KR100822337B1 - 브래그 격자를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브래그 격자(Bragg grating)를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판과; 상기 기판 상부에 형성된 클래드층과; 상기 클래드층 내부에 개재되어 있는 코어층과; 상기 코어층으로 입사되는 광 중 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광을 반사시키고 나머지 광은 통과시키도록, 상기 코어층에 형성되어 있는 브래그 격자패턴으로 구성된다.
또한, 본 발명은 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 한 웨이퍼 안에다 수십∼수백개의 광센서칩을 동시에 노광시켜 양산해 낼 수 있으므로, 소자의 저가격화를 수행할 수 있는 효과가 있다.
브래그, 격자, 반사, 센서, 칩

Description

브래그 격자를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법 { Optical sensor chip using bragg grating and method for manufacturing the same }
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 센서 구조의 단면도
도 2는 종래 기술에 따른 광섬유 센서 필터의 제작 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 3은 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 동작을 설명하기 위한 개략적인 평면도
도 4는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도
도 5는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩에 광섬유가 정렬된 상태의 개략적인 평면도
도 6은 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 다른 실시예를 설명하기 위한 코어의 평면도
도 7a 내지 7g는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 공정 단면도
도 8a 내지 8g는 본 발명에 따라 코어층을 형성하는 공정의 일례를 설명하기 위한 단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 200 : 클래드층
250,422 : 코어층 251 : 브래그 격자패턴
300 : 광섬유 400 : 실리콘 기판
410 : 실리카막 420 : 게르마늄 산화막
430 : 알루미늄층 435 : 마스크층
440 : 포토레지스트막 450 : Cr마스크
500 : 위상마스크 510 : 광
본 발명은 브래그 격자를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 대량생산을 할 수 있어, 소자의 저가격화를 수행할 수 있는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유와 연결되는 광센서는 전기가 통하는 전도체가 없어 주변에서 발생할 수 있는 전자파 장애에 의한 잡음, 전기적인 접지, 누전, 감전등의 영 향이 없으며 크기가 작고 가벼워 많은 종류의 물리량 측정에 응용할 수 있다.
파장이 매우 짧은 빛을 기준으로 측정하게 되어 매우 높은 감도를 보장하며, 수십km 떨어진 곳에서도 원격측정이 가능하며 위치량에 따른 물리량의 분포를 측정하는 분포계측이 가능하다.
하지만 많은 양을 필요로 하는 광섬유센서는 칩 형태로 바뀌었을때 대량생산이 가능하며, 가격의 저가격화가 가능하고, 여러 가지 통신 및 검출을 위한 파장을 칩안에서 응용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 센서 구조의 단면도로서, 광섬유 센서는 일부분에 격자패턴이 형성되어 있는 코어(Core)(10)와; 상기 코어(10)를 감싸는 클래드(11)와; 상기 클래드(11)를 감싸여 피복되어 있는 피복부(12)로 구성된다.
이러한, 광섬유 센서를 제작하기 위해서는 광섬유 코아 부분에 Ge이 첨가된 특수광섬유를 사용하며, 노광 장비를 이용하여 코아부분에 격자패턴을 만들어 제작된다.
여기서, 격자패턴의 역할은 서로 다른 넓은 대역의 파장을 갖는 광이 입사되었을 때, 격자패턴 각부분에서 조건이 만족하는 파장의 일부의 광을 반사시키는 역할을 수행함으로써, 원하는 파장의 광만을 추출하고 나머지 파장의 광은 통과해주는 역할을 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 광섬유 센서 필터의 제작 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 먼저, 광섬유의 피복부(30)의 일부를 벗겨내고, 그 피복부(30)가 벗겨져 노출된 클래드(21) 상부에 격자패턴이 형성되어 있는 위상마스크(40)를 위치시킨다.
그 후, 상기 위상마스크(40)로 광을 조사하면, 위상마스크(40)의 패턴이 그대로 광섬유에 전이되어, 코어(10)에는 격자패턴(11)이 형성된다.
이때, 격자패턴을 만들기 위한 노광 광원 장비로는 엑시머 레이저나 아르곤레이저를 이용한다.
193~248nm대역의 파장을 갖고 레이저에서 나온빔은 제작공간을 최소화하기 위한 두 개의 반사미러와 레이저의 파워량을 조절하는 감쇠기를 지난 뒤에, 빔의 크기를 확장하기 위한 빔 확장기(Beam expander)와 빔을 집속시켜주는 실린더리컬 렌즈(Cylinderical Lens)를 지나면서 빔의 크기가 원형형태에서 바(Bar) 형태로 변환된다.
이러한, 바 형태의 빔(50)으로 위상마스크(40)를 통하여 노광하게 된다.
전술된 종래기술의 문제점은 광섬유 자체가 Ge이 도핑된 특수광섬유를 이용하기 때문에, 광파이버 자체의 값도 비싸며, 광섬유에다 하나씩 패턴을 형성해야하기 때문에 제작에 시간이 많이 걸리고 대량생산이 어렵기 때문에 광섬유센서의 단가가 높다는 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 한 웨이퍼 안에다 수십∼수백개의 광센서칩을 동시에 노광시켜 양산해 낼 수 있으므로, 소자의 저가격화를 수행할 수 있는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 1 양태(樣態)는,
기판과;
상기 기판 상부에 형성된 클래드층과;
상기 클래드층 내부에 개재되어 있는 코어층과;
상기 코어층으로 입사되는 광 중 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광을 반사시키고 나머지 광은 통과시키도록, 상기 코어층에 형성되어 있는 브래그 격자패턴으로 구성된 브래그 격자를 이용한 광센서 칩이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 제 2 양태(樣態)는,
실리콘 기판 상부에 실리카막(SiO2)을 형성하는 단계와;
상기 실리카막 상부에 게르마늄 산화막(GeO2)을 형성하는 단계와;
상기 실리카막과 게르마늄 산화막에 고밀화(Consolidation) 공정을 수행하는 단계와;
상기 고밀화된 게르마늄 산화막의 일부를 제거하여 코어층을 형성하는 단계와;
상기 코어층 상부에 격자패턴이 형성되어 있는 위상마스크를 위치시키고, 상기 위상마스크를 통하여 상기 코어층을 노광시켜, 상기 코어층에 브래그 격자패턴을 형성시키는 단계와;
상기 코어층을 감싸며, 상기 고밀화된 실리카막 상부에 클래드층을 형성하는 단계로 구성된 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 동작을 설명하기 위한 개략적인 평면도로서, 클래드층(200) 내부에는 브래그 격자패턴(251)이 형성된 코어층(250)이 위치되어 있다.
즉, 본 발명의 광센서 칩은 코어층(250)으로 입사되는 광 중 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광은 브래그 격자패턴(251)에서 반사되고, 나머지 광은 코어층(250)을 통과하게 된다.
이러한 브래그 격자패턴(251)에서 반사되는 광의 중심파장은 하기의 수학식 1의 브래그 조건(Bragg Condition)에 의해 표현된다.
Figure 112006055108212-pat00001
여기서, λ는 격자에 의해 반사되는 광의 중심파장이고, η은 격자의 유효굴절율이고, T는 격자 주기이고, m은 정수이다.
그러므로, 상기 브래그 조건에 의해, 반사되는 광의 중심파장은 격자주기에 비례하여, 격자주기가 클수록 반사되는 광의 중심파장은 길어진다.
도 4는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, 즉, 도 4는 도 3의 A-A'선의 단면도이다.
본 발명의 광센서 칩은 기판(100)과; 상기 기판(100) 상부에 형성된 클래드층(200)과; 상기 클래드층(200) 내부에 개재되어 있는 코어층(250)과; 상기 코어층(250)으로 입사되는 광 중 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광을 반사시키고 나머지 광은 통과시키도록, 상기 코어층(250)에 형성되어 있는 브래그 격자패턴으로 구성된다.
여기서, 상기 기판(100)은 실리콘 기판이고, 상기 클래드층(200)은 고밀화된 실리카막이고, 상기 코어층(250)은 게르마늄 산화막(GeO2)인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩에 광섬유가 정렬된 상태의 개략적인 평면도로서, 도 4에 도시된 광센서 칩의 코어층(250)은 기판의 일측에서 타측으로 형성되어 있고, 상기 코어층(250)의 일측에는 광섬유(300)가 광 정렬되어 있다.
즉, 상기 광섬유(300)는 상기 코어층(250)으로 광을 입사시키고, 상기 코어층(250)에 형성된 브래그 격자패턴에서 반사된 광을 추출하는데 이용된다.
도 6은 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 다른 실시예를 설명하기 위한 코어의 평면도로서, 광센서 칩의 코어층(250)은 복수개로 분기되고, 코어층(250)의 브래그 격자패턴이 상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 광센서 칩을 구현할 수 있다.
이때, 상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 브래그 격자패턴 각각은 격자주기가 다른 것이 바람직하다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 분기된 하나의 코어층 영역(260)에 형성된 브래그 격자패턴(261)의 주기가 'T1'일 때, 분기된 다른 하나의 코어층 영역(270)에 형성된 브래그 격자패턴(271)의 주기는 'T2(T1 ≠ T2)'이어야 한다.
이렇게, 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 브래그 격자패턴의 주기가 다르면, 분기된 코어층 영역들의 브래그 격자패턴에서 다른 중심파장의 광을 반사시킬 수 있게 된다.
결국, 광센서 칩은 복수개의 파장의 광을 추출할 수 있게 되는 것이다.
도 7a 내지 7g는 본 발명에 따른 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 공정 단면도로서, 먼저, 실리콘 기판(400) 상부에 실리카막(SiO2)(410)을 형성한다.(도 7a)
여기서, 상기 실리카막(410)은 화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 장비나 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)장비를 사용하여 증착한다.
그 후, 상기 실리카막(410) 상부에 게르마늄 산화막(GeO2)(420)을 형성한다.(도 7b)
여기서, 상기 실리카막(410)은 본 발명의 광센서 칩에서 하부 클래드층으로 사용하기 위한 것이고, 상기 게르마늄 산화막은 코어층으로 사용하기 위한 것이다.
이어서, 상기 실리카막(410)과 게르마늄 산화막(420)에 고밀화(Consolidation) 공정을 수행한다.(도 7c)
이때, 상기 고밀화 공정은 고온의 로에서 상기 실리카막(410)과 게르마늄 산화막(420)을 가열하여, 고밀도막으로 형성하는 것이다. 여기서, 고밀화된 실리카막은 '411'로, 고밀화된 게르마늄 산화막은 '421'로 표기한다.
그 다음, 상기 고밀화된 게르마늄 산화막(421)의 일부를 제거하여, 코어층(422)을 형성한다.(도 7d,도 7e)
즉, 코어층(422)을 형성하는 공정은, 상기 고밀화된 게르마늄 산화막(421) 상부 일부에 마스크층(435)을 형성하고, 상기 고밀화된 게르마늄 산화막(421)을 식각하여 코어층(422)을 형성하는 도 7d 공정과; 상기 마스크층(435)을 제거하는 도 7e 공정으로 이루어진다.
연이어, 상기 코어층(422) 상부에 격자패턴이 형성되어 있는 위상마스크(500)를 위치시키고, 광(510)을 상기 위상마스크(500)를 통하여 조사하여 도 7e상태의 코어층(422)을 노광시킴으로써, 도 7f와 같이 브래그 격자패턴이 형성된 코어층(423)을 형성시킨다.(도 7f)
여기서, 브래그 격자패턴이 형성된 코어층(423)은 도 7f 공정으로 인해 노광된 영역의 굴절률이 변화되어, 노광되지 않은 영역과 굴절률이 다른 브래그 격자패턴을 형성하게 된다.
그리고, 상기 광(510)은 엑시머 레이저 빔이다.
마지막으로, 상기 브래그 격자패턴이 형성된 코어층(423)을 감싸며, 상기 고밀화된 실리카막(411) 상부에 클래드층(600)을 형성한다(도 7g).
여기서, 상기 클래드층(600)은 상기 브래그 격자패턴이 형성된 코어층(423)으로 광이 도파될 수 있도록, 상기 고밀화된 실리카막(421)과 동일한 물질이거나, 또는 굴절률이 유사한 물질로 형성한다.
전술된 공정을 수행하면, 본 발명에 따른 광센서 칩이 형성된다.
한편, 도 6과 같이, 코어층이 복수개로 분기되고, 상기 분기된 코어층 영역 각각에 브래그 격자패턴이 형성되어 있는 광센서 칩을 구현하기 위해서는, 각 분기된 코어층 영역에 도 7f의 공정을 수행하여 브래그 격자패턴을 형성하면 된다.
이때도, 상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 브래그 격자패턴 각각은 격자주기가 다른 것이 바람직하다.
도 8a 내지 8g는 본 발명에 따라 코어층을 형성하는 공정의 일례를 설명하기 위한 단면도로서, 전술된 도 7d 및 도 7e의 공정 즉, 코어층을 형성하는 공정은 후술되는 세부 공정에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 도 7c의 공정 후에, 고밀화된 게르마늄 산화막(421) 상부에 알루미늄층(430)과 포토레지스트막(440)을 순차적으로 형성한다.(도 8a와 8b)
상기 알루미늄층(430)은 스퍼터링 장비를 이용하여 증착하여 형성한다.
그 후, Cr마스크(450)로 마스킹하여, 상기 포토레지스트막(440)을 노광시킨다.(도 8c와 8d)
이때, 상기 노광 공정으로, 상기 포토레지스트막(440)은 도 8d와 같이, 노광된 영역(441)과 노광되지 않은 영역(442)로 구분된다.
그 다음, 상기 노광된 영역(441)을 식각한다.(도 8e)
계속하여, 상기 노광되지 않은 포토레지스트막(442) 즉, 남아있는 포토레지스트막으로 마스킹하여, 알루미늄층과 고밀화된 게르마늄 산화막을 식각한다.(도 8g)
그 후, 상기 포토레지스트막과 알루미늄층을 제거하면, 코어층(422)이 형성된다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 한 웨이퍼 안에다 수십∼수백개의 광센서칩을 동시에 노광시켜 양산해 낼 수 있으므로, 대량생산을 할 수 있어, 소자의 저가격화를 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 한 웨이퍼 안에다 수십∼수백개의 광센서칩을 동시에 노광시켜 양산해 낼 수 있으므로, 소자의 저가격화를 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (11)

  1. 기판과;
    상기 기판 상부에 형성된 클래드층과;
    상기 클래드층 내부에 개재되어 있는 코어층과;
    상기 코어층으로 입사되는 광 중 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광을 반사시키고 나머지 광은 통과시키도록, 상기 코어층에 형성되어 있는 브래그 격자패턴으로 구성되며,
    상기 코어층은 복수개로 분기되어 있고, 상기 브래그 격자패턴이 상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 클래드층은 고밀화된 실리카막이고,
    상기 코어층은 게르마늄 산화막인 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 브래그 격자패턴 각각은 격자주기가 다른 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어층은 상기 기판의 일측에서 타측으로 형성되어 있고,
    상기 코어층의 일측에는 광섬유가 광 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩.
  6. 실리콘 기판 상부에 실리카막(SiO2)을 형성하는 단계와;
    상기 실리카막 상부에 게르마늄 산화막(GeO2)을 형성하는 단계와;
    상기 실리카막과 게르마늄 산화막에 고밀화(Consolidation) 공정을 수행하는 단계와;
    상기 고밀화된 게르마늄 산화막의 일부를 제거하여 코어층을 형성하는 단계와;
    상기 코어층 상부에 격자패턴이 형성되어 있는 위상마스크를 위치시키고, 상기 위상마스크를 통하여 상기 코어층을 노광시켜, 상기 코어층에 브래그 격자패턴을 형성시키는 단계와;
    상기 코어층을 감싸며, 상기 고밀화된 실리카막 상부에 클래드층을 형성하는 단계로 구성되며,
    상기 코어층은 복수개로 분기되어 있는 코어층이고,
    상기 코어층에 브래그 격자패턴을 형성시키는 공정으로 상기 각 분기된 코어층 영역에 브래그 격자패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코어층을 형성하는 공정은,
    상기 고밀화된 게르마늄 산화막 상부 일부에 마스크층을 형성하고,
    상기 고밀화된 게르마늄 산화막을 식각하여 코어층을 형성하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 코어층을 형성하는 공정은,
    상기 고밀화된 게르마늄 산화막 상부에 알루미늄층과 포토레지스트막을 순차적으로 형성하고,
    Cr마스크로 마스킹하여, 상기 포토레지스트막을 노광시키고,
    상기 노광된 포토레지스트막 영역을 식각하고,
    상기 노광되지 않은 포토레지스트막으로 마스킹하여, 상기 알루미늄층과 고밀화된 게르마늄 산화막을 식각하고,
    상기 포토레지스트막과 알루미늄층을 제거하여 코어층을 형성하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 분기된 코어층 영역 각각에 형성되어 있는 브래그 격자패턴 각각은 격자주기가 다른 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리카막은,
    화염 가수분해 증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 장비 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)장비를 사용하여 실리카를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자를 이용한 광센서 칩의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11223740A (ja) 1998-02-05 1999-08-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> ポリイミド光導波路回折格子の形成方法
KR20030083212A (ko) * 2002-04-19 2003-10-30 전자부품연구원 광도파로형 이득평탄화 필터소자 및 그의 제조방법
US20040156575A1 (en) 2003-02-12 2004-08-12 Samara-Rubio Dean A. Method and apparatus for sensing a temperature along an optical path with a grating in semiconductor material

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