KR100766413B1 - 집적광학소자의 제조방법 - Google Patents

집적광학소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 주파수 응답 특성을 갖는 집적광학소자의 제조방법에 관한 것이다. 고온에서 이루어지는 광도파로 형성 공정에서 기판 표면에 불순물 오염 및 격자결함이 발생하여 집적광학소자의 주파수 응답 특성이 저하된다. 기존의 플라즈마 건식과 달리, 본 발명에서는 연마에 의해 기판 표면을 깎아내기 때문에 후공정에 필요한 마스크 키가 훼손되지 않아 광도파로 손실 증가의 문제를 피할 수 있다. 따라서, 주파수 응답 특성이 탁월하고, DC 드리프트(drift) 현상이 현저히 감소된 우수한 전기광학 특성의 집적광학소자를 제조할 수 있다.

Description

집적광학소자의 제조방법 {FABRICATION METHOD OF INTEGRATED OPTIC DEVICE}
도 1 은 양자교환법에 의해 수소이온이 양자원으로부터 리튬니오베이트 기판으로 확산하는 현상을 나타낸 단면도,
도 2a 및 도 2b 는 종래기술에 따라 리튬니오베이트 기판의 격자결함 영역을 제거하는 공정 순서도,
도 3a 내지 도 3e 는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판의 저면에 형성된 마스크 키를 이용하여 리튬니오베이트 기판의 격자결함 및 불순물 오염 영역을 제거하는 공정 순서도,
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 기판 상면에 부분적으로 식각이 이루어진 좁은 영역 안에 형성된 마스크 키를 나타낸 단면도,
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 기판 면적보다 작은 면적을 가지는 연마 치공구에 의한 연마 공정을 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 리튬니오베이트 기판 102 : 확산방지막
104 : 양자원 106 : 광도파로
108 : 식각 가스 110 : 격자결함
112 : 거친 표면 114 : 마스크 키
116 : 연마 치공구 118 : 홀더
120 : 금속 박막 122 : 포토리지스트
124 : 전극 126 : 식각이 이루어진 좁은 영역
본 발명은 집적광학소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집적광학소자의 제조과정에서 마스크 키가 손상되지 않도록 함으로써 설계된 위치에 광도파로와 전극을 형성하여 우수한 전기광학 특성을 갖는 집적광학소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
리튬니오베이트는 높은 전기광학 효과를 가지는 물질로 리튬니오베이트 결정구조에 전극을 통하여 전계를 인가하면 굴절율의 변화가 일어나는데 이를 전기광학효과(electrooptic effect)라 부르며, 리튬니오베이트는 집적광학소자를 만드는 중요한 기판 중 하나이다. 집적광학소자의 대표적인 경우가 광스위치, 광필터, TE/TM 모드변환기, 고속 광변조기 등이 있으며, 일반적으로 집적광학소자에 광도파로를 형성하는 방법으로 티타늄 내부확산 방법과 양자교환법이 있다.
이 중 양자교환법은 정상굴절률은 감소시키고 이상굴절률은 증가시키는 특성을 갖는데, 이러한 특성은 입사하는 빛의 편광을 선택할 수 있어 높은 편광 소멸비를 요구하는 고성능 광섬유 자이로스코프를 위한 집적광학소자 제조방법으로 사용된다.
양자교환법은 양자교환에 사용되는 물질과 온도에 따라 어닐드 양자 교환(Anealed Proton Exchange; APE) 방식과 고온양자교환법으로 구분되는데, 고온양자교환법은 끊는점이 370℃로 지방산중 가장 높은 스테아르산(stearic acid)을 양자원으로 사용한다. 이 경우 370℃에서 양자교환이 이루어지게 되므로 리튬니오베이트 기판의 리튬(Li) 이온 위치로 대체된 수소(H) 이온이 리튬니오베이트 기판 내부로 확산된다. 도 1 에 양자교환법을 도시하였다.
고온양자교환법에 의해 광도파로가 형성된 후, 광도파로를 제어하기 위한 전극 증착공정이 뒤따르게 되는데, 이를 위해서 리튬니오베이트 기판에 형성되어 있는 양자교환 확산방지막의 제거가 필요하다. 양자교환 확산방지막으로는 실리콘 산화막 또는 알루미늄(Al), 티타늄나이트라이드(TiN) 등과 같은 금속박막이 단독 또는 복수로 사용된다. 이러한 양자교환 확산방지막의 이용은 리튬니오베이트 기판에 선택적으로 광도파로를 형성할 수 있게 한다.
양자교환 확산방지막의 제거방법으로는, 금속 박막의 경우 해당되는 식각액(etchant)을 사용하고, 실리콘 산화막의 경우 불산을 이용한다.
그러나, 370℃에서의 양자교환 공정이 종료된 후, 리튬니오베이트 기판 일부 영역에 위치한 확산방지막은 스테아르산과의 반응에 의해 그 성질이 변하여 때로는 해당되는 식각액 또는 불산으로 제거가 불가능하게 되기도 한다.
또한, 양자교환 공정 용기(process container)에 부착되어 있던 불순물 또는 확산방지막 성분들이 오염원으로 작용하여 양자교환이 이루어진 영역, 즉 광도파로 영역으로 확산되어 리튬니오베이트 광도파로 격자결함의 원인이 된다. 이러한 불순물 확산에 따른 격자결함은 집적광학소자의 출력광이 시간에 따라 감소하거나 증가하는 디시(DC; Direct current) 드리프트(drift) 현상 및, 주파수 응답 특성이 나빠지는 등의 전기광학효과 감퇴현상을 초래한다.
앞서 기술했던 리튬니오베이트 격자결함 부분을 제거하기 위한 기술로서 종래에는 도2a 및 도 2b 와 같이 플라즈마에 의한 건식식각을 진행한다.
도 2a 에 도시된 바와 같이, 격자결함 영역을 식각 가스를 사용하는 플라즈마 건식 식각 장비에 의해 제거할 경우, 식각이 진행됨에 따라 리튬니오베이트 기판 지름방향으로 식각율의 차이가 발생하고, 거친 표면을 가지게 되어 후공정에 필요한 사진식각공정용 마스크 키를 훼손하여 마스크 정합을 어렵게 만들며, 기형성된 광도파로의 도파 손실을 증가시킨다. 또한, 성질이 변한 확산방지막의 제거는 불가능한 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사진식각공정용 마스크 키의 손상을 방지하면서 리튬니오베이트 기판의 상면을 연마하여 확산방지막 및 기판 격자결함 영역을 제거함으로써 전기광학효과 감퇴를 미연에 방지하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 집적광학소자의 제조방법은,
기판의 저면에 마스크 키를 형성하는 단계; 상기 기판 위에 양자교환 확산방 지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계; 상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계; 상기 확산방지막을 제거하는 단계; 상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 제거하는 단계; 및 상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 마스크 키에의 정합은 양면 마스크 얼라이너(dual-side mask aligner)를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 격자결함은 상기 기판의 상면을 연마하여 제거할 수 있다.
이때, 상기 연마 공정시 전 단계에서 제거되지 않은 확산방지막도 함께 제거할 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 집적광학소자의 제조방법은,
기판 상면의 일부분에 하기 연마 공정에서 식각할 깊이보다 더 깊게 형성한 좁은 영역 안에 마스크 키를 형성하는 단계; 상기 기판 위에 양자교환 확산방지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계; 상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계; 상기 확산방지막을 제거하는 단계; 상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 연마 공정에 의해 제거하는 단계; 및 상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연마 공정시 전 단계에서 제거되지 않은 확산방지막도 함께 제거 할 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 집적광학소자의 제조방법은,
기판 상면의 가장자리 부분에 마스크 키를 형성하는 단계; 상기 기판 위에 양자교환 확산방지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계; 상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계; 상기 확산방지막을 제거하는 단계; 상기 기판 상면의 면적보다 좁은 면적을 가짐으로써 상기 마스크 키와 접촉하지 않는 연마 치공구를 사용하여 상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 제거하는 단계; 및 상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연마 공정시 전 단계에서 제거되지 않은 확산방지막도 함께 제거할 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 집적광학소자 제조방법에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 3a 내지 도 3e 는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적광학소자의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3a 에 도시된 바와 같이, 양자교환 확산방지막(102)이 정의되어 있는 리튬니오베이트 기판(100)에 양자교환 공정을 진행한다. 양자교환 확산방지막(102)은 리튬니오베이트에 대해 식각 선택성이 있는 절연막, 도전막 및 반도체막 중에서 어느 하나로 형성할 수도 있다. 리튬니오베이트 기판(100) 후면에는 금속박막 또는 산화막으로 이루어진 사진식각공정용 마스크 키(114)가 형성되어 있다.
이러한 양자교환 공정에 의해 양자원(104)으로부터 H 이온은 확산방지막이 없는 리튬니오베이트 기판(100) 영역으로 확산되며, 확산방지막(102)도 고온에서 양자원(104)과 반응하며 물성이 바뀌어 때때로 습식 식각이나 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 제거가 어렵게 되기도 한다.
양자교환 공정 후 확산방지막(102)을 습식 식각 공정으로 제거한다. 양자교환 공정 용기에 부착되어 있던 불순물 또는 확산방지막 성분에 의해 광도파로에 형성된 격자결함(110)과 H 이온의 확산에 의해 형성된 광도파로(106)를 가지는 리튬니오베이트 기판을 도 3b 에 도시하였다.
이후 광도파로(106) 주변으로 전극(124)을 형성하는 공정이 필요하다. 이때, 보다 나은 전기광학 효과 실현 및 높은 품질의 주파수 응답 특성을 얻기 위해 리튬니오베이트 기판(100)의 격자결함(110) 영역을 제거할 필요가 있다.
종래에는 도 2a 및 도 2b 에서 예시한 바와 같이, 리튬니오베이트 기판(100) 상면의 식각을 위해 식각 가스(108)를 이용하는 플라즈마 건식 식각 공정을 행하였고, 식각 깊이도 수백 옴스트롱(Å)으로 제한적으로 식각이 진행되었는데, 그 이유는 식각이 진행됨에 따라 거친 표면(112)을 가짐과 동시에, 리튬니오베이트 기판(100) 상면에 형성되어 있는 사진식각공정용 마스크 키의 형태가 알아볼 수 없게 되어, 이후 전극 형성을 위한 사진식각공정에서 마스크 키 정합이 불가능하였기 때 문이다.
그러나, 본 실시예에서는 전극 형성을 위한 사진식각공정 마스크 키의 정합이 리튬니오베이트 기판의 저면에 형성된 마스크 키(114)에 의해 이루어지므로, 연마 공정에서 식각량에 제한받지 않는다. 또한, 이 연마 공정에서 물성이 바뀌어 습식 식각에 의해 제거되지 않은 확산방지막도 함께 제거될 수 있다.
도 3c 에 도시한 바와 같이 리튬니오베이트 기판(100)을 홀더(118)에 고정시키고, 회전하는 연마 치공구(116)에 의해 연마 공정을 진행하여, 리튬니오베이트 기판(100) 표면 일부를 제거한다. 홀더(118)가 회전하고, 연마 치공구(116)가 정지되어 있거나, 또는 홀더와 연마치공구가 각기 다른 방향 또는 같은 방향으로 다른 각속도로 회전하여 기판 연마를 행할 수 있다.
그 다음, 연마 공정 완료 후, 습식 세정으로 연마 공정에서 리튬니오베이트 기판에 붙은 불순물을 제거하고, 공정에 이용된 리튬니오베이트 기판의 결정면에 따라 실리콘 산화막과 같은 유전체 박막을 적층하는 공정을 삽입하거나 생략한다.
본 실시예에서는 x-cut 리튬니오베이트 기판을 이용하였기 때문에 유전체 박막 적층 공정을 생략하였다. 도 3d 및 도 3e 에 리프트 오프(lift-off) 공정에 의한 전극 형성 공정을 도시하였다. 즉, 포토리지스트(122)를 정의하고 금속 박막(120) 증착 후, 포토리지스트(122)를 제거하여 광도파로(106) 주변으로 전극(124)을 형성한다. 이때, 마스크 키 정합은 양면 마스크 얼라이너(dual-side mask aligner)를 이용하여 리튬니오베이트 기판(100)의 저면에 위치한 마스크 키(114)에 의해 이루어진다.
본 실시예에서는 리튬니오베이트 기판(100) 저면에 마스크 키(114)를 형성하였지만, 리튬니오베이트 기판(100) 상면의 일부분을 연마 공정에서 식각할 깊이보다 더 깊게 식각하여 만든 1개 또는 다수의 좁은 영역(126) 안에 마스크 키(114)를 형성하여, 연마 공정에서도 훼손되지 않는 마스크 키(114)를 사진식각공정용 마스크 키 정합에 이용할 수 있다. 이를 도 4 에 도시하였다.
또한, 도 5 에 도시한 바와 같은 마스크 키(114)를 리튬니오베이트 기판(100) 전면의 가장자리 부분에 위치시키고, 리튬니오베이트 기판 면적보다 좁은 면적을 가지는 연마 치공구(116)에 의해 연마를 행함으로써 보호된 마스크 키를 사진식각공정용 마스크 정합에 이용할 수 있다.
본 실시예에서는 리프트 오프 공정을 이용하였지만, 금속 박막(120) 증착 후 사진식각공정으로 전극 영역을 정의하고, 금속을 식각하여 전극(124)을 형성하는 공정도 가능하다.
상술한 실시예들과 같은 방법에 의해 연마를 행하면서도 마스크 키를 남겨두어 광도파로와 완벽한 정합을 이루는 전극 형성이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법은 리튬니오베이트 기판의 상면을 연마하여 기판 격자결함 및 불순물 오염 영역을 제거함으로써 전기광학효과 감퇴 문제를 방지하며, 광도파로와 정합하는 전극 제작용 사진식각공정 마스크 키가 연마 공정 완료 후에도 형상을 유지할 수 있도록 보호하여, 전극 형성을 위한 사진식각공정 마스크 키 정합이 가능하다. 따라서, 주파수 응답 특성이 탁월하고, DC 드리프트 현상이 현저히 감소된 우수한 전기광학 특성의 집적광학소자를 제조할 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (5)

  1. 기판의 저면에 마스크 키를 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 양자교환 확산방지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계;
    상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 확산방지막을 제거하는 단계;
    상기 기판의 상면을 연마하여 상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 제거하는 단계; 및
    상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적광학소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마스크 키에의 정합은 양면 마스크 얼라이너(dual-side mask aligner)를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접광학소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 공정시 전 단계에서 제거되지 않은 확산방지막도 함께 제거하는 것을 특징으로 하는 집적광학소자의 제조방법.
  4. 기판 상면의 일부분에 하기 연마 공정에서 식각할 깊이보다 더 깊게 형성한 좁은 영역 안에 마스크 키를 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 양자교환 확산방지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계;
    상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 확산방지막을 제거하는 단계;
    상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 연마 공정에 의해 제거하는 단계; 및
    상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적광학소자의 제조방법.
  5. 기판 상면의 가장자리 부분에 마스크 키를 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 양자교환 확산방지막을 형성하고, 상기 마스크 키를 이용하여 광도파로가 형성될 영역을 정의하는 단계;
    상기 확산방지막에 의해 정의된 기판 부분에 양자교환에 의해 광도파로를 형성하는 단계;
    상기 확산방지막을 제거하는 단계;
    상기 기판 상면의 면적보다 좁은 면적을 가짐으로써 상기 마스크 키와 접촉하지 않는 연마 치공구를 사용하여 상기 광도파로 영역에 생긴 격자결함을 제거하 는 단계; 및
    상기 마스크 키를 이용하여 상기 기판 상면의 광도파로 주변에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적광학소자의 제조방법.
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