KR100751178B1 - 히터 저항 어레이 - Google Patents

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KR100751178B1
KR100751178B1 KR1020010003678A KR20010003678A KR100751178B1 KR 100751178 B1 KR100751178 B1 KR 100751178B1 KR 1020010003678 A KR1020010003678 A KR 1020010003678A KR 20010003678 A KR20010003678 A KR 20010003678A KR 100751178 B1 KR100751178 B1 KR 100751178B1
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슐테도널드더블유
고제일아담엘
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

히터 저항(56) 및 히터 저항과 연관된 열 전도성 영역(58)을 갖는 히터 서브구조(11)를 포함하며, 히터 서브구조의 열 특성을 조절하도록 구성되는 열 구동 유체 광 스위칭 회로가 개시되어 있다.

Description

히터 저항 어레이{RESISTOR ARRAY WITH POSITION DEPENDENT HEAT DISSIPATION}
도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 열 구동 유체 광 스위칭 회로를 도시하는 개략적인 정면도,
도 2는 도 1의 광 스위칭 회로의 히터 저항 어레이를 도시하는 개략적인 상면도,
도 3은 대표적인 히터 저항 영역의 측면에서 취해진 도 1의 회로의 히터 서브구조의 하나의 예를 도시하는 스케일링되지 않은 개략적인 단면도,
도 4는 대표적인 히터 저항 영역의 측면에서 취해진 도 1의 회로의 히터 서브구조의 추가적인 예를 도시하는 스케일링되지 않은 개략적인 단면도,
도 5는 도 4의 히터 서브구조의 비아 구조를 도시하는 상면도,
도 6은 도 4의 히터 서브구조의 다른 비아 구조를 도시하는 상면도,
도 7은 대표적인 히터 저항 영역의 측면에서 취해진 도 1의 회로의 히터 서브구조의 다른 예를 도시하는 스케일링되지 않은 개략적인 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
히터 서브구조 : 11 도파관 기판 : 13
열 구동 유체 광 스위치 : 21 실리콘 기판 : 51
열 산화물 층 : 53 실리콘 이산화물 층 : 54
저항 층 : 55 히터 저항 : 56
금속화물 층 : 57 금속 슬래브 : 58
실리콘 질화물 층 : 59 실리콘 탄화물 층 : 60
탄탈 서브영역 : 61 비아 : 158
본 발명은 전반적으로 광 스위칭 회로(optical switching circuit)에 관한 것이며, 구체적으로는, 광 스위칭 소자의 상태를 제어하기 위해 히터 저항 (heater resistor)을 사용하는 광 스위칭 회로에 관한 것이다.
광섬유는 매우 높은 대역폭을 제공하기 때문에, 전화 및 데이터 통신에서 도전성 와이어(conductive wire)를 대체하고 있고, 무선 주파수 잡음에 대해 면역성을 가지며, 사실상 어떠한 전자기 간섭도 발생시키지 않는다. 광섬유의 비용이 감소함에 따라, 광섬유의 용도는 광 신호 경로의 상호접속을 동적으로 재구성하는 스위칭을 필요로 하는 애플리케이션으로까지 확대되고 있다.
알려진 광 스위칭 방안은 복수의 광 도파관 세그먼트(waveguide segments)가 교차하는 갭(gap) 내의 유체의 유무를 열적으로(thermally) 제어하는 것을 수반한다. 이 방안은, 예를 들어, 복수의 열 구동 유체 광 스위치(thermally actuated fluidic optical switch)를 구비한 도파관 기판 및 이 도파관 기판에 인접 배치된 히터 기판을 포함하는 광 스위칭 회로로 구현될 수 있다. 히터 기판은, 예를 들어, 구동 버블(drive bubble)을 형성하여 유체의 유무에 대한 함수로서 광을 전송 또는 반사하는 도파관 기판 내의 갭 안팎으로 유체를 이동시킴으로써 광 스위치를 열적으로 선택적 구동하는 히터 저항의 어레이를 포함한다.
전술한 유체 광 스위칭 회로에서 고려할 사항은 히터 기판 내의 히터 저항의 불균일(non-uniform) 열 특성이다. 예를 들어, 히터 기판의 중간부에 가까운 저항은 히터 기판의 에지에 가까운 저항보다 더 적은 열용량(heat capacity)을 갖는다. 불균일 열 특성은 성능을 열화시키고, 또한 히터 기판의 중앙에 가까이 위치한 저항에 대한 신뢰성 문제를 야기할 수도 있다.
따라서, 개별적으로 조절가능한 국소적 열 분산 특성(localized heat dissipation characteristics)을 갖는 광 스위칭 회로 히터 저항 어레이가 필요하다.
개시된 본 발명은 박막 집적 회로 서브구조(thin film integrated circuit sub-structure), 박막 서브구조 내에 규정된 복수의 히터 저항, 및 박막 서브구조 내에 규정되고 상기 히터 저항으로부터 유전체적으로 분리된 복수의 열 전도성 영역을 포함하되, 각각의 열 전도성 영역은 히터 저항 중 연관된 하나의 히터 저항에 근접 위치하여, 그 연관된 히터 저항으로부터의 열을 분산시키며, 연관된 히터 저항의 열 분산 용량을 조절(adjust or tailor)하도록 선택된 영역을 갖는 히터 저항 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 특정한 실시예에 있어서, 히터 저항은 평면 히터 저항이고, 열 전도성 영역은 평면(planar) 금속 영역이다.
개시된 발명의 장점 및 특징은 당업자라면 이하의 상세한 설명을 도면과 관련지어 읽으면 용이하게 이해될 것이다. 이하의 설명과 도면에 있어서, 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호에 의해 식별된다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명이 사용될 수 있으며, 복수의 열 구동 유체 광 스위치(21)를 구비한 도파관 기판(13) 및 도파관 기판의 한 면에 인접 배치된 집적 회로 또는 박막 히터 서브구조 또는 다이(11)를 일반적으로 포함하는 열 구동 유체 광 스위칭 회로의 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 박막 히터 서브구조 또는 다이(11)는 도파관 기판(13) 내의 유체 광 스위치를 열적으로 구동하기 위해 규정된 히터 저항(56)을 포함하고, 일반적으로 실리콘과 같은 기판 및 그 위에 형성된 박막 층을 포함한다. 도 1의 열 구동 유체 광 스위칭 회로는 또한 도파관 기판(13)의 다른 면에 추가적인 박막 히터 서브구조(15)(점선으로 도시함)도 포함할 수 있다. 본 발명이 구현될 수 있는 열 구동 유체 광 스위칭 회로의 예는 본 명세서에서 참조로 인용되는 포우켓(Fouqet) 등의 미합중국 특허 제 5,699,462호에 개시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 히터 저항 구조 어레이를 도시하는 박막 히터 서브구조(11)의 상면도가 개략적으로 도시되어 있다. 박막 히터 서브구조 (11)는 복수의 저항(56), 및 히터 저항(56)의 하부에 존재하여 제각기 연관된 히터 저항(56)으로부터의 열을 분산시키는 복수의 열 전도성 영역(58)을 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 히터 저항(56)은 박막 저항을 포함하며, 열 전도성 영역은 금속 영역 또는 슬래브(slab)를 포함한다. 도 2에서, 박막 히터 서브구조의 에지에 가까운 히터 저항과 연관된 열 전도성 영역은 그 열 전도성 영역이 그들의 연관된 히터 저항을 넘어서 측면으로 연장되지 않는다는 것을 표시하기 위해 도시하지 않는다.
열 전도성 영역은 히터 저항을 박막 히터 서브구조(11)의 기판에 열적으로 연결하며, 본 발명에 따르면, 각각의 열 전도성 열 분산 영역(58)은 특정한 히터 저항 및 연관된 열 전도성 영역에 의해 형성된 특정한 히터 저항 구조의 열 분산 용량을 조절(tailor or adjust)하도록 개별적으로 구성되어, 예를 들어, 박막 히터 서브구조(11)의 열적 프로파일(profile)을 구성한다. 특히, 열 전도성 영역의 열 분산 용량은 열 전도성 영역이 증가함에 따라 증가하고, 히터 저항 구조의 열 용량은 특정한 히터 저항 구조의 열 전도성 영역의 면적을 조절함으로써 조절된다.
장착(mounting) 및 밀봉(sealing) 구조가 박막 히터 서브구조의 에지에 부착되는 특정한 예를 들면, 박막 히터 서브구조(11)의 중간부에 있는 열 전도성 영역(58)은 박막 히터 서브구조(11)의 에지에 가까운 열 전도성 영역(58)보다 더 넓은 면적을 갖도록 구성되어, 예를 들어, 박막 히터 서브구조(11)에 더욱 균일한 열 특성을 제공할 수 있다. 이것은 그것의 에지에 부착된 장착 및 밀봉 구조를 갖는 박막 히터 서브구조(11)의 에지에 가까운 히터 저항이 장착 및 밀봉 구조에 더 가까워서 큰 열 분산 용량을 갖지만, 박막 히터 서브구조의 중간부에 있는 히터 저항은 박막 히터 서브구조의 유전체 층의 상대적으로 불량한 열 전도성으로 인해 적은 열 분산 용량을 갖기 때문에 발생한다.
장착 구조가 박막 히터 서브구조(11)의 중간부에 부착되는 다른 예를 들면, 박막 히터 서브구조(11)의 에지에 가까운 열 전도성 영역(58)은 박막 히터 서브구조(11)의 중간부에 있는 열 전도성 영역(58)보다 더 넓은 면적을 갖도록 구성되어, 예를 들어, 박막 서브구조(11)에 더 균일한 열 특성을 제공할 수 있다.
일반적으로, 박막 히터 서브구조(11)의 열 분산 특성, 패턴, 또는 프로파일은 박막 서브구조 내의 위치에 대한 함수로서 열 전도성 영역의 면적을 변화시키거나 선택함으로써 조절(tune)된다는 것을 이해해야 한다.
박막 히터 서브구조(11)는, 예를 들어, 본 명세서에서 참조로서 인용되고 공동 양도된 미합중국 특허 제 4,719,477호와 제 5,317,346호에 개시되어 있는 바와 같이, 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition), 포토레지스트 증착, 마스킹(masking), 현상 및 에칭을 포함하는 표준 박막 집적 회로 프로세싱에 따라서 제조될 수 있다.
도 3을 참조하면, 대표적인 히터 저항(56)을 따라 취해진 히터 서브구조(11)의 특정 구현예의 스케일링되지 않은(unscaled) 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 박막 히터 서브구조(11)는 보다 구체적으로 실리콘 기판(51), 실리콘 기판(51) 위에 배치된 열 성장(thermally grown) 실리콘 이산화물 층(53), 및 열 산화물 층(53) 상에 배치되는 슬래브(58) 또는 금속 서브영역(subarea)을 포함하는 패턴화된 금속화물 층을 포함한다. 증착된 실리콘 이산화물 층(54)은 금속 서브영역(58)을 포함하는 제 1 금속화물 층 위에 배치되고, 예를 들어 탄탈 알루미늄(tantalum aluminum)을 포함하는 저항 층(55)은 증착된 산화물 층(54) 상에 형성된다. 예를 들어, 소량의 구리 및/또는 실리콘으로 도핑된 알루미늄을 포함하는 패턴화된 금속화물 층(57)은 저항 층(55) 위에 배치된다.
금속화물 층(57)은 적절한 마스킹 및 에칭에 의해 규정되는 금속화 트레이스(trace)를 포함한다. 금속화물 층(57)의 마스킹 및 에칭은 또한 저항 영역도 규정한다. 특히, 저항 층(55) 및 금속화물 층(57)은, 히터 저항이 형성되는 영역에서 금속화물 층(57)의 트레이스 부분이 제거된다는 것을 제외하면, 일반적으로 서로 정렬한다. 이런 방식으로, 금속화물 층(57) 내에 있는 트레이스의 개구부(opening) 내의 전도성 경로는 전도성 트레이스 내의 갭 또는 개구부에 위치한 저항 층(55)의 일부를 포함한다. 다른 방식으로 설명한다면, 저항 영역은 저항 영역 주변부 상의 상이한 위치에서 종단(terminate)하는 제 1 및 제 2 금속 트레이스를 제공함으로써 규정된다. 제 1 및 제 2 트레이스는 제 1 및 제 2 트레이스의 종단부들 사이에 있는 저항 층의 일부를 효과적으로 포함하는 저항의 리드(lead) 또는 단자를 포함한다. 저항을 형성하는 이 기술에 따라서, 저항 층(55) 및 금속화물 층은 서로 정렬하는 패턴화된 층을 형성하도록 동시에 에칭될 수 있다. 그 후, 개구부는 금속화물 층(57) 내에서 에칭되어 저항을 규정한다. 따라서 히터 저항(56)은 특히 금속화물 층(57) 내의 트레이스 내에서의 갭에 따라서 저항 층(55) 내에 형성된다.
금속 서브영역(58)은 연관된 히터 저항(56)의 아래에 근접 위치하고, 열 분산용 열 전도성 영역을 포함하다. 본 발명에 따르면, 일반적으로 평면인 금속 서브영역의 면적은 히터 저항 및 연관된 금속 서브영역에 의해 형성된 박판(laminar) 히터 저항 구조를 위해 원하는 열 분산 용량을 달성하도록 개별적으로 구성된다. 이것은 박막 히터 서브구조(11)의 열 특성을 조절하게 한다.
실리콘 질화물(Si3N4) 층(59) 및 실리콘 탄화물(SiC) 층(60)을 포함하는 복합 패시베이션 층(composite passivation layer)은 금속화물 층(57), 저항 층(55)의 노출된 부분, 및 산화물 층(53)의 노출된 부분 위에 배치된다. 선택적으로, 탄탈 서브영역(61)을 포함하는 탄탈 패시베이션 층은 히터 저항(56) 위의 복합 패시베이션 층(59, 60) 상에 배치되어, 예를 들어, 히터 저항의 선택적 활성화에 따라서 도파관 기판(13) 내의 유체에 발생하는 구동 버블을 붕괴시키는 캐비테이션 압력(cavitation pressure)을 흡수하는 기계적 패시베이션을 제공할 수 있다.
도 4를 참조하면, 대표적인 히터 저항(56)을 따라 취해진 히터 서브구조(11)의 다른 구현예의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 4의 히터 서브구조(11)는 도 3의 히터 서브구조(11)와 유사하고, 비아(158)에 의해 실리콘 기판(51)에 전기적으로 접촉되는 금속 슬래브(58)를 포함한다. 비아(158)는 도 5에 도시된 바와 같은 원통형 비아, 또는 도 6에 도시된 바와 같은 선형 비아를 포함할 수 있다. 비아(158)는, 예를 들어, 슬래브(58)가 형성되는 제 1 금속화물 층의 증착에 앞서 열 산화물 층(53)의 비아 개구부를 에칭함으로써 형성된다. 본 발명에 따르면, 각 금속 슬래브(58)의 영역은 특정한 히터 저항 구조를 위해 원하는 열 분산 용량을 규정하도록 개별적으로 구성된다.
도 7을 참조하면, 대표적인 히터 저항(56)을 따라 취해진 히터 서브구조(11)의 또 다른 구현예의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 7의 히터 서브구조(11)는 도 3의 히터 서브구조(11)와 유사하고, 실리콘 기판(51) 상에 배치되어 실리콘 기판(51)에 전기적으로 접촉하는 금속 슬래브(58)를 포함한다. 금속 슬래브(58)는 기본적으로 넓은 접촉부(large contact)이며, 예를 들어, 금속 슬래브(58)가 형성되는 제 1 금속화물 층의 증착에 앞서 열 산화물 층(53) 내의 적합한 개구부를 에칭함으로써 형성된다. 본 발명에 따르면, 금속 슬래브(58) 각각의 영역은 특정한 히터 저항 구조를 위해 원하는 열 분산 용량을 규정하도록 제각기 선택된다.
박막 히터 서브구조(11)는 능동 소자(active device)를 포함할 수 있는데, 이 경우에는 열 산화물 층(53)의 형성과 금속 슬래브(58)를 포함하는 금속화물 층의 형성 사이에 추가적인 층이 형성될 것이라는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 폴리 실리콘은 열 산화물 층 상에 증착되고 패턴화되며, 도핑된 산화물 층은 증착되고, 조밀화(densified)되며, 리플로우(reflowed)될 것이다. 그 후, 제 1 금속화물 층이 증착되고 패턴화될 것이다.
이와 같이 광 스위칭 회로에 유용하며, 유리하게는 제각기 조절되는 열 분산 특성을 갖는 열 저항을 포함하는 히터 서브구조를 전술하였다.
이상의 설명은 본 발명의 특정 실시예를 설명 및 예시하였지만, 당업자라면 이하의 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정과 변경을 할 수 있을 것이다.
본 발명은 박막 집적 회로 서브구조, 복수의 히터 저항 및 복수의 열 전도성 영역을 포함하는 히터 저항 어레이를 제공하여 연관된 히터 저항의 열 분산 용량을 조절하게 하는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 히터 저항 어레이(a heater resistor array)에 있어서,
    박막 서브구조(a thin film substructure)(11)와,
    상기 박막 서브구조 내에 형성된 복수의 히터 저항(56)과,
    상기 히터 저항과 제각기 연관되고 상기 히터 저항으로부터 절연적으로 분리된 복수의 열 전도성 영역(thermally conductive regions)(58) - 각각의 상기 열 전도성 영역은 상기 히터 저항 중 연관된 히터 저항에 가까이 위치하여 상기 연관된 히터 저항으로부터의 열을 분산시킴 - 을 포함하되,
    상기 열 전도성 영역은 상기 히터 저항 중 연관된 히터 저항 각각의 열 분산 용량을 조절(tailor)하도록 선택된 각각의 면적을 갖는
    히터 저항 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 저항은 평면(planar) 히터 저항을 포함하고, 상기 열 전도성 영역은 평면 열 전도성 영역을 포함하는 히터 저항 어레이.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평면 열 전도성 영역은 평면 금속 영역을 포함하는 히터 저항 어레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평면 히터 저항은 실리콘 이산화물(53)에 의해 상기 평면 금속 영역으로부터 분리되는 히터 저항 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막 서브구조는 실리콘 기판(51)을 포함하는 히터 저항 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 서브구조는 실리콘 기판(51)을 포함하고, 상기 열 전도성 영역은 금속 영역을 포함하는 히터 저항 어레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 실리콘 기판과 접촉하는 히터 저항 어레이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 영역을 상기 실리콘 기판에 접촉시키기 위한 금속 비아(vias)(158)를 더 포함하는 히터 저항 어레이.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 금속 접촉 슬래브(slabs)를 포함하는 히터 저항 어레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도성 영역의 상기 면적은 상기 박막 서브구조 내의 제각기의 열 전도성 영역의 위치에 따라 변하는 히터 저항 어레이.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 박막 서브구조의 중간부에 있는 열 전도성 영역은 상기 박막 서브구조의 에지(edges)에 가까운 열 전도성 영역의 면적보다 더 넓은 제각기의 면적을 갖는 히터 저항 어레이.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 박막 서브구조의 중간부에 있는 열 전도성 영역은 상기 박막 서브구조의 에지에 가까운 열 전도성 영역의 면적보다 더 작은 제각기의 면적을 갖는 히터 저항 어레이.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 서브구조에 인접하고, 상기 히터 저항로부터의 열 에너지에 의해 구동되는 복수의 유체 광 스위칭 소자(optical switching elements)를 갖는 도파관 기판(a waveguide substrate : 13)을 더 포함하는 히터 저항 어레이.
KR1020010003678A 2000-01-28 2001-01-26 히터 저항 어레이 KR100751178B1 (ko)

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US09/493,950 2000-01-28

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