KR19990024195A - 평면형 실리카 광도파로의 상부 클래드 화염 가수분해 증착 공정에서 생성되는 결함을 제거하기 위한 고밀화 열처리 장치 개발 - Google Patents

Abstract

실리콘을 기판으로 하는 평면형 실리카 광도파 박막이나 핑면형 광도파로 소자는 실리콘 기판 또는 실리카 도파로의 각 계면 공정후 잔류 물질 및 불균일한 잉여 dopant로 인하여 상부 클래드 층 증착 및 고밀화 열처리 공정에서 계면 접합불량, 결정상 및 기공 등 결함 들, 특히 많은 수의 기공이 발생한다. 이때 발생된 기공으로 인하여 완성된 소자의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 기공이 심할 경우에는 제품 자체를 폐기하여야 하는 등 경제적으로도 큰 손실을 가져온다.

이와 같은 상부 클래드 층 제작 공정에서 기공을 제거 또는 억제시키가 위한 방안으로서 지금까지는 상부 클래드 층 제작 공정에서 실리카 미립자의 밀도를 증가시킨다든지 아니면 승온 속도를 감소시킨다든지 또는 진공 열처리 방법을 이용하여 문제점을 어느 정도는 해결하였으나 아직까지 이에 대한 명확한 해결 방안은 제시되지 않고 있는 실정이다.

본 발명에서는 화염 가수분해 증착 방법으로 상부 클래드 층 제작 공정에서 계면 접합불량, 결정상 및 기공 등 결함들 특히 기공을 제거하기 위하여 기공이 생성되는 기구를 이해함으로서 이들 공정 결함들을 제거할 수 있는 경제적이면서도 연속적인 고밀화 열처리 장치를 개발하였다.

본 발명에서 개발한 방법은 화염 가수분해 증착 방법으로 실리카 미립자가 증착된 시료를 500℃ 정도에서 유지된 열처리 장치 내부에서 시료 뒷면을 급속 가열함으로서 덧씌워진 실리카 미립자가 녹기 전에 식각된 광도파로 계면에 존재하는 공정후 잔류 물질이나 비평형 조성의 dopant가 먼저 가열되기 시작하여 기화하기 때문에 이들 기화된 기체들이 실리카 미립자가 고밀화 되기 이전에 시료의 상층 표면으로 쉽게 빠져나가게 되어 상부 클래드 층에서의 계면 접합불량, 결정상 및 기공 등의 결함을 제거할 수 있다.

본 발명에서 개발한 장치는 화염 가수분해 증착 공정에서 실리카 미립자의 밀도를 증가시키는 기존의 방법과 달리 기공, 결정상 및 계면 접합 불량 등의 결함이 생성되는 기구를 파악하여 이들의 생성원을 제거시킴으로서 제작된 소자의 수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 기존에 사용되고 있는 고밀화 열처리 장치에 급속 가열 장치만을 부가하여 추가함으로서 장치 제작비를 감소시킬 수 있다.

또한 시료의 이동없이 급속 가열과 고밀화 열처리를 동시에 수행할 수 있으므로 시료가 대기 중에 노출되지 않기 때문에 공정 중 외부로 부터의 오염을 최대한 억제할 수 있어 고품위 소자를 제작할 수 있다는 장점도 가지고 있다.

Description

평면형 실리카 광도파로의 상부 클래드 화염 가수분해 증착 공정에서 생성되는 결함을 제거하기 위한 고밀화 열처리 장치 개발

본 발명의 목적은 실리콘을 기판으로 하는 붕소(B), 인(P) 및 게르마늄(Ge) 등이 첨가된 실리카 광도파 박막과 평면형 실리카 광도파로 소자, 특히 광도파로가 밀집된 AWG (Arrayed Waveguide Grating) 소자 등을 화염 가수분해 증착 방법을 이용하여 제작할 때 식각된 실리카 광도파로 코어 (core) 위에 상부클래드 (over-clad) 실리카 박막 제작 공정에서 발생되는 결함[기공(pore), 계면 접합불량(adhesion defect), 결정상(crystalline phase) 등]을 제거함으로서 고품위 실리카 광도파로 소자를 제작하기 위한 고밀화 열처리 장치를 개발하는 것이다.

본 발명은 광통신 망, 광 신호처리, 또는 광센서 등에 사용되는 평면형 실리카 광도파로 소자를 화염 가수분해 증착 방법으로 제작할 때 식각된 실리카 광도파로 코어 위에 상부 클래드 실리카 막을 입히는 공정에서 발생하는 기공, 계면 접합불량 또는 결정상 등의 결함을 제거하기 위한 실리카 광도파로 소자 제작용 고밀화 열처리 장치의 개발에 관한 것이다.

도 1은 본 발명이 적용되는 예시로서 화염 가수분해 증착법에 의한 실리콘을 기판으로 하는 평면형 실리카 광도파로의 제작 공정을 나타낸 것이다. 도 1(A)는 실리콘 기판 위에 실리카 광도파로의 하부 클래드 층(under-clad layer)과 코어 층(core layer)을 만들기 위하여 화염 가수분해 증착법으로 실리카 미립자(soot)를 증착하는 공정, 그리고 도 1(B)는 이를 투명한 실리카 하부 클래드 및 코어 유리막으로 변환시키는 고밀화 열처리 공정을 나타낸다. 위 과정에서 증착된 실리카 미립자의 고밀화 열처리 공정은 하부 클래드 층 증착 후 및 코어 층 증착 후 각각 두 번에 걸쳐서 할 수도 있다. 코어층 실리카 미립자 증착에서는 게르마늄이나 인을 부가적으로 첨가하며 이는 코어 실리카 막의 굴절률이 하부 클래드나 상부 클래드 실리카 막의 굴절률보다 크게하여 광이 코어층을 따라서 도파될 수 있게 해준다. 하부 클래드 및 코어 층의 제작에 이어서 코어층 위에 Cr막과 같은 마스크 (etch mask) 층을 증착하고 감광막(photo-resist)을 도포한 다음, 광도파로의 2차원 평면 형상을 노광마스크(photo-mask)를 이용하여 감광막과 건식마스크 층에 사진현상법(photo-lithography)과 습식식각(wet-etch) 방법으로 이를 전사(transfer)한다. 다음에는 도 1(C)와 같이 건식식각(dry-etch) 방법을 이용하여 코어 실리카층을 사각형 모양의 채널 광도파로로 식각한 후 도 1(D)에서와 같이 하부 클래드 층의 제작 공정과 유사하게 상부 클래드 실리카 미립자층을 증착하고 이어 도 1(E)와 같이 고밀화 열처리를 하여 실리카 광도파로를 완성한다.

도 1의 각 실리카 미립자층 증착시에는 증착면에 수직방향으로 또는 증착면의 미세 표면 형상에 따라 소자의 각 부위별로 실리카 미립자의 조성이 쉽게 불균일해지기도 하며 실리카 미립자층 내부나 층간에 또는 실리카 미립자층 하부의 실리카 유리막이나 기판간 계면에 공정 잔여물이나 응력 등이 쉽게 존재하게 된다. 이와 같은 공정상의 요인들로 인하여 실리카 광도파로 제작공정 특히 상부 클래드 층 공정 시에 계면의 접합이 불량해지며 광도파로에 인접하여 결정상이나 기공 형성 등의 직접적인 원인이 된다. 보통 상부 클래드층은 15 내지 20 미크론 이상의 두꺼운 막으로서 고밀화 공정 시에 실리카 미립자가 상부에서 부터 녹게되면 기공이나 결정상 등의 결함들이 쉽게 생성되며 이는 광도파로 소자의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 심한 경우에는 제작된 소자를 폐기시켜야 하는 등의 생산수율 손실을 가져온다.

도 2는 광통신의 광파장 다중화에 사용되는 평면형 AWG 실리카 광도파로의 개략도이고 도 3은 건식 식각이 완료된 광도파로 코어에 화염 가수분해 증착 방법에 의해 상부 클래드를 입힌 시료의 광학현미경 사진이다. 도 2에서 광도파로 높이와 폭은 각각 6㎛이고 광도파로 사이의 간격은 가장 근접한 영역이 약 25㎛이고 가장 멀리 떨어져 있는 영역이 200㎛ 정도이다. 도 3의 사진에서 알 수 있는바와 같이 광도파로 사이의 간격이 25㎛ 정도로 가까운 영역에서는 광도파로 인근에 불균일한 상부 클래드 층이 형성되어 기공 발생, 광도파로 모양 변형, 상부 클래드와 클래드 하부 표면간에 간극생성 등의 여러 가지 문제점들이 나타나고 있다. 이같은 결함의 요인들로는 첫째로 플라즈마 건식 방법으로 식각된 광도파로 계면의 잔류 물질 (polymer 등), 둘째로 흡착된 -OH 등에 의해 생성되는 수화물에 의한 결정상 생성, 셋째로 상부 클래드 실리카 미립자의 증착시에 도파로 코어주변 및 바닥에 B, P가 과량 함유된 불균일한 조성의 영역 생성 (이는 기판온도와 식각 코어의 표면형상에 따른 실리카 미립자의 증착 방향이나 미립자 증착 시 계면 유체의 역학적 특성 등에 크게 의존함)과 이들이 고밀화 공정 시 휘발하거나 녹는 온도의 차이 및 조성에 따른 응력 차에 의하여 생기는 결함 등이 있다.

상기와 같은 결함들이 있는 상태의 코어 위에 기존에 사용되고 있는 화염 가수분해 증착 방법을 이용하여 상부 클래드 층을 입히그 고밀화 열처리를 할 때 일반적으로 1200℃ 이상의 고온에서 녹여서 유리화를 시키기 때문에 증착된 실리카 미립자 층의 상층 표면으로 부터 밀도가 증가하게 되고 증착 계면의 잔류 물질과 잉여 dopant들이 기화되어 상부 클래드 실리카 미립자층 밖으로 빠져나가지 못하고 광도파로 주위에 잔류하여 기공 생성의 원인이 된다.

지금까지 결정상, 계면 접합불량 및 기공 등과 같은 결함들을 감소시키기 위한 방법으로는 상부 클래드 제작 공정에서 실리카 미립자의 증착밀도 즉 증착 시 미립자간의 밀도 (density)를 증가시켜 고밀화 열처리를 하는 방법 또는 고밀화공정 시 소자의 승온 속도를 감소시키는 방법 등을 이용하였으며 어느 정도 성공하였으나 여전히 개선해야 할 문제점들이 많이 남아있다. 상부 클래드 제작 공정에서 실리카 미립자의 밀도를 증가시켜 고밀화 열처리를 하는 전자의 방법은 광도파로 계면에 존재하는 잔류 물질 및 비평형 조성의 잉여 dopant들이 고밀화 열처리 과정에서 기화하여 발생된 기체들이 증착된 미립자 층의 표면으로 모두 빠져나가지 못하고 상부 클래드 층에 기공으로서 잔류한다든지, 승온 속도를 감소시킨 후자의 경우 유리 박막 내에 결정 성장이 촉진되어 또 다른 형태의 결함을 광도파로 인근에 형성시키므로 기존에 사용한 방법들은 기공 생성을 제거 또는 억제시키는데 있어 아주 효과적인 방법이라고 할 수는 없다.

상기에서 언급한 바와 같이 광통신 망, 광 신호처리, 또는 광센서 등에 사응되는 평면형 실리카 광도파로 소자를 화염 가수분해 증착 방법으로 제작할 경우 코어 층 식각 후 상부 클래드 제작 공정에서 계면의 잔류 물질 및 불균일한 조성의 층은 계면 접합을 불량하게 할 뿐만 아니라 광도파로에 인접하여 결정체 및 기공 생성의 직접적인 원인이다. 이들 결함 (계면 접합불량, 결정상 및 기공)들은 완성된 소자의 품질을 저하시킬 뿐 아니라, 생산수율 면에서도 손실을 가져온다. 따라서 본 발명에서는 화염 가수분해 증착 방법을 이용한 실리카 광도파로의 상부 클래드의 제작 공정에서 계면 접합불량, 결정상 및 기공 등의 결함들, 특히 기공을 제거하기 위하여 기공이 생성되는 기구 (mechanism)를 이해함으로서 간단한 원리를 이용하여 이들 결함을 제거할 수 있는 경제적이면서도 연속적인 고밀화 열처리 장치를 개발하였다. 이들 결함을 제거하기 위한 방안으로서 기존에 고밀화 열처리 공정에 사용되고 있는 장치에 급속 가열 할 수 있는 장치를 부가적으로 설치하여 시료의 뒷면을 선택적으로 급속 가열하여 결함의 원인이 되는 물질을 제거 또는 조절함과 동시에 제품의 이동없이 연속적으로 고밀화 열처리(consolidation)을 함으로서 외부로부터 오염을 최소화 할 수 있는 고품위를 갖는 광소자를 제작할 수 있는 고밀화 열처리 장치를 개발하는 것이다.

도 1은 평면형 실리카 광도파로 제작 공정의 흐름도.

도 2는 평면형 파장 다중화 실리카 광도파로의 구조 예시.

도 3은 기판 뒷면 가열을 하지 않은 기존의 고밀화 열처리법으로 제작된 파장다중화 실리카 광도파로 소자의 사진.

도 4는 본 발명에서 개발한 기판 뒷면 가열을 할 수 있는 실리카 광도파로 소자제작용 고밀화 열처리 장치의 개략도.

도 5는 본 발명에서 개발한 고밀화 열처리 장치를 이용하여 제작한 실리카 광도파로 소자의 사진

도 4는 화염가수분해 증착 방법에 의하여 실리카계 미립자를 증착한 다음 이를 고온에서 가열하여 녹여서 도파로의 각 층들을 만들 때 기판의 뒷면에서부터 급속 가열하고 이어서 기판의 이동없이 열처리를 수행할 수 있도록 본 발명에서 고안한 고밀화 열처리 장치의 개략도이다. 특히 이 방법은 상부 클래드를 제작할 때에 생기는 결함을 크게 줄일 수 있다. 장치의 구성은 기존에 주로 사용되고 있는 진공 및 분위기 열처리 장치에 A와 같이 세라믹 히터를 부가적으로 설치하여 급속 가열이 가능하도록 제작하였다. 화염 가수분해 증착 방법으로 상부 클래드 실리카계 미립자를 증착한 시료를 500℃ 정도로 유지된 열처리용 분위기 전기로의 세라믹 히터 판 위에 올려놓고 모터로 구동하여 시료를 열처리 장치에 장입시키고 시료의 뒷면을 결정 성장이 진행되는 온도와 고밀화의 최종 온도 사이영역까지 세라믹 히터 판을 이용하여 급속 가열한다. 이때 급속 가열 목포 온도로서 결정 성장이 진행되는 온도와 고밀화 온도 사이를 선택한 이유는 결정 핵이 생성되는 온도 영역을 빨리 지나침으로써 결정상의 생성 가능성을 최대한 억제시키기 위해서이다. 500℃ 정도에서 유지된 분위기 전기로 내부에서 시료는 세라믹 히터에 의하여 뒷면부터 가열되기 시작함으로서 덧씌워진 실리카 미립자보다 먼저 계면의 잔류 물질이나 잉여 dopant 영역의 광도파로 주변부터 먼저 가열되기 시작하게 된다. 따라서 광도파로 주위에 존재하는 잔류 물질 및 도파로 코어 주변의 요철에 의한 실리카 미립자 증착 시의 난류에 의하여 형성된 비평형 조성의 dopant들 (주로 B나 P의 화합물)이 먼저 기화하기 시작하게 되그 이들 기화된 기체들이 실리카 미립자가 고밀화되기 이전에 시료의 상부 표면으로 쉽게 빠져나가게 되어 상부 클래드 층에서의 계면 접합불량, 결정상 및 기공 등의 결함을 줄일 수 있다. 또한 본 발명에서 개발한 고밀화 열처리 장치를 이용함으로써 시료의 이동없이 급속 가열과 고밀화 열처리를 동시에 수행할 수 있으므로 시료가 대기중에 노출되지 않기 때문에 공정 중 외부로 부터의 오염을 최대한 억제할 수 있어 고품위 소자를 제작할 수 있다는 장점도 있다.

도 5는 본 발명에서 개발한 고밀화 열처리 장치를 이용하여 상부 클래드 층을 덧씌운 시료의 광학현미경 사진으로 광도파로 주위에 기공 및 결정상 등의 결함이 없는 우수한 상부 클래드 층이 제작되었음을 알 수 있다.

화염가수분해 증착법으로 실리콘을 기판으로 하는 광도파 박막, 광도파로 및 광도파로 소자를 제작하는 공정에서 상부 클래드 실리카 미립자 층의 증착 후 행하여 지는 고밀화 열처리 공정 시에 본 발명의 간단한 장치를 이용하여 공정을 수행함으로서 결정상, 기공 및 계면 접합불량 등의 결함들을 제거할 수 있으며, 기존의 고밀화 열처리 방법으로 만들어진 실리카 광도파 박막 및 광도파로 소자에 비해 소자 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 생산 수율을 증가시킴으로서 경제성 있는 실리카 광도파로 소자를 제작하는 것이 가능하다.

Claims (2)

1. 화염 가수분해 증착 방법을 이용한 실리콘 기판 위에 평면형 실리카 광도파박막 제작
2. 화염 가수분해 증착 방법을 이응한 실리콘 기판 상에 평면형 실리카 광도파로 소자 제작