.
유리 박막의 결정성, 미세구조 그리고 표면거칠기는 X-선 회절기(XRD) (X`Pert-PRO, Phililps, Netherland), 주사전자현미경(SEM) (S-4700, Hitachi co., Japan)그리고 원자력현미경(AFM) (nanoscope IV, Digital Instrument, USA)을 이용하여 조사하였다. 박막의 두께는 증착된 막의 단면을 주사전자 현미경을 이용하여 조사하였으며 광학 투과도는 UV-VIR-IR 분광기(U-3500, Hitachi co., Japan)를 이용하여 측정하였다. 박막의 투과 스펙트럼은 300nm에서 1100nm 파장대역에서 측정하였다. 측정된 투과스펙트럼을 이용하여 굴절률을 구하였다.
먼저, 다른 공정 조건은 도1a, 도1b 및 도1c에서와 같은 조건으로 고정을 시키고(60W, 5mTorr, 1h) 기판온도에 대한 결정성을 평가하였다. 도 2a 및 도 2b에서 보듯이 상온에서 증착된 박막을 제외한 모든 박막에서 WO3 결정 피크가 나타난다. 이러한 결과는 상온에서 증착할 때 텅스텐-텔루라이트 유리 박막이 얻어진다는 것을 보여준다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 주사전자 현미경을 이용하여 60W, 5mTorr 그리고 Ar:O2(20:20)에서 증착된 텅스텐-텔루라이트 박막의 표면, 단면, 그리고 성분분석 을 실행한 결과 데이터이다. 이때, 증착된 텅스텐-텔루라이트 박막의 미세구조와 성분 분석은 주사전자현미경을 이용하여 분석하였다. 도 3에서 보는 바와 같이, 표면과 단면을 통하여 어떠한 결정상도 관찰되지 않았으며 성분 분석을 통하여 텔루르(Te)와 텅스텐(W) 그리고 산소(O)의 존재 여부를 확인하였다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각기 RF 파워와 공정압력을 각각 60W, 5mTorr로 고정시키고 Ar/O2 흐름비를 바꿔주면서 증착시킨 텅스텐-텔루라이트 유리 박막의 표면의 형태를 보여주는 원자력현미경(AFM)의 사진이다. 도 4의 모든 AFM 사진은 미세구조는 균일하며 4~6nm의표면거칠기를 얻을 수 있었다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c 각기 상온에서 파워, 압력 가스비를 변화시키면서 증착된 텅스텐-텔루라이트 유리 박막의 증착률을 보여준다. 증착률은 공정변수에 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있었다. Rf 파워가 증가할수록 공정압력이 감소할수록 증착률은 높아졌다.
특히 아르곤과 산소의 가스량을 40sccm/0sccm에서 0sccm에서 40sccm으로 변화시킬 때 그 변화폭은 더 커진다. 아르곤 분위기에서 증착될 때에 0.2㎛ /h 의 증착률을 보였지만 산소분위기에서는 1.5㎛ /h 도 얻을 수 있었다.
도 6a 및 도 6b는 60W, 5mTorr, Ar:O2(0:40)에서 증착된 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 투과스펙트럼과 굴절률을 나타내는 그래프이다.
이때, 코닝유리를 기판으로 하여 증착된 박막의 투과도는 텅스텐-텔루라이트 유리 박막의 굴절률을 측정하기 위하여 UV-VIR-IR 분광기를 이용하여 측정하였다. 각각은 300nm에서 1100nm까지 측정되었다. 간섭무늬는 증착된 박막이 균일하다는 것을 보여주고 있다. 박막의 투과스펙트럼을 통하여 측정된 굴절률은 기존의 실리케이트 유리의 굴절률(약 1.45)보다 높은 1.8에서 2.3정도의 굴절률을 얻을 수 있다. 파장이 커질수록 굴절률의 값은 작아지는 것 또한 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 실리콘 기판과 코닝 글래스(corning glass) 위에 증착된 텅스텐-텔루라이트 유리 박막의 공정 조건 특성에 대하여 조사하였다. 상온에서의 증착된 것은 모두 비정질임을 확인할 수 있었다. Rf 파워를 높이고 공정압력을 낮추고 아르곤 / 산소 비가 작아질수록 증착률은 커짐을 확인할 수 있었다. 투과스펙트럼을 이용하여 1.8에서 2.3의 굴절률을 얻을 수 있었으며 이는 파장이 길어짐에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 텅스텐-텔루라이트 유리박막은 980nm의 파장 대역의 광신호를 펌핑할 수 있으며, 열손상에 강한 광학적 특성을 갖는다. 본 발명에 따른 광대역 평판형 증폭기는 상기 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 이용하여 넓은 광대역폭을 가질뿐 아니라 소형화, 슬림화될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (11)

  1. 텔루르 옥사이드 (Tellurium (VI) oxide)와 텅스텐 옥사이드 (Tungsten (VI) oxide)를 고상소결법을 이용하여 텅스텐 텔루라이트(TeO2-WO3)의 타겟을 제조하는 단계; 및
    증착 챔버내에서 RF스퍼터링을 이용하여 모재에 상기 타겟의 물질을 증착시켜 텅스텐-텔루라이트 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 텅스텐 텔루라이트의 타겟은 70몰%의 텔루르 옥사이드이고 30몰%의 텅스텐 옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재를 세척하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 안의 압력을 3 ×10-6 torr로 하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재는 실리콘 기판 또는 코닝유리인 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재와 상기 타겟 사이의 거리는 7㎝로 유지되는 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 실내 온도가 50℃내지 100℃인 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 공정 압력이 5mTorr내지 15mTorr인 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 챔버내 RF파워는 30W내지 120W인 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착시간이 60분인 것을 특징으로 하는 텅스텐-텔루라이트 유리박막의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 텅스텐-텔루라이트 유리박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 광대역 평판형 증폭기.
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