KR101789026B1 - 광변조기용 리튬나오베이트(LiNbO3)기판의 제조 방법 - Google Patents

광변조기용 리튬나오베이트(LiNbO3)기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 SF6가스 및 He가스를 이용한 식각공정을 통하여 표면 굴절률을 낮춘 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조방법에 의하면 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 식각함으로써 짧은 시간에 Li를 제거할 수 있어 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, LiF와 같은 부산물을 형성하지 않는 효과가 있다.

Description

광변조기용 리튬나오베이트(LiNbO3)기판의 제조 방법{Method of manufacturing of LiNbO3 substrate for optical modulator}
본 발명은 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 SF6가스 및 He가스를 이용한 식각공정을 통하여 표면 굴절률을 낮춘 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광통신에 사용하는 광변조기는 구동전압, 전극 임피던스, RF위상속도, 변조대역 등을 조절하기 위해 광도파로가 형성된 기판에 RF와 DC 전극을 형성하게 된다.
이 때, 상기 광변조기의 기판으로서 전기광학 효과를 갖는 LiNbO3 기판을 사용하는 것이 일반적이며, 상기 LiNbO3 기판에는 열확산법 등을 이용하여 Ti 확산도파로를 형성하여 사용한다.
그러나 상기 LiNbO3 기판에 Ti 확산도파로를 형성하는 과정에서 불순물의 확산으로 인한 기생모드가 발생하게 되어, 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률이 상승하게 된다.
이러한 상기 LiNbO3 기판 표면의 굴절률 상승은 광의 일부를 산란시켜 결국 손실을 증가시키는 문제점을 야기한다.
공개특허번호 제10-1998-017849호(1998.06.05. 공개) 등록특허번호 제10-0439960호(2004.07.01. 등록)
본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판에 확산된 Li을 제거하여 표면 굴절률을 낮출 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판에 확산된 Li을 제거함으로써 표면 굴절률을 낮춘 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 SF6가스 및 He가스를 이용한 식각공정을 통하여 표면 굴절률을 낮추는데, 상기 식각공정은 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LiNbO3 기판은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정은 10 내지 30sccm 범위의 일정 속도로 3 내지 10초 범위의 일정 시간 동안 상기 SF6가스를 투입하여 식각한 다음, 70 내지 90sccm 범위의 일정속도로 5 내지 15초 범위의 일정 시간 동안 상기 He가스를 투입하여 식각한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정을 1사이클로 하여 40 내지 110 범위의 일정 사이클의 식각공정을 수행한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정 후 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률은 2.4 내지 2.78 범위의 일정 굴절률을 가진다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한, LiNbO3 기판 상에 Ti층을 증착하는 단계; 상기 Ti층 상에 포토레지스트(PR)패턴을 형성하고, 상기 PR 패턴을 이용하여 상기 TI층을 식각하는 단계; 열처리공정을 수행하여 상기 LiNbO3 기판에 Ti확산도파로를 형성하는 단계; 및 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 제거하기 위하여 상기 LiNbO3 기판의 표면을 식각하는 식각공정단계;를 포함하며, 상기 식각공정단계는 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 LiNbO3 기판은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정단계는 10 내지 30sccm 범위의 일정 속도로 3 내지 10초 범위의 일정 시간 동안 상기 SF6가스를 투입하여 식각한 다음, 70 내지 90sccm 범위의 일정속도로 5 내지 15초 범위의 일정 시간 동안 상기 He가스를 투입하여 식각한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정을 1사이클로 하여 40 내지 110 범위의 일정 사이클의 식각공정을 수행한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정 후 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률은 2.4 내지 2.78 범위의 일정 굴절률을 가진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각공정단계 후, 상기 LiNbO3 기판상에 SiO2 버퍼층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
본 발명의 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조방법에 의하면 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판에 확산된 Li을 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 식각함으로써 LiNbO3 기판 표면의 굴절률을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조방법에 의하면 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 식각함으로써 짧은 시간에 Li를 제거할 수 있어 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, LiF와 같은 부산물을 형성하지 않는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시에에 따른 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 과정 중 발생하는 Li의 out-diffusion을 보여주는 도면이다.
도 3은 Li이 out-diffusion된 도파로에서의 도파로 특성을 보여주는 도면이다.
도 4는 Li의 out-diffusion이 억제된 도파로에서의 도파로 특성을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시에에서 적용된 식각공정을 이용하여 식각한 LiNbO3 기판의 표면을 보여주는 사진이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시에에 따른 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이며, 도 2는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 과정 중 발생하는 Li의 out-diffusion을 보여주는 도면이다.
본 발명의 기술적 특징은 Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 SF6가스 및 He가스를 이용한 식각공정을 통하여 표면 굴절률을 낮추는데, 상기 식각공정은 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각하는 것에 있으며, 상기 LiNbO3 기판은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판을 사용하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법은 LiNbO3 기판 상에 Ti층을 증착하는 단계와, 상기 Ti층 상에 포토레지스트(PR)패턴을 형성하고, 상기 PR 패턴을 이용하여 상기 TI층을 식각하는 단계와, 열처리공정을 수행하여 상기 LiNbO3 기판에 Ti확산도파로를 형성하는 단계 및 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 제거하기 위하여 상기 LiNbO3 기판의 표면을 식각하는 식각공정단계를 포함하며, 상기 식각공정단계는 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법을 도면을 참조하여 각 단계별로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 LiNbO3기판(100) 상에 Ti층(101)을 증착한다.
도 1a를 참조하면, 상기 LiNbO3 기판(100)은 투명소재의 기판으로서, 높은 굴절율(2.4)로 인해 1.3㎛과 1.5㎛ 신호를 모두 내부반사 시키기에 탁월하기 때문에 광변조기 제작시 기판으로 사용된다.
이때, 상기 LiNbO3 기판(100)은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판을 사용하는것이 바람직하다. Z컷 LiNbO3 기판은 결정구조로 인해 열처리시 급격한 온도차에 스파크와 웨이퍼 크랙과 같은 문제들에 민감하게 반응하는 반면, X컷 LiNbO3 기판은 급격한 온도차에 상술한 문제들에 둔감한 특성을 보인다. 이는, X컷 LiNbO3 기판은 열처리시 받은 열이 충분히 웨이퍼에서 빠져나간 후에는 노광(exposure) 공정을 통해 도파로 패턴대로 빛을 충분히 노출시키기 때문인 것으로 풀이된다.
또한, Z컷 LiNbO3 기판은 비대칭적 전극구조로 인해 변조신호에 따라 위상이 변하는 현상인 Chirp이 발생하지만, 대칭구조의 X컷 LiNbO3 기판은 Chirp이 발생하지 않아 복수의 변조된 광을 송신하는 코히어런트 광통신에 적합하다.
상기 Ti층(101)은 상기 LiNbO3기판(100)에 Ti 확산도파로를 형성하기 위한 박막층으로서, e-beam evaporator를 이용하여 증착할 수 있는데, 약 1000Å의 두께로 증착하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 Ti층(101) 상에 포토레지스트(PR)패턴을 형성하고, 상기 PR 패턴을 이용하여 상기 TI층(101)을 식각한다.
도 1b를 참조하면, 상기 Ti층(101)을 식각하기 위해 포토마스크를 사용하여 포토레지스트(PR) 패터닝 공정을 수행한다. 이때, 패터닝된 포토레지스트패턴(102)의 두께는 1.4㎛ 정도가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 1c를 참조하면, 상기 포토레지스트패턴(102)을 이용하여 상기 Ti층(101)을 식각한다. 이때, 식각되는 Ti 패턴의 두께와 너비에 따라 도파로 특성이 결정되기 때문에 적절한 두께와 너비로 식각한다. 본 발명의 실시예에서는 건식식각을 이용하여 식각하였으며, 식각 가스로서 Cl2와 He 등을 이용할 수 있다.
계속해서, 열처리공정을 수행하여 상기 LiNbO3 기판에 Ti확산도파로(103)를 형성한다.
도 1d를 참조하면, 상기 Ti 확산도파로(103)를 제작하기 위해 상기 포토레지스트패턴(102)을 제거하고, Diffusion furnace와 같은 확산장비에서 1060℃ 13시간 동안 고온 열처리를 수행(Ar, O2 분위기)하여 상기 Ti 확산도파로(103)를 형성한다.
이때, 상기 Ti확산도파로(103) 제조 공정 중 photon exchange 현상으로 인하여 상기 LiNbO3기판의 Li 역시 확산되어 상기 LiNbO3기판(100) 표면의 굴절율이 높아지게 된다.
도 2를 참조하면, 상기 Ti확산도파로(103)의 제조 공정 중 상기 LiNbO3 기판(100) 표면으로 Li이 확산됨을 보여주고 있다.
상술할 바와 같이, 상기 LiNbO3기판 표면에 Li이 확산됨으로써 굴절율이 높아지게 되면, 상기 LiNbO3기판(100)의 표면으로 광의 일부가 산란되어 손실이 증가할 수 있다. 따라서 상기 LiNbO3기판(100) 상에 확산된 Li을 제거하여 굴절율을 낮추기 위하여 식각공정을 수행하는 것이 바람직하다.
도 3은 Li이 out-diffusion된 Ti확산도파로에서의 도파로 특성을 보여주는 도면이고, 도 4는 Li의 out-diffusion이 억제된 Ti확산도파로에서의 도파로 특성을 보여주는 도면이다.
이러한 Li의 out-diffusion에 의해 상기 LiNbO3 기판(100) 표면의 유효굴절률이 증가하게 되어 표면을 따라 생성되는 slab waveguide 형성을 억제하게 된다.
도 3(a)와 도 4(a)는 각 Ti확산도파로에 파이버를 최적으로 정렬한 후 반대쪽 도파로로 출력되는 형상을 보여주는 사진이며, 도 3(b)와 도4(b)는 파이버를 LiNbO3기판 쪽으로 약간 이동시켰을 때 출력되는 형상을 보여주는 사진이다.
도 3(a)와 도 4(a)같이, 최적의 정렬이 되었을 때에는 파이버에서 출력되는 광이 대부분 Ti확산도파로에 전이되며, 상대적으로 기생모드에 전이되는 파워는 적기 때문에 out-diffusion된 경우와 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.
그러나 도 3(b)와 도 4(b)같이, 정렬이 불량일 경우 Li이 out-diffusion된 Ti확산도파로에서는 기생모드에 전이되는 파워가 상대적으로 커짐에 따라 출력단에서 기생모드(광출력손실)가 두드러게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, Li이 out-diffusion된 Ti확산도파로에서는 기판표면 전반에 굴절률 증가가 일어나 기생모드가 형성됨을 알 수 있다.
따라서, Ti확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 이용한 광변조기의 특성을 향상시키기 위해서는 기생모드 즉, out-diffusion은 반드시 억제 되어야한다.
마지막으로, 상기 LiNbO3 기판(100)의 표면에 확산된 Li을 제거하기 위하여 상기 LiNbO3 기판(100)의 표면을 식각하는 식각공정단계를 수행한다.
상기 LiNbO3기판(100) 상에 확산된 Li을 제거하는 식각공정에 있서 본 발명의 실시예에서는 SF6와 He 가스를 각각 사용하였다. 즉, 상기 SF6와 He 가스를 각각 사용하여 식각하는 1사이클 식각을 반복적으로 식각하면 빠른시간에 효과적으로 상기 LiNbO3기판(100) 상에 확산된 Li을 제거할 수 있다.
이때, 상기 식각공정에 있어서, 10 내지 30sccm 범위의 일정 속도로 3 내지 10초 범위의 일정 시간 동안 상기 SF6가스를 투입하여 식각한 다음, 70 내지 90sccm 범위의 일정속도로 5 내지 15초 범위의 일정 시간 동안 상기 He가스를 투입하여 식각하는 것이 바람직하다. 그리고, 식각 깊이에 따라 1000Å 식각하는 경우에는 100사이클을 수행하고, 500Å 식각하는 경우에는 약 50사이클을 수행할 수 있다.
이러한 식각공정을 수행한 후 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률은 2.4 내지 2.78 범위의 일정 굴절률을 가지게 되어 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에와 같이 SF6와 He 가스를 각각 사용하여 식각한 경우 LiF와 같은 플루오르 성분의 불순물 나타나지 않게 된다.
한편, 상기 Ti확산도파로(103)가 형성된 상기 LiNbO3기판(100) 상에 SiO2 버퍼층(110)을 형성한다.
도 1e를 참조하면, 상기 SiO2 버퍼층(110)은 overclad역할을 수행하는데, 상기 Ti확산도파로(103)의 광 전송을 위하여 약 20㎛ 정도의 두께로 증착하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조방법에 의하면 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 식각함으로써 짧은 시간에 Li를 제거할 수 있어 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, LiF와 같은 부산물을 형성하지 않는 효과가 있는 것이다.
실시예(식각공정)
LiNbO3기판 상에 확산된 Li을 제거하는 식각공정을 수행함에 있어서, SF6와 He 각각의 단일가스를 이용한 건식식각 공정을 수행하였으며, 건식 식각을 위한 장비로는 ICP etcher (Oxford사의 system plsmalab133) 장비를 이용하였다. 건식식각 공정 1사이클은 SF6-He순으로 이루어지는데, SF6 식각은 5.5Torr, 20℃, RF 150W, ICP 1500W, DC Bias 200V, 974Å/min의 공정조건에서 20sccm의 속도로 5초 동안 식각을 진행하였으며, He 식각은 5.5Torr, 20℃, RF 210W, ICP 2700W, DC Bias 270V, 974Å/min의 공정조건에서 80sccm의 속도로 10초 동안 식각을 진행하였다. 건식식각공정 50사이클을 진행하여 500Å 정도의 깊이로 식각을 진행하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 적용된 식각공정을 이용하여 식각한 LiNbO3 기판의 표면을 보여주는 사진이다.
도 5(a)는 식각가스로서 SF6만을 사용하여 식각하였을 때의 LiNbO3 기판 표면을 보여주는 사진으로서, 플루오르 부산물이 LiNbO3 기판 표면에 붙어 있음을 확인할 수 있다.
도 5(b)는 본 발명의 실시예와 같이 식각가스로서 SF6와 He을 사용하여 식각하였을 때의 LiNbO3 기판 표면을 보여주는 사진으로서, LiNbO3 기판 표면에 플루오르 부산물이 전혀 붙지 않고 깨끗하게 식각됨을 보여주고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
100: LiNbO3 기판 101: Ti층
102: 포토레지스트패턴 103: TI확산도파로
110: SiO2 버퍼층

Claims (11)

  1. Ti 확산도파로가 형성된 LiNbO3 기판을 SF6가스 및 He가스를 이용한 식각공정을 통하여 표면 굴절률을 낮추는데, 상기 식각공정은 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LiNbO3 기판은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판인 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 식각공정은 10 내지 30sccm 범위의 일정 속도로 3 내지 10초 범위의 일정 시간 동안 상기 SF6가스를 투입하여 식각한 다음, 70 내지 90sccm 범위의 일정속도로 5 내지 15초 범위의 일정 시간 동안 상기 He가스를 투입하여 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 식각공정을 1사이클로 하여 40 내지 110 범위의 일정 사이클의 식각공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 식각공정 후 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률은 2.4 내지 2.78 범위의 일정 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  6. LiNbO3 기판 상에 Ti층을 증착하는 단계;
    상기 Ti층 상에 포토레지스트(PR)패턴을 형성하고, 상기 PR 패턴을 이용하여 상기 TI층을 식각하는 단계;
    열처리공정을 수행하여 상기 LiNbO3 기판에 Ti확산도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 제거하기 위하여 상기 LiNbO3 기판의 표면을 식각하는 식각공정단계;를 포함하며,
    상기 식각공정단계는 상기 SF6가스 및 He가스를 교대로 투입하면서 상기 LiNbO3 기판의 표면에 확산된 Li을 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 LiNbO3 기판은 X축에 수직하게 잘려진 X컷 LiNbO3 기판인 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 식각공정단계는 10 내지 30sccm 범위의 일정 속도로 3 내지 10초 범위의 일정 시간 동안 상기 SF6가스를 투입하여 식각한 다음, 70 내지 90sccm 범위의 일정속도로 5 내지 15초 범위의 일정 시간 동안 상기 He가스를 투입하여 식각하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 식각공정을 1사이클로 하여 40 내지 60 범위의 일정 사이클의 식각공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 식각공정 후 상기 LiNbO3 기판의 표면 굴절률은 2.4 내지 2.78 범위의 일정 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
  11. 제 6항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각공정단계 후, 상기 LiNbO3 기판상에 SiO2 버퍼층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광변조기용 LiNbO3 기판의 제조 방법.
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