KR19990052157A - 평면형 광소자용 채널 도파로 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광소자용 채널도파로의 제조방법에 있어서, 채널도파로 식각률을 높일 수 있고, 균일한 식각률 및 높은 생산성을 얻을 수 있는 채널도파로 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 채널 도파로의 식각률과 식각 균일성을 높이기 위해, 채널도파로 형성용 물질층의 패터닝시 채널도파로의 양측 일부 영역만을 소정의 폭으로 제거하여 갭을 형성하고, 채널도파로 형성영역이외의 부분의 채널도파로 형성용 물질층을 그대로 남겨 다아크 필드를 형성한다.

이와 같이 채널도파로의 측면 일부영역만을 제거하여 채널도파로를 형성하는 것에 의해 식각되는 영역이 종래의 기술에 비하여 감소되므로 채널도파로를 식각하기 위한 공정시간을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있을뿐만아니라 소자내의 식각 균일도를 높여 광소자의 광특성을 향상시킬 수 있다.

Description

평면형 광소자용 채널 도파로 제조 방법

본 발명은 평면형 광소자에 형성되는 채널 도파로의 제조방법에 관한 것이다.

광통신에 사용되는 광도파로 및 평면형 광도파로 소자는 반도체 레이저로 부터 나오는 빛을 광섬유에 효율적으로 결합시켜 광손실을 최소화하거나 각기 다른 파장을 갖는 광신호를 다중화하여 하나의 광섬유로 전송하는데 사용되며, 광섬유를 통하여 전달되어온 여러 채널의 광신호를 각기 다른 파장으로 분리하거나, 수동 광소자와의 효율적인 결합에 사용되는 광통신 시스템에 있어 중요한 역할을 하는 소자이다.

특히, 파장 다중화에 의한 10Gbps 이상의 초고속 광통신 시스템의 개발시 시스템의 성능에 절대적인 영향을 미치는 시스템 구성을 위한 필수적인 핵심 부품이다.

종래의 기술에 의한 평면형 채널도파로 제조 방법은 도 1(A)에서와 같이 실리콘 기판(1)위에 화염가수분해법(FHD, Flame Hydrolysis Deposition)또는 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)등으로 20∼30㎛의 클래드(Clad)층(2)을 형성한 후, 그 위에 같은 방법으로 클래드층과 굴절률이 다른 6∼8㎛의 코아층(3)을 형성한다. 그 후 알루미늄 또는 크롬등 마스크물질로 적당한 금속층(4)을 증착한 후, 그 위에 감광막(Photo-Resister)(5)을 도포한다.

이어서,도 1(B)에 도시한 바와 같이, 감광막(5)을 포토리소그라피 공정으로 패터닝하여 금속층(4)상에 서로 소정간격으로 이격되어 일방향으로 진행하며, 진행방향의 중간부분에서 서로 근접하는 도파로 형상을 가지는 두 개의 감광막 패턴(5a)를 형성한다.

그 다음, 도 1(C)에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(5a)을 식각 마스크로 이용하여 반응성 이온식각(RIE, Reactive Ion Etch)법으로 금속층(4)을 식각하여 금속층 패턴(4a)을 형성하고, 도 1(D)에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(5a)을 제거하고, 도 1(E)에 도시한 바와 같이, 금속층 패턴(4a)을 식각 마스크로 이용하여 RIE 등의 플라즈마 식각법으로 클래드층(3)을 식각 하는 것에 의해, 버퍼 클래드층(2)상에 일방향으로 진행하며 중간영역에서 서로 근접하는 형상을 가지는 도파로(3a,3b)를 형성하고, 도 1(F)에 도시한 바와 같이, 금속층 패턴(4a)을 제거한 후, 도 1(G)에 도시한 바와 같이, 도파로(3a, 3b)의 전면을 덮도록 버퍼 클래드층(2)상에 화염 가수분해법등으로 상부 클래드층(6)을 형성하여 채널도파로를 제작한다.

이러한 방법으로 제작되는 평면형 광소자는 채널도파로(3a,3b)의 곡률반경(Bending Radius), 커플링(Coupling)영역, 광섬유와 연결되는 입출력부의 채널 간격(250㎛)등이 고려되어 제작되기 때문에 일반 반도체 소자와는 달리 광부품의 칩면적이 매우 커지게 되며, 칩면적에 비해 도파로 자체가 차지하는 면적은 극히 적다.

따라서, 광소자의 칩 사이즈에 해당하는 거의 모든 면적을 8㎛이상의 깊이로 식각하여야 한다. 식각공정은 반도체 공정의 발달로 일반화된 공정기술이나, 평면형 광소자용 채널 도파로 식각공정은 반도체 공정과는 달리 최소 8㎛이상의 후막이 식각되어야 하므로 식각에 소요되는 공정시간 매우 길어진다. 따라서 식각 면적이 커지면 그만큼 식각공정이 어려워 진다.

도 1과 같은 방식으로 제조되는 종래의 기술에 의한 2×2광 커플러는 도 2(A)에 도시한 2X2 광커플러(Coupler)의 예에서와 같이 지금까지 채널 도파로(3a, 3b)의 제조 방법은 채널도파로 부분만 다크 필드(Dark Field)로 하고 나머지 부분은 모두 오픈 영역으로 처리하여 제작함으로써 공정시 많은 문제점을 발생시킨다.

그리고, 도 2(A)의 A-A'선에 따른 단면도인 도 2(B)에서와 같이 도파로 이외의 코아층(3)의 모든부분을 식각공정을 통하여 오픈시켜야 되므로 식각 공정에 소요 되는 시간이 매우 길어지게 되며, 따라서 식각률이 매우 낮다.

또한, 도 2(A)의 B-B'선에 따른 단면도인 도 2(C)에서와 같이 커플링 영역(10)에서 도파로(3a, 3b)간격이 좁아질 경우 식각공정시 발생되는 식각 부산물의 제거가 용이하지 않아 같은 소자내에서 식각 깊이가 달라지는 마이크로 로딩(Micro Loding)현상이 심해진다.

도 2(C)의 커플링 영역(10)의 확대도인 도 2(D)에서와 같이, 마이크로 로딩(Micro Loding)현상에 의해 코아층(3)의 식각 깊이가 달라지는 현상을 나타낸다. 이러한 현상은 소자내의 도파로 깊이가 달라져 광손실의 원인이 된다.

또한 채널 도파로 패턴을 정의할 때 패턴을 미세하게 정의하기위해서 E-빔(E-Beam)리소그라피 등 다이렉트 라이팅(Direct Writing)방법을 사용할 경우 오픈 영역을 정의하기 위해서 많은 시간이 소요될뿐만 아니라 금속층 패턴(4a)을 형성하기 위한 식각공정에서는 로딩 효과(Loading Effect)가 심하여 패턴(4a)의 측면이 매우 거칠게 형성되어 수직한 패턴을 형성하기 어렵다.

따라서, 종래의 평면형 광소자용 채널도파로 제조방법은 도파로 이외의 부분은 모두 오픈 영역으로 처리하여 제작함으로써 도파로 식각공정시 낮은 식각률로 인하여 광부품 제작시 대량생산에 불리하며, 특히 광소자의 커플링 영역에서와 같이 도파로 간격이 좁아질 경우 식각공정시 발생되는 식각 부산물의 제거가 용이하지 않아 같은 소자내에서 식각 깊이가 달라지는 마이크로 로딩(Micro Loding)현상이 심해지고, 또한 미세패턴을 형성하기 위한 다이렉트 리소그래피(Direct Lithography)공정시 소요되는 공정시간이 길어져 공정효율이 떨어지며, 금속층(4)식각시 발생하는 로딩 효과(Loading Effect)때문에 측벽이 수직한 금속층 패턴(4a)을 형성하기 어렵다.

본 발명의 목적은 광도파로 및 평면형 광소자 제작을 위하여 필요한 도파로 형성 공정인 식각공정시 발생하는 각종 문제점을 해결하고, 양질의 도파로를 형성하여 광 부품의 손실을 개선하고 향후 광 통신에서 사용될 각종 광부품의 질적향상을 위하여 효과적인 도파로 형성방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 채널 도파로 형성방법은 기판과, 기판상에 차례로 형성되어 있는 버퍼 클래드층, 채널 도파로 및 상부 클래드층을 포함하는 광소자의 채널도파로 제조 방법에 있어서, 상기 채널 도파로의 양측을 광커플링을 방지할 수 있는 소정의 폭으로 식각하여 갭을 형성하고, 나머지 부분의 채널도파로 형성 물질층을 잔존시켜 다아크 필드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 기술에 의한 평면형 광소자용 채널 도파로 제조 방법을 나타낸 공정 단면도,

도 2는 종래의 기술에 의한 2X2 광커플러 제조 예를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 채널 도파로 제조 방법을 나타낸 공정 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 2X2 광커플러 제조 예를 나타낸 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 실리콘 기판 12 : 버퍼 클래드층

13 : 코아층 13a, 13b : 도파로

14 : 금속막 14a : 금속막 패턴

15 : 감광막 15a : 감광막 패턴

16 : 상부 클래드층 17 : 입력단

18 : 출력단 19 : 갭

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 채널 도파로의 제조 공정을 나타낸 공정 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 2×2 광커플러의 평면도 및 단면도를 나타낸다.

이하, 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 채널 도파로의 제조공정은 도 3(A)에서와 같이 실리콘 기판(11)위에 화염가수분해법(FHD, Flame Hydrolysis Deposition) 또는 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)등으로 20∼30㎛의 클래드층(12)을 형성한 후, 그 위에 같은 방법으로 클래드층과 굴절률이 다른 6∼8㎛의 코아층(13)을 형성한다.

그 후 알루미늄 또는 크롬등 마스크물질로 적당한 금속층(14)을 증착한 후, 그 위에 감광막(Photo-Resister)(15)을 도포한다.

이어서, 도 3(B)에 도시한 바와 같이, 감광막(5)을 포토리소그라피 공정으로 패터닝하여 금속층(14)상에 서로 소정간격으로 격리되어 일방향으로 진행하며, 그 양측에 도파로간의 광커플링을 방지하기 위해 소정의 폭으로 오픈된 갭이 형성되어 있는 형상을 가지는 감광막 패턴(15a)을 형성한다.

그 다음, 도 3(C)에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(15a)을 식각 마스크로 이용하여 반응성 이온식각(RIE : Reactive Ion Etching)법으로 금속층(14)을 식각하여 금속층 패턴(14a)을 형성하고, 도 3(D)에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(15a)을 제거하고, 도 3(E)에 도시한 바와 같이, 금속층 패턴(14a)을 식각 마스크로 이용하여 RIE 등의 플라즈마 식각법으로 클래드층(13)을 식각하는 것에 의해, 버퍼 클래드층(12)상의 감광막 패턴(15a)과 동일한 형상을 가지는 도파로(13a,13b)를 형성하고, 도 3(F)에 도시한 바와 같이, 금속층 패턴(14a)을 제거한 후, 도 3(G)에 도시한 바와 같이, 도파로(13a, 13b)의 전면을 덮도록 버퍼 클래드층(12)상에 화염가수분해법등으로 상부 클래드층(16)을 형성하여 채널도파로를 제작한다.

일반적으로, 평면형 단일모드 채널도파로의 채널간 간격이 약 10㎛이내가 되면 인접 도파로와 광간섭을 일으켜 커플링이 일어난다.

이 커플링 효과를 이용하여 광신호를 결합 또는 분기하는 광소자를 제작한다. 따라서 인접 도파로와의 광간섭이 일어나지 않는 범위인 채널간 간격이 약 15㎛이상 되는 모든 부분은 코아층의 굴절률이 다른 클래드층으로 즉, 다아크 필드(Dark Field)로 정의한다.

도 4는 도 3의 제조 공정에 의해 제조된 평면형 2X2커플러를 나타낸 것으로서, 도 4(A)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 2×2 광커플러는 버퍼 클래드층(12)상에 서로 소정간격으로 격리되어 일방향으로 진행하는 두 개의 도파로(13a, 13b)가 형성되고, 이 도파로의 양측에 채널간의 커플링을 방지하기 위한 오픈 영역인 갭(19)이 형성되어 있으며, 채널 도파로(13a, 13b)의 진행방향의 중간부분이 서로 근접하여 광커플링 영역(10)을 형성하는 구조를 가지고 있다.

따라서, 버퍼 클래드층(12)상에서 채널도파로(13a, 13b)의 양측을 오픈하여 형성한 갭(19)을 제외한, 전영역이 코아층(13)으로 도포되어 다아크 필드를 형성한 구조를 갖는다. 직경이 250㎛인 단일모드 광섬유와의 연결부인 입출력부의 채널도파로 간격은 250㎛이다. 따라서 도 4(A)의 A-A'선의 단면도인 도 4(B)에서와 같이, 도파로(13a, 13b)와 코아층(13)사이의 15㎛의 간격의 갭(19)만 오픈 영역으로 처리하고 나머지부분을 다아크 필드(Close Area)(20)로 처리하여 식각 공정시 제거되는 영역을 대폭 축소시킴으로써, 종래의 도파로 제작방법에 비해 높은 식각률을 얻을 수 있다.

또한, 도 3(A)의 B-B'선에 따른 단면도인 도 4(C)와 같이 도파로 커플링 영역(10)에서는 도파로(13a, 13b)의 양측면을 다아크 필드(20)로 처리하여 갭(19)의 차이로 인하여 발생하는 마이크로 로딩(Micro Loading)현상을 줄여 줌으로써 식각 깊이를 균일하게 제어 할 수 있다.

도 4(D)는 본 발명에서 제안한 구조로 제작한 커플링 영역(10)의 도파로 구조를 나타낸다. 도파로 갭(19)의 차이로 인하여 발생하는 마이크로 로딩(Micro Loading)현상을 제거 할 수 있어 균일한 식각률을 얻을 수 있다.

또한, 정밀한 도파로 패턴을 형성하기 위한 E-빔 등 다이렉트 라이팅(Direct Writing)리소그라피 방법을 쓸 경우 노광되어야 할 부분인 갭(19)부분이 종래의 방법에 비해 훨씬 줄어들어 높은 생산성을 얻을 수 있다.

그리고, 도파로 패턴형성 후 마스크층을 형성하기 위한 금속막 식각공정시에도 종래의 방법에서는 로딩 효과(loading Effect)가 심하여 수직한 금속층 패턴을 형성하기 어려웠다. 그러나, 본 발명에서는 금속층 패턴을 형성하기 위한 식각 공정시에 금속층(14)상에 존재하는 감광막(Photo-Resister)이 많이 있기 때문에 이 감광막이 식각되는 금속막의 측면에 보호막 작용을 하여 수직하고 깨끗한 금속층 패턴을 형성할 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명에서 제안한 채널도파로 형성방법은 추가적으로 별도의 장비나 시설없이 도파로 패턴 형성을 달리함으로써 높은 식각률을 얻어 광도파로를 형성하는데 드는 비용을 크게 절감 시킬 수 있고, 이에 따라 도파로 및 도파로형 광소자 제조 비용을 절감할 수 있다.

둘째, 본 발명에서 제안한 채널도파로 형성법은 광소자내의 도파로 간격이 다르므로 인하여 발생하는 식각 깊이의 불균일성을 줄일 수 있어 양질의 광소자를 제작 할 수 있다.

셋째, 본 발명에서 제안한 채널도파로 형성법은 정밀패턴을 형성하기 위한 다이렉트 라이팅(Direct Writing)리소그라피 방법을 사용할 때 노광 시간을 줄일 수 있어 경제적이다.

넷째, 본 발명에서 제안한 채널도파로 형성법은 금속 마스크층 식각시 광소자내에 존재하는 감광막을 이용하여 식각측면의 보호막을 자연스럽게 형성할 수 있어 보호막 형성용 식각 가스의 추가적인 공급 없이도 양질의 도파로를 형성할 수 있다.

Claims (1)

1. 기판과, 기판상에 차례로 형성되어 있는 버퍼 클래드층, 채널 도파로 및 상부 클래드층을 포함하는 광소자의 채널도파로 제조 방법에 있어서,

   상기 채널 도파로의 양측을 광커플링을 방지할 수 있는 소정의 폭으로 식각하여 갭을 형성하고, 나머지 부분의 채널도파로 형성물질층을 잔존시켜 다아크 필드를 형성하는 것을 특징으로 하는 광소자의 채널 도파로 제조 방법.