KR101011681B1 - Manufacturing Method of Photonic Crystal Passive Device using Wet Etching - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)으로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용하여 원하는 전자기파 대역에서 이용할 수 있는 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등의 광결정 수동소자에 사용될 수 있는 광결정 구조를 제조할 수 있고, 일정 반지름과 높이를 갖는 실리콘 결정이 주기적 배열로 구성된 부분과 광도파로, 공진기 등으로 사용하기 위해 축 방향으로의 광 손실을 줄이기 위한 덮개부분으로 이루어지도록 하여 원하는 전자기파 대역에 적용될 수 있는 수동소자로 사용할 수 있으며, 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅을 하지 않고 사용한 유전체 광결정 특성과 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 모두 이용할 수 있도록 한 광결정 구조를 갖는 광결정 수동소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이를 이용하여 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있다.The present invention is an anisotropic wet process in the crystal direction (100) of the silicon wafer and a photonic crystal structure that can be used in optical crystal passive devices such as resonators, filters, antennas, etc. that can be used in a desired electromagnetic wave band by applying semiconductor process technology. Silicon crystals having a constant radius and height can be applied to a desired electromagnetic wave band by forming a periodic array and a cover for reducing optical loss in the axial direction for use as an optical waveguide or a resonator. It can be used as a passive device that can be used, and photonic crystal structure having a photonic crystal structure in which a silicon crystal is coated with a conductive material and a silicon crystal is coated with a conductive material so that the metal crystal can be used. It relates to a method for manufacturing a passive device. By using this, it is relatively inexpensive and a large photonic crystal structure can be manufactured in large quantities in a short time.

광결정, 수동소자, 실리콘, 웨이퍼, 결정방향 (100), 비등방성, 습식공정, 테라헤르츠 Photonic Crystal, Passive Device, Silicon, Wafer, Crystal Direction (100), Anisotropic, Wet Process, Terahertz

Description

습식공정을 이용한 광결정 수동소자의 제조방법{Manufacturing Method of Photonic Crystal Passive Device using Wet Etching}Manufacturing Method of Photonic Crystal Passive Device Using Wet Etching

본 발명은 광결정(Photonic Crystal) 수동소자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)으로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용하여 원하는 전자기파 대역에서 이용할 수 있는 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등의 광결정 수동소자에 사용될 수 있는 광결정 구조를 제조할 수 있고, 일정 반지름을 갖는 실리콘 결정이 주기적 배열로 구성된 부분과 광도파로, 공진기 등으로 사용하기 위해 축 방향으로의 광 손실을 줄이기 위한 덮개부분으로 이루어지도록 하여 원하는 전자기파 대역에 적용될 수 있는 수동소자로 사용할 수 있으며, 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅을 하지 않고 사용한 유전체 광결정 특성과 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 모두 이용할 수 있도록 한 광결정 구조를 갖는 광결정 수동소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이를 이용하여 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a photonic crystal passive device, and more particularly, an optical waveguide that can be used in a desired electromagnetic wave band by applying an anisotropic wet process and a semiconductor process technology to a crystal direction (100) of a silicon wafer. A photonic crystal structure that can be used for photonic crystal passive devices such as resonators, filters, and antennas can be fabricated, and silicon crystals having a constant radius are optically lost in the axial direction for use as optical waveguides and resonators. It can be used as a passive device that can be applied to the desired electromagnetic wave band by reducing the cover part, and by using the dielectric photonic crystal characteristic and silicon crystal coated with conductive material without coating the silicon crystal with conductive material Photonic crystals that make full use of metallic photonic crystal properties The present invention relates to a method for manufacturing a photonic crystal passive element having a structure. By using this, it is relatively inexpensive and a large photonic crystal structure can be manufactured in large quantities in a short time.

전자기파를 제어하는 수동소자로서 금속 및 유전체의 주기적인 변화를 이용 하는 광결정 또는 광학결정은 일정 반지름과 높이를 갖는 광결정의 주기적 구조에 의해 형성된 일정 전자기파 대역의 진행을 금지시키는 포토닉 밴드 갭 현상을 이용하여 전자기파의 손실없이 광도파로를 형성하고 필터, 공진기, 파워분배기, 안테나등 다양한 광 수동소자로 사용될 수 있어 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 광결정 수동소자를 제작하기 위해서 사용되고 있는 기존의 가공방식에는 Deep Reactive Ion Etching(DRIE) 가공, E-beam Lithograpy에 의한 가공, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)에 의한 증착 등의 방식이 있다. Photonic or optical crystals that use periodic changes of metals and dielectrics as passive elements to control electromagnetic waves use photonic band gap phenomena that prohibit the progress of certain electromagnetic bands formed by the periodic structure of photonic crystals with constant radius and height. Therefore, the optical waveguide is formed without loss of electromagnetic waves, and it can be used as various optical passive elements such as filters, resonators, power dividers, and antennas. Conventional processing methods used to fabricate such photonic crystal passive devices include Deep Reactive Ion Etching (DRIE), E-beam Lithograpy, and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD).

플라즈마를 형성하여 생긴 이온의 충돌과 반응을 이용하는 DRIE 가공 방식은 방향성을 가지면서 실리콘 웨이퍼의 공정이 가능하고, 3차원 구조물의 제작이 가능하며, 수 마이크로미터 크기의 구조물을 제작하는 공정에는 적합하다. 하지만, DRIE 가공 방식은 플라즈마를 생성시키기 위해 고가의 장비가 필요하고 이로 인해 공정비가 고가이며, 테라헤르츠(THz)파 영역의 전자기파 대역에 필요한 광결정 구조를 만들기 위해 수십 마이크로미터부터 수백 마이크로미터 크기의 광결정 구조를 제작하는데 있어 많은 공정 시간이 소요되며, 높이가 큰 구조를 제작하기 위해 Sidewall Passivation과 Isotropic Etching 과정을 거치면서 Sidewall Scalping이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 플라즈마를 발생시키는 챔버의 크기 제한으로 인하여 빠른 시간 안에 대량으로 광결정 구조를 생산하는데 어려움이 있다. DRIE processing method using collision and reaction of ions generated by forming plasma is capable of processing silicon wafer while having directivity, making 3D structure, and suitable for process of making structure of several micrometers. . However, the DRIE processing method requires expensive equipment to generate a plasma, which is expensive, and therefore, may require tens of micrometers to hundreds of micrometers to make a photonic crystal structure required for the electromagnetic band in the terahertz (THz) wave region. It takes a lot of process time to manufacture the photonic crystal structure, and has a problem that Sidewall Scalping occurs during the Sidewall Passivation and Isotropic Etching process to produce a large structure. In addition, due to the size limitation of the chamber generating the plasma, it is difficult to produce a large amount of photonic crystal structure in a short time.

전자빔의 에너지를 이용하는 가공 방식인 E-beam Lithograpy 가공방식은 주기적인 실리콘 광결정 구조를 형성하는데 적합하지 않으며, 유전체에 구멍을 내어 유전체 속으로 전자기파를 진행시키는 광결정 회로에 적합하고 수 마이크로미터 크 기의 유전체 가공에 적합한 기술로서, THz 대역까지의 광결정 제작에는 어려움이 있다. 또한, 전자빔을 이용한 1:1 방식의 가공방식으로 가공방식의 정확도는 매우 높지만 매우 고가의 가공 방식이며 많은 수의 광결정을 제작하는데 많은 시간이 걸리는 등 어려움이 발생한다. The E-beam Lithograpy processing method, which uses the energy of the electron beam, is not suitable for forming periodic silicon photonic crystal structures. It is suitable for photonic crystal circuits that drill holes in the dielectric and propagate electromagnetic waves into the dielectric. As a technique suitable for dielectric processing, it is difficult to manufacture photonic crystals up to the THz band. In addition, the accuracy of the processing method is very high, but the processing method of the 1: 1 method using the electron beam is very expensive and difficult to produce a large number of photonic crystals.

플라즈마를 이용한 증착방식인 PECVD는 수 마이크로미터 크기의 광결정을 제작하는데 적합하며, 증착 높이의 한계로 인하여 다양한 전자기파 대역의 광소자를 제작하는 공정에 적합하지 않다. PECVD, which is a deposition method using plasma, is suitable for manufacturing photonic crystals of several micrometers in size, and is not suitable for manufacturing optical devices in various electromagnetic wave bands due to the limitation of the deposition height.

이와 같이 다양한 전자기파 대역에 적용될 수 있는 광결정 구조를 선택적인 공정이 수월하고, 상대적으로 가격이 저렴하며, 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있는 공정 기술의 개발이 미흡한 상태이다. As such, there is a lack of development of a process technology capable of easily fabricating a photonic crystal structure that can be applied to various electromagnetic wave bands, relatively inexpensive, and producing a large amount in a short time.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 공정시간, 온도, 습식공정용 시약 등의 공정 조건을 조절함으로써 실리콘 결정의 높이에 대한 선택성을 높일 수 있으며, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제작하기 위하여, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)으로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용하여 광결정 구조를 만들고 원하는 전자기파 대역에서 이용할 수 있는 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등의 광결정 수동소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-described problems, the object of the present invention is to improve the selectivity to the height of the silicon crystal by adjusting the process conditions, such as process time, temperature, wet process reagents, and relatively In order to manufacture a large-scale photonic crystal structure with low cost and high speed in a short time, anisotropic wet process in the crystal direction of silicon wafer 100 and semiconductor processing technology are applied to make the photonic crystal structure and use it in the desired electromagnetic wave band. The present invention provides a method for manufacturing a photonic crystal passive element such as an optical waveguide, a resonator, a filter, an antenna, and the like.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 원하는 전자기파 대역에 적용될 수 있는 수동 소자로 사용하기 위해 일정 반지름을 갖는 실리콘 결정이 주기적 배열로 구성된 부분과 광도파로, 공진기 등으로 사용하기 위해 축 방향으로의 광 손실을 줄이기 위한 덮개부분으로 이루어진 위와 같은 비등방적 습식공정에 의한 광결정 수동소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다. In addition, another object of the present invention is the optical loss in the axial direction for use as an optical waveguide, a resonator, and a portion of the silicon crystal having a constant radius in a periodic arrangement for use as a passive element that can be applied to the desired electromagnetic wave band To provide a method for manufacturing a photonic crystal passive device by the anisotropic wet process as described above consisting of a cover portion to reduce the.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 위와 같은 비등방적 습식공정에 따라 주기적 배열로 제작된 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 갖는 수동소자, 또는 금속 코팅을 하지 않고 실리콘 결정을 사용하여 유전체 광결정 특성을 갖는 수동소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다. In addition, another object of the present invention, by coating the silicon crystals produced in a periodic arrangement according to the anisotropic wet process as described above with a conductive material to pass the silicon crystals without passive devices, or metal coating of metal photonic crystal properties The present invention provides a method of manufacturing a passive device having dielectric photonic crystal properties.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 광결정 제작방법은, 실리콘 웨이퍼에 광결정 구조를 형성하기 위한 비등방적 습식공정을 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, a photonic crystal manufacturing method according to an aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention, includes an anisotropic wet process for forming a photonic crystal structure on a silicon wafer.

상기 비등방적 습식공정은, 상기 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100) 방향으로의 습식공정을 포함한다.The anisotropic wet process includes a wet process in the crystal direction (100) direction of the silicon wafer.

위와 같은 비등방적 습식공정을 포함한 광결정 수동소자 제조방법에 따라 광결정 구조가 형성된 실리콘 웨이퍼를 포함하는 광결정 수동소자를 제작할 수 있다.According to the method for manufacturing a photonic crystal passive device including the anisotropic wet process as described above, a photonic crystal passive device including a silicon wafer on which a photonic crystal structure is formed may be manufactured.

상기 광결정 수동소자에는 상기 비등방적 습식공정을 이용하여 제작한 실리콘 광결정 구조 상에, 결정축 방향으로 전자기파 손실을 막아주기 위하여 도전성이 있는 물질로 코팅한 덮개를 더 포함할 수 있다.The photonic crystal passive device may further include a cover coated with a conductive material on the silicon photonic crystal structure manufactured by using the anisotropic wet process to prevent electromagnetic wave loss in the crystal axis direction.

금속 광결정 특성을 위하여 상기 실리콘 웨이퍼의 광결정 구조 이외의 부분 에 도전성이 있는 물질로 코팅할 수 있다.For the metal photonic crystal property, a portion other than the photonic crystal structure of the silicon wafer may be coated with a conductive material.

상기 실리콘 웨이퍼에는 상기 비등방적 습식공정을 이용하여 형성된 일정 크기의 광결정 구조가 원형(circle), 정방형(square) 또는 삼각형(triangular) 형태로 주기적으로 배열될 수 있다.The silicon wafer may be periodically arranged in a circle, square, or triangular shape with a photonic crystal structure having a predetermined size formed by using the anisotropic wet process.

상기 광결정 구조는 양각 또는 음각 형태일 수 있다.The photonic crystal structure may be in an embossed or intaglio form.

상기 광결정 수동소자는, 전자기파 신호의 처리 또는 송수신을 위한 광도파로, 공진기, 필터, 또는 안테나에 이용될 수 있다.The photonic crystal passive element may be used in an optical waveguide for processing or transmitting or receiving an electromagnetic wave signal, a resonator, a filter, or an antenna.

본 발명에 따른 광결정 수동소자의 제조 방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼에 적용되는 비등방적 습식공정을 광결정 제조 공정에 적용하여 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등의 광결정 수동소자를 제작할 수 있다. According to the method of manufacturing a photonic crystal passive device according to the present invention, an anisotropic wet process applied to a silicon wafer may be applied to a photonic crystal manufacturing process to manufacture a photonic crystal passive device such as an optical waveguide, a resonator, a filter, and an antenna.

또한, 본 발명에 따른 광결정 수동소자의 제조 방법에 따르면, 위와 같은 비등방적 습식공정 시 공정시간, 온도, 습식공정용 시약 등의 공정 조건을 조절함으로써 실리콘 결정의 높이에 대한 선택성을 높일 수 있으며, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of the photonic crystal passive device according to the present invention, by adjusting the process conditions, such as the process time, temperature, wet process reagents in the anisotropic wet process, it is possible to increase the selectivity to the height of the silicon crystal, It is relatively inexpensive and allows the production of large photonic crystal structures in large quantities in a short time.

그리고, 본 발명에 따른 광결정 수동소자의 제조 방법에 따르면, 주기적 배열로 제작된 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 갖는 수동소자 및 금속 코팅을 하지 않고 실리콘 결정을 사용하여 유전체 광결정 특성을 모두 이용할 수 있다. In addition, according to the method of manufacturing a photonic crystal passive device according to the present invention, a silicon crystal fabricated in a periodic array is coated with a conductive material, and a passive device having metal photonic crystal characteristics and a dielectric photonic crystal using a silicon crystal without a metal coating. All the properties are available.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 웨이퍼 단면에 관한 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a wafer cross section when an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer is used in accordance with one embodiment of the present invention.

도 1에서, 광결정 구조의 다양한 포토닉 밴드 갭 특성을 이용하기 위하여 비등방적 습식공정에 사용되는 실리콘 웨이퍼(11)로서 유전체의 특성이 다른 다양한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 도 1의 12는 비등방적 습식공정에 사용되는 결정 방향 (100)을 보여주고 있고, 도 1의 13은 실리콘 웨이퍼 결정구조의 (111)축과 (110)축 사이의 각도 54.74도로 인하여 비등방적 습식공정을 하였을 때 결정되는 각도 54.74도를 보여준다. In FIG. 1, various silicon wafers having different dielectric properties may be used as the silicon wafer 11 used in the anisotropic wet process to use various photonic band gap characteristics of the photonic crystal structure. 12 shows the crystal direction 100 used in the anisotropic wet process, and 13 in FIG. 1 shows anisotropic wetness due to the angle 54.74 degrees between the (111) and (110) axes of the silicon wafer crystal structure. The angle 54.74 degrees determined during the process is shown.

본 발명에서는 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 이용할 때 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (111)과 (100)의 축 사이의 각도 54.74도에 의하여 습식공정 시 광결정 구조가 결정되고, 이러한 각도를 이용하여 광결정 구조를 만들어 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등과 같은 광결정 수동소자를 제조할 수 있도록 하였다. In the present invention, when using an anisotropic wet process in the crystal direction (100) direction of the silicon wafer, the photonic crystal structure in the wet process is determined by an angle of 54.74 degrees between the axis of the crystal direction (111) and the axis of the silicon wafer (100). Using these angles, a photonic crystal structure was made to manufacture photonic crystal passive devices such as optical waveguides, resonators, filters, and antennas.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용한 실리콘 광결정 구조의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 2 is a process flow diagram illustrating an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with an embodiment of the present invention and a process of fabricating a silicon photonic crystal structure using semiconductor processing techniques.

도 2를 참조하면, 먼저, (A) 실리콘 웨이퍼(21)를 준비한다. (B) 실리콘 웨이퍼(21)에 실리콘 광결정 구조를 제작하기 위하여 식각 마스크(etching mask)로 사용될 유전체층(dielectric layer)(22)으로서 SiO2 혹은 SiN를 PECVD 장비를 이용하여 증착시킨다. 다음에 광학(Photo) 공정을 하기 위하여 웨이퍼(21) 세척(cleaning)을 한 후, Photo 공정용 포토레지스트(Photo-resist: PR)(23)를 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 유전체층(22) 위에 코팅시킨다. PR 코팅 후 용매(solvent)를 제거하고 PR(23)의 접착력을 향상시키기 위해 소프트 베이크(soft bake) 공정을 이용한다. 그 후 PR(23)에 원하는 광결정 구조를 패터닝 하기 위하여 포토 마스크(photo mask)와 마스크 얼라이너(mask aligner)를 이용하여 자외선 빛을 통해 패터닝 공정을 수행한다. 이러한 공정을 거친 후 현상공정을 통해 PR(23)에 광결정 구조의 패턴을 형성한다. 다음에, Reactive Ion Etching(RIE) 공정을 이용하여 PR(23)이 남아 있는 부분 이외의 유전체층(22)을 식각함으로써, 광결정 구조가 형성될 부분 이외의 실리콘 부분이 드러나도록 패턴할 수 있다.Referring to FIG. 2, first, (A) a silicon wafer 21 is prepared. (B) SiO 2 or SiN is deposited using PECVD as a dielectric layer 22 to be used as an etching mask to fabricate a silicon photonic crystal structure on the silicon wafer 21. Next, after cleaning the wafer 21 to perform an optical process, the photoresist for photo process (Photo-resist: PR) 23 is formed using a spin coater to form a dielectric layer 22. ) Is coated on. After the PR coating, a soft bake process is used to remove the solvent and improve the adhesion of the PR 23. Thereafter, a patterning process is performed through ultraviolet light using a photo mask and a mask aligner to pattern the desired photonic crystal structure on the PR 23. After this process, a pattern of a photonic crystal structure is formed in the PR 23 through a developing process. Next, by etching the dielectric layer 22 other than the portion where the PR 23 remains by using a reactive ion etching (RIE) process, the silicon portion other than the portion where the photonic crystal structure is to be formed may be exposed.

(C) 이와 같은 공정을 통해 비등방적 습식공정을 진행하기 위하여 필요한 부분에만 유전체층(22)과 PR(23)이 남도록 패터닝된다. (C) The dielectric layer 22 and the PR 23 are patterned so that only portions necessary for the anisotropic wet process are performed through such a process.

(D) 이후, 남아있는 PR(23)은 애셔(asher) 장비를 이용하여 제거한 후, 실리콘 웨이퍼(21) 상에 패터닝된 유전체층(22)이 남아 있는 상태에서, 실리콘 웨이퍼의 결정방향 (100)로의 비등방적 습식공정으로 실리콘 웨이퍼(21)에 주기적인 배열의 홈을 형성하여 양각 형태의 실리콘 광결정 구조를 만든다. After (D), the remaining PR 23 is removed using an asher device, and then the crystallization direction 100 of the silicon wafer is left with the patterned dielectric layer 22 remaining on the silicon wafer 21. An anisotropic wet process of the furnace forms grooves in a periodic array in the silicon wafer 21 to form an embossed silicon photonic crystal structure.

(E) 비등방적 습식공정의 식각 마스크로 사용한 유전체층(22)은 RIE 공정을 통하여 제거될 수 있으며, 이에 따라 실리콘 광결정 구조의 각도, 즉, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (111)과 (100)의 축 사이의 각도가 54.74도로 형성될 수 있다. 이와 같은 실리콘 광결정 구조는 원형(circle), 정방형(square) 또는 삼각형(triangular) 형태 등 다양하게 2차원적으로 주기적인 배열로 형성될 수 있다. 여기서, 양각 형태로 형성된 광결정 구조를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 광결정 구조 부분이 식각될 수 있도록 위의 공정을 약간 변경함으로써 음각 형태의 광결정 구조도 가능하다.(E) The dielectric layer 22 used as an etching mask of the anisotropic wet process can be removed through the RIE process, and thus the angle of the silicon photonic crystal structure, that is, the axes of the crystal directions 111 and 100 of the silicon wafer. The angle between can be formed to 54.74 degrees. Such silicon photonic crystal structures may be formed in various two-dimensional periodic arrangements, such as circular, square or triangular shapes. Here, although the photonic crystal structure formed in the embossed form has been described, the present invention is not limited thereto, and the photonic crystal structure of the intaglio form is also possible by slightly changing the above process so that the photonic crystal portion may be etched.

(F) 이와 같이 제작된 실리콘 광결정 구조를 유전체 광결정 특성을 갖는 광결정 수동소자로 이용하기 위하여, 반도체 공정을 통하여 광결정 옆면이 아닌 부분은 금(Au)과 같이 도전성이 높은 금속 물질(24)로 코팅할 수 있고, (100) 축 방향으로 도전성이 있는 금속 물질로 코팅된 실리콘 웨이퍼 등의 덮개가 있어 축 방향으로의 전자기파 손실을 막아주도록 할 수 있다. 이외에도, 도 3과 같이, 광결정을 포함한 부분과 그 외의 모든 부분이 도전성이 있는 금속 물질(해칭 부분)로 코팅하고, 축 방향으로 도전성이 있는 물질로 코팅된 실리콘 덮개가 있어 축 방향으로의 전자기파 손실을 막아줄 수 있는, 금속 광결정 특성을 갖는 광결정 수동소자로 활용할 수도 있다.(F) In order to use the silicon photonic crystal structure thus fabricated as a photonic crystal passive device having dielectric photonic crystal characteristics, the non-side surface of the photonic crystal is coated with a highly conductive metal material 24 such as gold (Au) through a semiconductor process. And a cover such as a silicon wafer coated with a conductive metal material in the (100) axial direction to prevent electromagnetic wave loss in the axial direction. In addition, as shown in FIG. 3, the portion including the photonic crystal and all other portions are coated with a conductive metal material (hatched portion), and there is a silicon cover coated with a conductive material in the axial direction. It can also be used as a photonic crystal passive device having a metal photonic crystal property that can prevent the.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼 밑면에 도전성이 있는 물질(41)로 코팅하여 제작한 광결정 구조이다. 도 4와 같이, 도 2 (F) 방식으로 제작된 광결정 수동소자의 실리콘 웨이퍼 밑면에 도전성이 있는 물질(41), 예를 들어, 금(Au)으로 코팅 함으로써, 전자기파의 손실을 더욱더 막아주는 역할을 하게 할 수도 있다.4 is a photonic crystal structure manufactured by coating a conductive material 41 on the bottom surface of a silicon wafer according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 4, by coating a conductive material 41, for example, gold (Au) on the bottom surface of the silicon wafer of the photonic crystal passive device fabricated in Figure 2 (F) method, further prevents the loss of electromagnetic waves You can also let

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따라 도전성이 있는 물질(51)로 코팅된 실리콘 웨이퍼(52)를 광결정이 제작될 실리콘 웨이퍼에 접합시키고, 도 2와 같은 습식공정을 이용하여 제작한 실리콘 광결정 구조이다. 도 5와 같이, 도 2와 같은 방식으로 광결정 구조를 제작하기 전에, 도전성이 있는 물질(51), 예를 들어, 금(Au)으로 코팅된 실리콘 웨이퍼(52)를 광결정이 제작될 실리콘 웨이퍼(21)의 밑면에 접합시킨 후, 도 2 에서 설명한 방식과 유사한 과정으로 광결정 구조를 만들어, 광결정 수동소자를 제조할 수도 있다. 이에 따라, 축 방향으로의 전자기파 손실을 더욱 더 최대로 줄일 수 있다.FIG. 5 is a silicon photonic crystal fabricated using a wet process as shown in FIG. 2 by bonding a silicon wafer 52 coated with a conductive material 51 to a silicon wafer on which a photonic crystal is to be fabricated, according to an embodiment of the present invention. Structure. As shown in FIG. 5, before fabricating the photonic crystal structure in the same manner as in FIG. 2, the silicon wafer 52 coated with a conductive material 51, for example, gold (Au), may be fabricated. After bonding to the underside of 21), a photonic crystal structure may be made by a process similar to that described in FIG. 2 to manufacture a photonic crystal passive device. Accordingly, the electromagnetic wave loss in the axial direction can be further reduced to the maximum.

도 6는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작한 실리콘 광결정 구조에 대한 사진을 보여준다. 원형으로 제작된 광결정 구조의 높이는 100 마이크로미터이고, 상면의 지름은 600 마이크로미터, 광결정의 주기는 1000 마이크로미터로 테라헤르츠파 대역의 광 수동소자를 제작할 수 있는 광결정 구조를 보여준다. 습식공정을 위해서 KOH 250g, Normal propanol 200g, H2O 800g를 혼합하여 사용하였으며, 식각 시간은 100분이고, 습식 공정액의 섭씨 온도는 80 도씨를 유지하면서 습식공정을 진행하였다. FIG. 6 shows a photograph of a silicon photonic crystal structure fabricated using an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with one embodiment of the present invention. The photonic crystal structure made of circular shape is 100 micrometers, the upper surface diameter is 600 micrometers, and the photonic crystal period is 1000 micrometers. For the wet process, KOH 250g, Normal propanol 200g, H 2 O 800g was mixed and used, the etching time was 100 minutes, the wet process solution was maintained at 80 degrees Celsius while the wet process was carried out.

도 7는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 높이, 지름, 및 주기가 각각 100, 600, 및 1000 마이크로미터인 실리콘 광결정 구조의 포토닉 밴드 갭 특성을 이용한 광도파로에 대한 3차원 시뮬레이션 결과를 보여준다. FIG. 7 illustrates a silicon photonic crystal structure having a height, a diameter, and a period of 100, 600, and 1000 micrometers, respectively, fabricated using an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with one embodiment of the present invention. Three-dimensional simulation results for the optical waveguide using the photonic band gap characteristics are shown.

비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 광결정 구조의 3차원 시뮬레이션 분석을 위하여, Finite Integration Technology (FIT) Microwave Studio 3차원 시뮬레이션 코드를 이용하여 모델링한 도 7의 51과 같은 광결정 구조의 정방형 배열을 갖는 회로를 이용하였다. 이때 사용된 광결정 구조는 도 6와 같이 제작된 광결정 구조를 이용하였다. 도 7의 72와 같이, 광결정 구조의 왼쪽 편에서 테라헤르츠파 대역의 전자기파를 입사시켰을 때 광결정 구조의 주기성으로 인하여 입사된 전자기파가 오른편으로 진행하지 못하고 모두 반사를 일으키는 포토닉 밴드 갭 현상을 시뮬레이션으로 검증할 수 있었다. 또한, 도 7의 73과 같이, 일정 행의 광결정 구조를 제거하여 만든 광도파로와의 커플링을 위하여, 광결정이 제거된 부분과 연결된 일반적인 도파로를 포함하여 시뮬레이션을 하였다 이때, 습식공정으로 제작된 광결정으로 이루어진 광도파로에서 손실없이 테라헤르츠파 대역의 전자기파가 진행되어 광도파로로 사용할 수 있음을 검증하였다. A circuit having a square array of photonic crystal structures, such as 51 of FIG. 7 modeled using Finite Integration Technology (FIT) Microwave Studio 3D simulation code, for the analysis of three-dimensional simulations of photonic crystal structures fabricated using an anisotropic wet process. Was used. At this time, the photonic crystal structure used was a photonic crystal structure manufactured as shown in FIG. 6. As shown in 72 of FIG. 7, when the electromagnetic wave of the terahertz wave band is incident from the left side of the photonic crystal structure, the photonic band gap phenomenon in which the incident electromagnetic waves do not proceed to the right side and causes reflection is simulated. I could verify it. In addition, as shown in 73 of FIG. 7, for coupling with an optical waveguide formed by removing a predetermined row of photonic crystal structures, a simulation was performed including a general waveguide connected to a portion where the photonic crystal was removed. It was verified that the electromagnetic wave in the terahertz wave band proceeded without loss in the optical waveguide consisting of the optical waveguide.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 높이, 지름, 및 주기가 각각 100, 600, 및 1000 마이크로미터인 실리콘 광결정 구조의 포토닉 밴드 갭 특성을 이용한 공진기에 대한 3차원 시뮬레이션 결과를 보여준다. FIG. 8 illustrates a silicon photonic crystal structure having a height, a diameter, and a period of 100, 600, and 1000 micrometers, respectively, manufactured using an anisotropic wet process in the crystal direction 100 of a silicon wafer according to one embodiment of the present invention. Three-dimensional simulation results for the resonator using the photonic band gap characteristics are shown.

도 8과 같이, 일정 영역의 광결정을 제거하여 광결정 공진기로 만들수 있으며, 광결정 공진기와의 커플링을 위하여 일정 행의 광결정을 제거한 광도파로가 포 함된 광결정 공진기를 만들 수도 있다. 도 8과 같이, 광결정 공진기 크기에 의하여 결정된 테라헤르츠파 대역의 특정 전자기파 모드가 형성되었고, 이를 이용하여 원하는 전자기파 대역에서 공진을 일으키는 특정모드를 선택적으로 형성할 수 있는 광결정 공진기를 습식공정을 이용하여 제작할 수 있음을 보여준다. As shown in FIG. 8, a photonic crystal resonator may be removed by removing a predetermined region of the photonic crystal, and a photonic crystal resonator including an optical waveguide in which a predetermined row of photonic crystals are removed for coupling with the photonic crystal resonator may be formed. As shown in FIG. 8, a specific electromagnetic mode of the terahertz wave band determined by the size of the photonic crystal resonator was formed, and the photonic crystal resonator capable of selectively forming a specific mode causing resonance in a desired electromagnetic wave band using the wet process was used. Demonstrates its ability to produce

본 발명에서는, 비등방적 습식공정 시 공정시간, 온도, 습식공정용 시약 등의 공정 조건을 조절함으로써 실리콘 결정의 높이에 대한 선택성을 높일 수 있으며, 상대적으로 가격이 저렴하며, 높이가 큰 광결정 구조를 빠른 시간 안에 대량으로 제작할 수 있고, 주기적 배열로 제작된 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 갖는 수동소자 및 금속 코팅을 하지 않고 실리콘 결정을 사용하여 유전체 광결정 특성을 모두 이용할 수 있다. 이와 같이 실리콘 웨이퍼에 적용되는 비등방적 습식공정을 광결정 제조 공정에 적용함으로써, 광도파로, 공진기, 필터, 안테나 등의 광결정 수동소자를 제작할 수 있고, 주기적 배열로 제작된 실리콘 결정을 도전성이 있는 물질로 코팅하여 금속 광결정 특성을 갖는 수동소자 및 금속 코팅을 하지 않고 실리콘 결정을 사용하여 유전체 광결정 특성을 모두 이용할 수 있다. In the present invention, the selectivity to the height of the silicon crystals can be improved by adjusting the process time, temperature, wet process reagents, etc. in the anisotropic wet process, relatively inexpensive, and has a high height crystal structure It can be produced in large quantities in a short time, and the silicon crystals produced in a periodic arrangement can be coated with a conductive material to utilize both passive devices having metal photonic crystal characteristics and dielectric photonic crystal characteristics using silicon crystals without metal coating. . By applying the anisotropic wet process applied to the silicon wafer to the photonic crystal manufacturing process as described above, photonic crystal passive devices such as optical waveguides, resonators, filters, and antennas can be fabricated, and the silicon crystals produced in a periodic array are made of a conductive material. It is possible to utilize both dielectric photonic crystal characteristics by using silicon crystals without coating and passive devices having metallic photonic crystal characteristics and metal coating.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하였을 경우의 웨이퍼 단면에 관한 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a wafer cross section when an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer is used in accordance with one embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용한 실리콘 광결정 구조의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 2 is a process flow diagram illustrating an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with an embodiment of the present invention and a process of fabricating a silicon photonic crystal structure using semiconductor processing techniques.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정과 반도체 공정기술을 적용한 실리콘 광결정 단면 구조의 일례이다. 3 is an example of a silicon photonic crystal cross-sectional structure to which an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer and semiconductor processing techniques are applied according to an embodiment of the present invention.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼 밑면에 도전성이 있는 물질로 코팅하여 제작한 광결정 구조이다.4 is a photonic crystal structure fabricated by coating a conductive material on the bottom surface of a silicon wafer in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따라 도전성이 있는 물질로 코팅된 실리콘 웨이퍼를 광결정이 제작될 실리콘 웨이퍼에 접합시키고, 습식공정을 이용하여 제작한 실리콘 광결정 구조이다.FIG. 5 is a silicon photonic crystal structure fabricated by using a wet process by bonding a silicon wafer coated with a conductive material to a silicon wafer on which a photonic crystal is to be manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 6는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작한 실리콘 광결정 구조에 대한 사진을 보여준다. FIG. 6 shows a photograph of a silicon photonic crystal structure fabricated using an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with one embodiment of the present invention.

도 7는 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 높이, 지름, 및 주기가 각각 100, 600, 및 1000 마이크로미터인 실리콘 광결정 구조의 포토닉 밴드 갭 특성을 이용한 광도파로에 대한 3차원 시뮬레이션 결과를 보여준다. FIG. 7 illustrates a silicon photonic crystal structure having a height, a diameter, and a period of 100, 600, and 1000 micrometers, respectively, fabricated using an anisotropic wet process in a crystal direction 100 of a silicon wafer in accordance with one embodiment of the present invention. Three-dimensional simulation results for the optical waveguide using the photonic band gap characteristics are shown.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (100)로의 비등방적 습식공정을 이용하여 제작된 높이, 지름, 및 주기가 각각 100, 600, 및 1000 마이크로미터인 실리콘 광결정 구조의 포토닉 밴드 갭 특성을 이용한 공진기에 대한 3차원 시뮬레이션 결과를 보여준다. FIG. 8 illustrates a silicon photonic crystal structure having a height, a diameter, and a period of 100, 600, and 1000 micrometers, respectively, manufactured using an anisotropic wet process in the crystal direction 100 of a silicon wafer according to one embodiment of the present invention. Three-dimensional simulation results for the resonator using the photonic band gap characteristics are shown.

Claims (10)

실리콘 웨이퍼에 소정 결정 방향으로의 비등방적 습식공정에 의해 2차원 배열의 광결정이 포함된 광결정 구조를 형성하고,A photonic crystal structure containing a two-dimensional array of photonic crystals is formed on the silicon wafer by an anisotropic wet process in a predetermined crystal direction, 상기 비등방적 습식공정으로 형성한 실리콘 광결정 구조 상에, 상기 결정 방향으로의 전자기파 손실을 막아주기 위하여 도전성이 있는 물질로 코팅한 덮개를 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 제작방법.Forming a cover coated with a conductive material on the silicon photonic crystal structure formed by the anisotropic wet process to prevent electromagnetic wave loss in the crystal direction. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 실리콘 웨이퍼 밑면에 도전성 물질을 코팅하거나, 상기 광결정의 옆면 이외의 부분에 도전성이 있는 물질로 코팅한 것을 특징으로 하는 광결정 제작방법.Coating a conductive material on the bottom surface of the silicon wafer, or a photonic crystal manufacturing method characterized in that the coating on the portion other than the side surface of the photonic crystal with a conductive material. 제1 실리콘 웨이퍼의 밑면에 도전성 물질을 코팅한 제2 실리콘 웨이퍼를 접합하고,Bonding a second silicon wafer coated with a conductive material on the bottom surface of the first silicon wafer, 상기 제1 실리콘 웨이퍼에 소정 결정 방향으로의 비등방적 습식공정에 의해 2차원 배열의 광결정이 포함된 광결정 구조를 형성하며,Forming a photonic crystal structure including a two-dimensional array of photonic crystals by an anisotropic wet process in a predetermined crystal direction on the first silicon wafer, 상기 비등방적 습식공정으로 형성한 상기 제1 실리콘 웨이퍼의 실리콘 광결정 구조 상에, 상기 결정 방향으로의 전자기파 손실을 막아주기 위하여 도전성이 있는 물질로 코팅한 덮개를 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 제작방법.And a cover coated with a conductive material on the silicon photonic crystal structure of the first silicon wafer formed by the anisotropic wet process to prevent electromagnetic wave loss in the crystal direction. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 비등방적 습식공정은, (100) 결정 방향으로의 습식공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정 제작방법.The anisotropic wet process comprises a wet process in the (100) crystal direction. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 광결정 구조를 형성한 후에, 금속 광결정 특성을 위하여 상기 광결정의 옆면과 상기 광결정의 옆면 이외의 부분 모두에 도전성이 있는 물질로 코팅한 것을 특징으로 하는 광결정 제작방법.And after forming the photonic crystal structure, coating a side of the photonic crystal and a portion other than the side surface of the photonic crystal with a conductive material for metal photonic crystal characteristics. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제작된 광결정 수동소자.A photonic crystal passive device manufactured according to any one of claims 1 to 3. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 광결정은 원형(circle), 정방형(square) 또는 삼각형(triangular) 형태인 것을 특징으로 하는 광결정 수동소자.The photonic crystal is a photonic crystal passive device, characterized in that the circular (circle), square (square) or triangular (triangular) form. 제6항에 있어서, 상기 광결정은 양각 또는 음각 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정 수동소자.7. The photonic crystal passive device of claim 6, wherein the photonic crystal comprises an embossed or intaglio form. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 광결정은 전자기파 신호의 처리 또는 송수신을 위한 광도파로, 공진기, 필터, 또는 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정 수동소자.The photonic crystal is an optical waveguide for processing or transmitting and receiving an electromagnetic wave signal, the photonic crystal passive element comprising a resonator, a filter, or an antenna. 삭제delete
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