KR101200562B1

KR101200562B1 - 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR101200562B1
Application number: KR1020110004672A
Authority: KR
Inventors: 정명영; 오승훈; 이태호; 류진화; 조상욱
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2012-11-13
Also published as: CN103328175B; US9233487B2; KR20120083167A; US20130292052A1; WO2012099294A1; CN103328175A

Abstract

본 발명은 광 파이버와의 자동정렬 기술을 위한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프 의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 대면적 금속 스탬프를 제조하기 위하여, 단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함한다.

Description

광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법{Method for manufacturing of Optical alignment large sized one body type metal stamp and Method for manufacturing of polymer optical device using the same}

본 발명은 고분자 광소자에 관한 것으로, 구체적으로 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

인터넷 이용 등의 폭발적인 증가에 따른 정보전송 용량의 수요를 만족시키기 위해서 광통신 기술의 채용이 확대되고 있다. 이러한 광통신 기술 발전은 FTTH(Fiber to the Home)의 도입을 촉진시키고 있으며, 이에 따라 고효율의 PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자의 저가격화가 경쟁력의 중요한 요소가 되었다.

종래 기술의 PLC 소자 대부분은 실리카 기반으로 대부분 제작이 되고 있으나, 이는 고온 공정 및 복잡한 생산 공정으로 인하여 가격화에 있어 많은 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 보완하기 위하여 저온(<300℃)공정과 저가 및 대량 생산 공정이 가능한 고분자 기반의 PLC소자 제작에 관련된 연구가 이루어지고 있다.

그 중에서, R&P 임프린트 공정은 미세 구조물을 가진 스탬프를 폴리머 층과 물리적으로 접촉시켜 미세 패턴을 직접 전사시키므로 공정이 단순하여 저가로 대량생산할 수 있어 고분자 PLC 소자 제작에 있어 가장 적합한 공정 기술로 부각된다.

이러한 기법에 의해 제작되는 PLC 소자는 내부에 광도파 매질을 형성하여 광이 통과하도록 제작된 것이므로, 광도파 매질인 광로가 매우 정밀하게 제작되어야 고분자 PLC 소자의 효율 및 성능이 유지된다.

그러므로, 임프린트 공정을 위한 PLC 소자용 대면적 스탬프의 제작 및 대면적 성형 기술은 매우 중요하다.

그리고 종래 기술의 PLC 소자의 스탬프는 포토리소그래피 및 에칭 공정을 통해 웨이퍼 기반으로 제작이 이루어지고 있다. 이러한 공정들을 통한 스탬프의 제작 기술은 1㎛ 이하의 분기형상을 구현할 수 없을 뿐만 아니라, 웨이퍼 전 영역에서의 균일한 치수 정밀도를 유지하기가 어려운 문제점을 가지고 있어 고효율의 PLC 소자를 구현하기 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 고 분해능을 가지는 전자빔 노광을 통해 고정밀의 스탬프가 제작이 되어야 하나, 전자빔 노광 방식을 통해 웨이퍼 크기를 가지는 스탬프를 제작하기에는 비용이 매우 크게 소요 될 뿐만 노광시간이 매우 길게 되는 문제점을 지니고 있다.

따라서, 고정밀의 대면적 스탬프를 스템/리피트(step & repeat) 방식의 노광 기술 및 임프린트 기술을 통해 제작하기 위한 방법들이 제시되었다. 그러나 스텝/리피트 방식에 의한 스탬프 제작은 정밀한 스테이지(stage) 시스템이 구축된 장비가 요구된다. 또한, 스텝/리피트 방식에 의해 패턴이 이루어지므로 단위 패턴들간의 잔류층(residual layer) 들이 동일하게 유지하기가 어려운 문제점을 지니고 있다.

그리고 대면적 스탬프의 크기 역시 스텝/리피트 방식의 노광 시스템 및 임프린트 장비에 의해 크기의 제약이 발생하게 된다.

마지막으로 이러한 공정을 통한 스탬프의 제작은 동일한 형상의 패턴으로만 이루어지는 문제점을 가지고 있다.

고분자 PLC 소자의 패턴성형은 주로 양각의 스템프(stamp)를 이용하여 써멀(thermal) 임프린트 방식으로 광이 도파되는 하부 클래드(under-clad) 채널을 성형하고, 이후 코어(core) 물질을 충진 후에 상부 클래드(upper-clad)를 덮고 UV 조사를 통한 경화 방식으로 이루어졌다.

그러나 PLC 소자의 형상은 미크론 이하의 갭(gap) 부분이 존재하게 되며 이러한 형상을 써멀 임프린트 방식을 통해 제작할 때에는 스티킹(sticking)에 의해 디몰딩(demolding) 공정에서 PLC 소자의 패턴이 파손되거나, 변형이 자주 발생하는 문제점을 지니고 있다.

그리고 소자 제작을 위해 성부 클래드(upper-clad)를 덮고 코어 물질을 가압할 때 슬라브 두께(slab thickness)는 광의 누설 손실을 결정하는 요소이지만, 클래드 층 사이의 접착을 유지하기 위한 요소이다. 따라서, 슬라브 두께를 제어하기 위한 기술은 매우 중요하다.

또한, 고효율의 고분자 PLC 소자를 위해서는 굴절율 제어가 매우 중요하지만, 하부 클래드 채널 성형 후에 상부 클래드를 덮은 상태에서의 코어의 경화 방법은 정확한 굴절율 제어를 하기 어려운 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고분자 광소자 제조 과정에서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 차후 광통신에서 요구되고 있는 데이터 전송에 있어 저가이며, 저손실의 대면적 고분자 PLC 소자 개발에 적용할 수 있도록 한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술과 이를 이용한 고효율의 PLC 소자 제작 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 PLC 소자의 생산성 향상을 통해 PLC 소자의 저가격화를 유지할 수 있고, 자동정렬용 그루브가 포함된 일체형 패턴의 제작 및 표면조도의 개선으로 PLC 소자 내에 발생하는 광손실을 최소화하여 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있도록한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 소자의 분리 등에 의한 PLC 소자의 신뢰성 문제를 해결하여 PLC 소자의 경제성과 성능을 향상시켜 차후 광통신의 상용화 및 조기 실현을 가능하도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 하나의 대면적 스탬프에 여러 가지 다른 PLC 소자 형상들이 각인된 형태로 이루어 질 수 있어, 한번의 임프린트 공정을 통해 다양한 형상을 가지는 PLC 소자들을 제공할 수 있도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있는 기술들을 제공할 수 있도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법은 고분자 광소자를 제작하기 위한 대면적 금속 스탬프의 제조를 위하여, 단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 대면적 스탬프는,상기 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계는,실리콘 기판에 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴을 형성하여 단위 소자 PLC 금형 패턴을 만드는 공정과,열가소성 수지인 PMMA 시트위에 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판에 포함된 V 그루브 정렬용 가이드 핀을 기준으로 한 다단 임프린트 공정으로 양각의 패턴을 전사하여 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판은,상기 V 그루브 정렬용 가이드 핀이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 위치하고,후 공정의 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 다단 임프린트 공정 진행시에 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키기 위하여,하부클래드로 사용되는 고분자의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에서 가열된 후, 초기 압력을 인가후 임프린트시에 다시 초기 압력보다 높은 보압을 인가하고 다시 초기 압력을 인가하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계에서,상기 단위 PLC 소자 패턴 형성 물질의 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리 공정으로 에칭 공정상에서 발생한 스캘럽 형상(scallop shape)이 없어지도록 진행하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 그루브 패턴을 제작하는 단계는,실리콘 기판위에 임프린트 레진으로 레지스트를 형성하고자 하는 그루브 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅하는 공정과,제작된 단위 소자용 스탬프를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴을 한 번에 임프린트하는 공정과,상기 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작하는 공정과,음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트와 PMMA 시트를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하는 공정과,성형된 양각의 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남기는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 그루브 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치되도록 하여 정렬 오차를 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계는,다이싱 된 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하는 공정과,상기 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 정렬하고, 정렬된 패턴을 복제 주조 방식으로 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형을 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 복제 주조 공정에서,진공 분위기속에서 기포가 제거되도록 하고, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 경화하여 PLC 소자 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 대면적 PDMS 패턴을 형성하는 단계는,단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르는 공정과,각각의 높이가 다른 PDMS 패턴들을 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 기판에 놓고, 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 대면적 스탬프를 제작하는 단계는,상기 대면적 PDMS 패턴에 기지층을 증착하는 공정과,니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형을 형성하는 공정을 포함하고,상기 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리를 막기 위하여 증착 온도 및 증착 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 증착 온도 및 증착 속도의 제어는,크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec의 증착 속도로 기지층을 증착하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식으로 PLC 패턴 및 그루브 패턴을 제작하기 위하여,상기 대면적 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키는 단계;히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 기판 온도를 높여 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키는 단계;1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진하는 공정과,가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키는 단계;소프트 노광(soft exposure) 와 하드노광(hard exposure)의 두 번의 노광으로 충진된 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소프트 노광(soft exposure)을 제 1 기준 시간 동안 진행하고, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 제 1 기준 시간보다 긴 제 2 기준 시간 동안 진행하여 계면에서의 인터록킹(interlocking)에 의한 패턴의 결함을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 광소자의 제조에 있어서,제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시키는 단계;상기 코어 물질의 유동성을 증가시키면서 상부 클래드 물질의 시트를 롤러로 가압하면서 덮어 코어 물질의 두께를 1차 조절하는 단계;상기 롤러로 상부 클래드 물질을 가압하는 과정을 반복하여 코어 물질의 두께를 2차 조절하는 단계;상기 코어 물질의 굴절율을 1차 제어되도록 UV 노광으로 경화시면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시키는 단계;열처리 공정으로 상기 코어 물질의 굴절율을 2차 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있다.

둘째, 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 PLC 소자를 저가로 대량 생산할 수 있다.

셋째, 임프린트를 통해 광 파이버 지지를 위한 그루브 홈과 PLC 패턴을 일체형으로 동시에 형성함으로써 PLC 소자와 광 파이버의 광 연결을 자동 정렬하게 할 수 있어 광의 결합효율을 높일 수 있다.

넷째, 광 파이버 지지를 위한 그루브 홈과 PLC 패턴이 일체형으로 이루어지므로 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 간의 분리를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있다.

다섯째, 다양한 형상 및 높이를 가지는 PLC 소자용 스템프를 간단하게 제작할 수 있고, 이를 이용하여 한 번의 공정을 통해 다양한 PLC 소자를 제작할 수 있다.

여섯째, 열처리에 의한 표면조도 개선, 증복 UV 노광(two UV exposure)을 통한 대면적 패터닝 및 굴절율 제어에 의해 광손실을 최소화한 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 소자 제작용 대면적 금속 스탬프 제작 및 이를 이용한 고효율의 고분자 PLC 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도
도 2a와 도 2b는 소면적 PLC 단위 소자 스탬프 제작 및 다단 임프린트 공정에 의한 단위 고분자 PLC 패턴의 제작 방법을 나타낸 구성도
도 3a와 도 3b는 표면조도 개선을 위한 sub-Tg 열처리 공정 전,후의 SEM 및 AFM 표면조도 이미지
도 4는 본 발명에 따른 광 파이버 지지용 그루브 패턴들의 제작 공정 단면도
도 5a와 도 5b는 PLC 단위 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬을 통한 PLC 패턴과 그루브 패턴의 일체형 PDMS 단위 소자 금형 복제 공정 개략도
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 정렬을 통한 대면적 PDMS 금형 제작 개략도
도 7은 본 발명에 따른 대면적 Ni 스탬프 제작을 위한 공정을 개략적으로 나타낸 구성도
도 8a와 도 8b는 대면적 Ni 스탬프를 이용한 코어 패턴 제작 및 경화 조건에 의한 이형 특성을 나타낸 구성도
도 9는 본 발명에 따른 코어 형성 및 소자 제작을 위한 공정 흐름도

이하, 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 소자 제작용 대면적 금속 스탬프 제작 및 이를 이용한 고효율의 고분자 PLC 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.

현재 연구되고 있는 고분자 PLC 소자 제작 방법은 포토리소그래피(Photolithography)와 RIE(Reactive Ion Etching), Laser ablation, 임프린트 방법 등의 공정에 의해 이루어지고 있다. 그 중에서 임프린트 공정은 미세 구조물을 가진 스탬프를 폴리머 층과 물리적으로 접촉시켜 미세 패턴을 직접 전사시키므로 공정이 단순하여 저가로 대량생산할 수 있으므로 최근 polymeric PLC 소자 제작을 위한 적합한 공정기술로 부각되고 있다.

이러한 임프린트 방법을 통한 고효율의 고분자 PLC 소자를 제작하기 위해서는 다음의 조건이 요구된다.

첫째, 고효율의 성능 유지를 위한 설계된 형상 및 치수와의 정밀도 향상을 위한 스탬프 제작 기술 및 임프린트 공정 기술,

둘째, 생산성 향상을 위한 내구성이 뛰어난 대면적 스탬프 제작 기술 및 이를 이용한 임프린트 공정 기술,

셋째, 광 파이버와의 인터피에스부에서의 삽입손실 제어 및 정렬 기술,

넷째, 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 소자의 분리 등의 신뢰성 문제,

다섯째, 표면조도에 의한 산란 손실 제어 기술,

여섯째, 슬라브 두께(Slab thickness) 제어 기술 및 굴절율 제어 기술 등의 조건이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 요구조건을 충족시키기 위한 스탬프 제작 방법 및 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 대량생산에 적합한 대면적 초정밀 광 정렬 일체형 PLC용 니켈 스탬프 제작 기술, 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법에 관한 것이다.

대면적 니켈 스탬프는 PLC 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴의 일체형 형태로 이루어지므로, 임프린트 후 성형된 패턴은 광 파이버와 PLC 소자의 자동 정렬을 유도하여 인터페이스부에서의 삽입 손실을 제어할 수 있다.

또한, 현재 가장 문제가 되고 있는 PLC 소자의 진동 등의 외부적 충격에 의한 PLC 소자와 광 파이버의 분리 등에 의한 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.

그리고 임프린트된 열가소성 수지의 열처리 기법을 통해 표면조도가 10nm 이하로 제어된 스탬프를 제공함으로 PLC 소자내의 산란손실을 제어할 수 있다.

이하에서 이러한 요구조건을 충족시키기 위한 스탬프 제작 방법 및 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 포함된 기술적 구성은 크게 광 파이버와의 자동정렬 기술을 위한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술과 이를 이용한 고효율의 PLC 소자 제작 기술로 구성된다.

먼저, 광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술은 단일 PLC 소자의 패턴 형성, 그루브 패턴 제작, Sub-Tg 어닐링에 의한 스캘럽(scallop) 형상 제거를 통한 표면조도 개선, 단위 소자의 반복 복제 주조 및 정렬을 통한 대면적 PDMS 패턴 제작, 전주도금에 의한 대면적 PLC용 니켈 스탬프 제작 기술 등이 포함된다.

또한, 고효율 고분자 PLC 소자 제작을 위한 기술은 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식에 의한 하부 클래드/코어 패턴 성형 기술, 슬라브 두께(slab thickness) 제어를 위한 라미네이션(lamination) 기술, 굴절율 제어를 위한 기술 등이 포함된다.

이러한 기법들을 이용하여 생산성이 뛰어나고 저렴한 비용으로 고효율의PLC 소자의 제작이 가능할 것이며, PLC내의 광의 결합손실을 줄이고 광출력을 증대할 수 있을 것으로 기대된다.

먼저, 대면적 PLC 소자용 금속 스탬프 제작(S100) 과정은 다음과 같다.

도 1에서와 같이, 전자빔 리소그래피에 의한 단위 소자 PLC 패턴 및 그루브 패턴 제작 단계(S111), 서멀 임프린트를 통한 열가소성 수지위의 PLC 및 그루브 패턴 제작 단계(S112), 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위한 Sub-Tg 열처리 단계(S113) 및 에칭에 의한 그루브 제작 단계(S114), PLC 패턴 및 그루브 정렬 단계(S115), PLC 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 단위 소자 PDMS(polydimethylsiloxane) 금형 제작 단계(S116), 정해진 횟수 만큼 반복하여(S118) 레플리카 몰딩(Replica molding)에 의한 단위 소자 패턴을 복제하는 단계(S117), 정렬을 통한 대면적 니켈 PDMS 금형을 제작하는 단계(S119) 그리고 전주 도금에 의한 대면적 니켈 스탬프 제작 단계(S120)을 포함한다.

그리고 고효율 PLC 소자의 제작 단계(S200)는 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식에 의한 코어층 형성 단계(S211), UV R&P 임프린트에 의한 하부 클래드(Under-clad) 형성 단계(S212), 굴절율 제어 단계(S213)를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프 및 그의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예인 빔 스플리터(beam splitter) 소자에 한정되지 않으며, PLC 소자의 모든 경우에 대해서 적용된다.

본 발명의 실시예에 따른 대면적 스탬프 제조 방법을 각 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2a와 도 2b는 소면적 PLC 단위 소자 스탬프 제작 및 다단 임프린트 공정에 의한 단위 고분자 PLC 패턴의 제작 방법을 나타낸 구성도이다.

도 2a에서와 같이 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴(21)을 실리콘 기판 위에 마련한다. 전자빔 리소그래피에 의해 형성된 스탬프는 그 접촉 면적이 작으며 정밀하게 제작된 단위 소자 소면적 스탬프이다.

여기서, 제작된 스탬프는 기본적인 PLC 소자 패턴(21) 이외에 그루브 패턴 성형을 위한 V 그루브 제작을 위한 사각 패턴(24)이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 놓이게 된다.

또한, 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴(25) 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴(22) 그리고, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴(23)들이 포함된다.

그리고 제작된 소면적 스탬프(28)를 이용하여 도 2b에서와 같이 열가소성 수지인 PMMA 시트(sheet)(30) 위에 V 그루브 정렬용 가이드 핀(29)을 기준으로 한 다단 임프린트 공법을 이용하여 양각의 패턴을 매우 정밀하게 패턴을 전사한다.

도 2b에서 도면 부호(26)은 소면적 PLC 단위 소자 실리콘 스탬프이고, (27)은 임프린트된 열가소성 PLC 패턴이다.

써멀 임프린트는 보통 한번의 가압공정으로 이루어지나, 본 발명에서의 다단 임프린트는 하부클래드로 사용되는 고분자의 Tg+30 ℃의 온도에서 가열된 후, 25bar와 초기압력 후, 35bar의 보압을 임프린트시 주고, 25bar압력으로 다시 낮춤으로서 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키므로 치수 변형을 방지할 수 있어 치수 정밀도를 높일 수 있다.

도 3a와 도 3b는 표면조도 개선을 위한 sub-Tg 열처리 공정 전,후의 SEM 및 AFM 표면조도 이미지이다.

이와 같이 소면적 스탬프를 이용하여 임프린트된 단위 소자 PLC PMMA 패턴은 도 3a와 도 3b에서와 같이 소면적 스탬프의 제작 공정시 에칭에 의한 스캘럽 형상(scallop shape)과 같이 표면 거칠기가 거칠게 나타난다.

이러한 표면거칠기는 PLC 소자내의 산란손실을 유발할 뿐 만 아니라, 임프린트 및 R&P 기법에 의한 패턴 제작 후 이형에 있어 스티킹(sticking) 문제를 유발하게 된다.

본 발명에서는 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리(PMMA:90℃/60min)에 의해 이러한 표면 거칠기를 개선하는 것으로, 도 3a에서의 표면 거칠기가 열처리 공정에 의해 도 3b에서와 같이 개선된다.

임프린트 기법에 의해 패턴이 각인된 PMMA와 같은 열가소성 수지의 경우는 Sub-Tg 근방에서 탄소가 연결된 분절의 운동이 가능한 광범위한 분자운동이 일어나며, 국지적으로 분자들은 확산이 가능하여 한 위치에서 다른 위치로의 이동이 가능하다.

따라서, PMMA의 온도를 상승시켜 Sub-Tg 근방에서의 어닐링은 분자들의 활발한 운동을 가능하게 함으로서 고분자의 점도가 감소하게 된다. 또한, 활성화 에너지가 증가하여 분자 사이에 힘이 줄어들기 때문에 표면장력을 감소시키게 된다.

이러한 이유로 인해 Sub-Tg 근방(PMMA인 경우: 90℃)에서의 어닐링을 통해 원형 PMMA 마스터의 측벽 조도(sidewall roughness)를 개선할 수 있다.

도 3a는 90℃의 오븐 안에서 시간에 따른 측벽 조도(sidewall roughness) 변화를 나타낸 것으로, 어닐링(annealing) 시간에 따라 에칭 공정상에서 발생한 스캘럽(scallop shape)이 없어짐을 알 수가 있으며, 도 3b는 최적의 어닐링 조건을 통해 개선된 측벽 거칠기(sidewall roughness)의 AFM 이미지를 나타낸 것이다.

광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴의 제작 과정은 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 광 파이버 지지용 그루브 패턴들의 제작 공정 단면도이다.

먼저, 그루브 패턴의 제작시 PLC 소자 패턴과의 정렬이 중요하다.

이를 위하여, 본 발명에서는 실리콘 기판(41) 위에 임프린트 레진으로 레지스트(42)를 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅한 후, 제작된 단위소자용 스탬프(44)를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴(43)을 한 번에 임프린트 한다.

이후, 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작한다.

도 4에서 (45)는 V 그루브 패턴이 형성된 기판이고, (46)은 사각 패턴이 형성된 기판이다.

그리고 음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트(47)와 PMMA 시트(48)를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하게 된다.

이후, 성형된 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남긴다. 도 4에서 (49)는 V 그루브 패턴이 형성된 패턴층이고, (50)은 사각 패턴이 형성된 패턴층이다.

이와 같이 제작된 그루브 실리콘 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치 되므로 정렬 오차를 줄일 수 있게 된다.

그리고 제작된 PLC 패턴 및 그루브 패턴의 정렬을 통한 음각의 PDMS 금형 제작 단계를 설명하면 다음과 같다.

도 5a와 도 5b는 PLC 단위 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬을 통한 PLC 패턴과 그루브 패턴의 일체형 PDMS 단위 소자 금형 복제 공정 개략도이다.

먼저, 다이싱 된 PLC 소자와 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하게 된다.

이후 도 5a와 같이 PLC 소자와 그루브 패턴이 일체형으로 정렬된다. 정렬된 패턴을 복제 주조 방식에 의한 PLC 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형이 제작된다.

이때, 정밀 복제를 위하여 진공 분위기속에서 기포가 제거되며, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 정도 경화하여 PLC 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성한다.

여기서, 복제된 PDMS 두께는 1cm 미만으로 한다.

표면조도가 개선된 V 그루브와 PLC 패턴이 복합된 단위 소자 패턴의 반복 복제를 통한 대면적 PDMS 패턴 복제 공정에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 정렬을 통한 대면적 PDMS 금형 제작 개략도이다.

단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르게 된다.

이때 각각의 PDMS 패턴은 원하는 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 표면이 깨끗한 기판 위에 놓이게 된다. 각각의 복제된 단위 소자의 경우에 높이가 다르게 제작이 되므로, 대면적 스탬프의 균일한 높이 유지와 단위 패턴들을 하나의 금형의 형태로 제작하기 위해 경화된 PDMS 위에 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시킨다.

여기서, 사용된 각각의 단위 소자의 PLC 패턴의 크기 및 형상은 각각 다양한 소자들이 포함될 수 있는 장점을 지닌다. PDMS 의 경우, 유리판 또는 다른 기판과의 밀착성이 좋아 액체의 PDMS가 패턴들 사이로 들어가는 문제점은 발생하지 않는다.

그리고 제작된 대면적 PDMS를 이용하여 전주 도금에 의한 대면적 니켈 스탬프 제작에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 대면적 Ni 스탬프 제작을 위한 공정을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

제작된 대면적 PDMS 마스터의 패턴에 기지층의 증착과 전해도금을 통해 니켈 금형을 제작한다.

여기서, 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리가 발생하게 된다. 따라서, 크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec으로 기지층을 증착하여 크랙 및 박리를 제어하게 된다. 기지층의 증착후 니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형이 제작된다.

그리고 이와 같이 제작된 대면적 니켈 스탬프를 이용하여 R&P 임프린트 기법에 의한 PLC 패턴 및 그루브 패턴의 제작 공정은 다음과 같이 이루어진다.

도 8a와 도 8b는 대면적 Ni 스탬프를 이용한 코어 패턴 제작 및 경화 조건에 의한 이형 특성을 나타낸 구성도이다.

먼저, 대면적 니켈 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키고, 히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 약 60 ℃의 기판 온도를 유지한다.

이는 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키게 된다.

또한, 대면적의 패턴 성형시 전 영역에서의 두께를 균일하게 할 뿐만 아니라, 성형 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이후, 1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진을 도모한다. 이후, 두 개의 가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키게 한다.

미크론 이하의 갭이 존재하는 PLC 소자의 UV 성형시 도 8b와 같이 디몰딩(demolding) 공정시 스트킹(sticking)에 의해 PLC 소자의 형상이 파손되거나, 변형이 발생한다.

따라서, 본 발명에서는 충진된 레진은 소프트 노광(soft exposure) 와 하드 노광(hard exposure)의 두 번의 노광을 통해 성형되어진다.

우선, 계면에서의 인터록킹(interlocking)이 심하지 않으면서 패턴의 형상이 유지될 수 있는 소프트 노광(soft exposure)을 40초간 수행 후, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 2분간 수행하게 된다. 이런 공정들을 통해 하부 클래드 패턴 및 그루브 패턴을 결함 없이 매우 정밀하게 제작할 수 있다.

그리고 코어 형성 과정 및 PLC 소자 제작 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 코어 형성 및 소자 제작을 위한 공정 흐름도이다.

먼저, 제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해서 채널에만 충진이 가능한 피코레벨의 양으로 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시킨다.(S901)

그리고 유동성을 증가시키기 위해 60℃의 온도로 가열한다. 상부 클래드 물질의 시트를 2개의 2차 롤러를 통해 가압하면서 덮게 된다. 이는 롤러에 의해 가압되는 부위부터 먼저 닿으면서 유동을 바깥쪽으로 밀게 되면서 충진이 되므로 코어의 잔류층의 두께를 1차적으로 조절 할 수 있으며, 이후, 롤러를 이용한 가압 횟수에 따라 두께 및 두께에 대한 균일도가 조절 되어 질 수 있도록 한다.(S902)

이후 UV 노광을 통해 코어를 경화시키면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시킨다. 설계된 코어의 굴절율은 1차적으로 UV 노광량을 통해 제어된다.(S903)

그리고 사용된 코어용 UV 큐어블 레진은 열처리 동안에 굴절율이 미세하게 낮아지게 되는 특징을 이용하여 이후 제작된 소자의 2차 굴절율 제어는 열처리(70℃)를 통해 정밀한 굴절율 제어가 가능할 수 있다.(S904)

이상에서와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프의 제작을 가능하도록 한 것이다.

그리고 자동정렬용 그루브가 포함된 일체형 패턴의 제작 및 표면조도의 개선으로 PLC 소자 내에 발생하는 광손실을 최소화하여 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있도록한 것이다.

그리고 하나의 대면적 스탬프에 여러 가지 다른 PLC 소자 형상들이 각인된 형태로 이루어 질 수 있어, 한번의 임프린트 공정을 통해 다양한 형상을 가지는 PLC 소자들을 제공할 수 있도록 한 것이다.

그리고 본 발명은 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

21. PLC 소자 패턴
22. 다이싱을 위한 가이드 키 패턴
23. PLC와 V 그루브 정렬용 가이트 키 패턴
24. V 그루브 제작을 위한 사각 패턴
25. 대면적 스탬프를 위한 정렬용 키 패턴

Claims

고분자 광소자를 제작하기 위한 대면적 금속 스탬프의 제조를 위하여,
단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;
표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;
광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;
상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;
상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대면적 스탬프는,
상기 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계는,
실리콘 기판에 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴을 형성하여 단위 소자 PLC 금형 패턴을 만드는 공정과,
열가소성 수지인 PMMA 시트위에 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판에 포함된 V 그루브 정렬용 가이드 핀을 기준으로 한 다단 임프린트 공정으로 양각의 패턴을 전사하여 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판은,
상기 V 그루브 정렬용 가이드 핀이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 위치하고,
후 공정의 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 다단 임프린트 공정 진행시에 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키기 위하여,
하부클래드로 사용되는 고분자의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에서 가열된 후, 초기 압력을 인가후 임프린트시에 다시 초기 압력보다 높은 보압을 인가하고 다시 초기 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계에서,
상기 단위 PLC 소자 패턴 형성 물질의 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리 공정으로 에칭 공정상에서 발생한 스캘럽 형상(scallop shape)이 없어지도록 진행하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 그루브 패턴을 제작하는 단계는,
실리콘 기판위에 임프린트 레진으로 레지스트를 형성하고자 하는 그루브 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅하는 공정과,
제작된 단위 소자용 스탬프를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴을 한 번에 임프린트하는 공정과,
상기 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작하는 공정과,
음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트와 PMMA 시트를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하는 공정과,
성형된 양각의 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남기는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 그루브 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치되도록 하여 정렬 오차를 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계는,
다이싱 된 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하는 공정과,
상기 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 정렬하고, 정렬된 패턴을 복제 주조 방식으로 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형을 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 복제 주조 공정에서,
진공 분위기속에서 기포가 제거되도록 하고, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 경화하여 PLC 소자 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대면적 PDMS 패턴을 형성하는 단계는,
단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르는 공정과,
각각의 높이가 다른 PDMS 패턴들을 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 기판에 놓고, 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대면적 스탬프를 제작하는 단계는,
상기 대면적 PDMS 패턴에 기지층을 증착하는 공정과,
니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리를 막기 위하여 증착 온도 및 증착 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 증착 온도 및 증착 속도의 제어는,
크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec의 증착 속도로 기지층을 증착하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식으로 PLC 패턴 및 그루브 패턴을 제작하기 위하여,
상기 대면적 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키는 단계;
히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 기판 온도를 높여 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키는 단계;
1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진하는 공정과,
가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키는 단계;
소프트 노광(soft exposure) 와 하드노광(hard exposure)의 두 번의 노광으로 충진된 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 소프트 노광(soft exposure)을 제 1 기준 시간 동안 진행하고, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 제 1 기준 시간보다 긴 제 2 기준 시간 동안 진행하여 계면에서의 인터록킹(interlocking)에 의한 패턴의 결함을 감소시키는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.
PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 광소자의 제조에 있어서,
제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시키는 단계;
상기 코어 물질의 유동성을 증가시키면서 상부 클래드 물질의 시트를 롤러로 가압하면서 덮어 코어 물질의 두께를 1차 조절하는 단계;
상기 롤러로 상부 클래드 물질을 가압하는 과정을 반복하여 코어 물질의 두께를 2차 조절하는 단계;
상기 코어 물질의 굴절율을 1차 제어되도록 UV 노광으로 경화시면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시키는 단계;
열처리 공정으로 상기 코어 물질의 굴절율을 2차 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.