KR20000051029A - 광도파로 제작용 기판 및 그 제작방법 - Google Patents

광도파로 제작용 기판 및 그 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불순물 조성변화를 이용한 도파로의 변형 및 잔류응력 감소를 통하여 복굴절을 제거한 광도파로 제작용 기판 및 그 제작방밥에 관한 것으로, 이러한 광도파로 제작용 기판은 기판, 기판위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 형성된 하부클래드층 및 하부클래드층위에 광도파로 패턴이 형성된 코아층을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판과 인접한 하부클래드층은 불순물 유량을 증가시켜 증착함으로써 불순물 함유량을 증가시켜 실리콘 기판과의 열팽창계수차이 및 소결후 기판 냉각시 하부클래드층의 유리화온도와 주변온도와의 차를 줄여 실리콘 기판의 변형을 막고 더불어 잔류응력을 최소화시켜 유도 복굴절을 제거할 수 있다. 또한 하부클래드층 증착시 불순물 유량 조절을 통한 하부클래드층의 조성변화를 이용하므로 버퍼층을 추가하는 방법과는 달리 버퍼층 증착 및 소결공정이 필요하지 않는 장점이 있다.

Description

광도파로 제작용 기판 및 그 제작방법 {Optical waveguide wafer and method of forming the same}
본 발명은 광도파로에 관한 것으로, 특히 불순물 조성변화를 이용한 도파로의 변형 및 잔류응력 감소를 통하여 복굴절을 제거한 광도파로 및 그 제작방밥에 관한 것이다.
광도파로(optical waveguide)는 광파를 일정 단면내에 가두고 길이 방향으로 손실이 적게 전파시키는 전송로로, 보통은 굴절율이 주위보다 높은 코아(core)와 굴절율이 코아보다 낮은 클래드(cladding)가 있다.
기판위에 하부클래드층, 코아층, 상부클래드층을 형성시키는 방법은 화염가수분해증착(Flame Hydrolysis Deposition:FHD)방법이 가장 보편적으로 사용되고 있다.
화염가수분해증착방법은 기판위에 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3등의 화학물질이 산수소화염내에서 산화 및 가수분해 반응을 통하여 형성된 수트(soot)를 증착한 후 소결로를 이용, 고온에서 소결하여 투명한 실리카막을 얻는 것이다.
도 1은 종래의 광도파로 제작용 기판에서 실리콘기판과 하부클래드층사이의 열팽창계수의 차이와 하부클래드층의 유리화 온도에 따라 기판이 변형된 상태를 도시한 것이다.
실리콘 기판(110)의 열팽창 계수가 그 위에 형성된 하부클래드층(120)의 열팽창계수보다 크기 때문에 고온에서 하부클래드층(120)이 소결된 후 식는 과정에서 열팽창차이에 의해 기판(110)과 하부클래드층(120)은 도 1과 같이 변형된다. 이러한 기판(110)위에 코아층(130)을 형성시키면 기판(110)의 변형에 의한 코아층(130)의 변형 및 코아층(130)내에 잔류응력이 남게 된다. 이러한 변형은 도파로 패턴의 포토리소그라피 공정시 패턴 균일도를 저해하는 원인이 된다. 또한 코아층(130)내 잔류응력에 의한 유도복굴절은 도파되는 광신호의 TE와 TM편광모드간의 도파경로차를 가져와 출력 광신호를 왜곡시키는 원인이 된다.
이러한 유도 복굴절을 줄이기 위해 Asymmertric Stress-Releasing Groove나 클래드 박막위에 Stress Applying Member를 증착하는 방법이 사용되고 있고 또한 기판과 하부클래드층사이에 버퍼층을 만드는 방법이 제안되었다.
첫 번째 방법은 에칭공정을 두 번째방법은 클래드 박막위 또는 중간에 실리콘이나 Si3N4등 응력부가 박막층에 부가되어야 한다. 버퍼층을 추가하는 경우 버퍼층 증착 및 소결공정이 추가되어야 하므로 공정시간이 길어져 결과적으로 소자의 생산단가를 높이는 결과를 가져오게 된다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 기판위에 하부클래드층 형성시 불순물을 함유토록 하여 실리콘 기판의 열팽창 계수와 하부클래드층의 열팽창 계수의 차이를 줄이고 하부클래드층의 유리화 온도를 낮춰 기판의 변형을 방지하여 잔류응력을 감소시키는 광도파로 제작용 기판 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 광도파로 제작용 기판에서 실리콘기판과 하부클래드층사이의 열팽창계수의 차이와 하부클래드층의 유리화 온도에 따라 기판이 변형된 상태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 광도파로 제작용 기판을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 사용된 불순물의 함유량과 증착시간과의 관계를 도시한 그래프이다.
상기 기술적과제를 해결하고자하는 본 발명에 의한 광도파로 제작용 기판은 기판; 상기 기판위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 형성된 하부클래드층; 및 상기 하부클래드층위에 형성된 코아층을 포함함을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적과제를 해결하고자하는 본 발명에 의한 광도파로 제작용 기판 제작방법은 (a)기판위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 하부클래드층을 형성하는 단계; 및 (b)상기 하부클래드층위에 코아층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 광도파로 제작용 기판의 단면을 도시한 것으로, 기판(210), 하부클래드층(220) 및 코아층(230)으로 이루어진다.
기판(210)위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 하부클래드층(220)을 증착한다. 이때 하층부는 불순물 함량을 증가시켜 증착하고, 상층부는 코아와 일정한 굴절율차를 갖도록 불순물 함량을 감소하여 증착한다. 또한, 하부클래드층(220)은 증착시간을 복수개의 단계로 분리하여 각 단계별로 불순물의 함량을 일정하게 함유하는 버퍼층을 포함한다. 이러한 하부 클래딩층(220)위에 코아층(230)을 형성한다.
일반적으로 복굴절은 수학식 1에서와 같이 열팽창계수차와 유리화 온도와 주변온도차에 비례하는 것으로 알려져 있다.
(B:복굴절, C:상수, Δα:기판과 하부클래드층사이의 열팽창계수 차, ΔT: 하부클래드층의 유리화온도와 주변온도와의 차.)
하부클래드층(220)증착 초기에 불순물량을 늘리면 실리콘기판(210)의 열팽창계수와의 차이가 감소하고 하부클래드층(220) 유리화온도가 낮아지므로 하부클래드층(220)의 유리화온도와 주변온도와의 차(ΔT)의 감소를 가져와 실리카 기판의 변형 및 잔류응력을 최소화 할 수 있다. 코아와 인접한 하부클래드층은 코아와의 특정값의 굴절율차가 필요하므로 이러한 굴절율차를 얻기 위하여 하부클래드층(220) 증착 후반기에는 불순물의 유량을 점차줄이므로써 불순물의 함량을 줄여 코아층(230)과 인접하는 부분이 원하는 굴절율을 갖도록한다. 이러한 방법은 버퍼층을 추가하는 벙법에 비해 하부클래드층(220) 만으로 버퍼층의 역할을 수행할수 있으므로 버퍼층증착 및 소결공정이 필요하지않아 소자의 생산단가의 상승을 방지하는 장점이 있다.
하부클래드층(220)은 원하는 두께의 굴절율을 갖도록 하기 위해 불순물 유량을 조절하면서 산수소 토치를 이용해 형성된 수트(Soot)를 여러번 걸쳐 기판(210)위에 증착시킨 후 소결로내에서 고온으로 소결시키는 공정을 통하여 제조된다.
불순물의 함유량이 증가할수록 열팽창계수를 증가시키면 기판(210)의 열패창계수와의 차이를 줄일 수 있어 열팽창계수차이에 의한 기판(210)의 변형을 최소화 시켜 복굴절의 감소를 가져올 수 있게 된다. 또한 불순물 함유량이 증가하여 유리화 온도가 낮아지면 하부클래드층(220)의 유리화온도와 주변온도와의 차(ΔT)의 감소에 의해 복굴절을 최소화 할 수 있다.
이를 위해 하부클래드층(220) 증착 초기에는 많은 양의 불순물이 함유되도록 BCl3나 POCl3또는 이들 모두의 유량을 증가시켜 증착시킴으로써 하부클래드층(220)내에 불순물량을 증가시킨다. 코아층(230)과 인접한 부분은 코아층(230)과의 굴절율차가 원하는 값이 되도록 하여야 하므로 증착을 진행시키면서 불순물의 유량을 조절하여 원하는 굴절율차를 갖도록한다.
즉, 하부클래드층(220) 하부는 기판(210)의 열팽창 계수와의 차이와 하부클래드층(220)의 유리화온도와 주변온도와의 차(ΔT)를 줄이기 위해 불순물 유량을 늘이고 점차 불순물 유량을 줄여 코아층(230)과 인접한 하부클래드층(220)은 원하는 굴절율차를 갖도록 하부클래드층(220) 내부에 조성변화가 형성되도록 하는 것이다.
도 3은 하부클래드층(220) 증착시 불순물의 유량변화를 도시한 것이다. 도 3의 31은 불순물의 유량을 연속적으로 변화시키는 경우이며, 도 3의 32는 2단계로 유량을 변화시켜 일종의 버퍼층과 하부클래드층(220)의 2층구조를 갖는 경우를 보이고 있으며, 도 3의 33은 3단계로 유량을 변화시키는 경우, 도 3의 34는 4단계로 유량을 변화시켜 여러개의 버퍼층과 하부클래드층(220)의 다층구조를 갖는 경우 불순물 유량변화를 나타낸 것이다.
이러한 방법에 의해 제조된 하부클래드층(220)은 기판(210)과 인접하는 부분 즉 증착초기에 형성된 부분은 큰 열팽창 계수값과 낮은 유리화 온도를 갖고, 코아층(230)과 인접한 부분은 즉 하부클래드층(220)은 불순물의 함량이 줄어 작은 열팽창계수값과 높은 유리화 온도를 갖게 된다. 하부클래드층(220)의 굴절율분포는 인(Phosphorous)을 이용하여 불순물 함유량을 조절한 경우 하부에서 상부로 굴절율이 감소하는 분포를 갖으며 붕소(Boron)를 사용한 경우는 굴절율이 증가하는 분포를 갖게된다. 그러나 상부에서는 공히 코아층(230)과의 굴절율차가 원하는 값을 갖도록 조절한다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판과 인접한 하부클래드층은 불순물 유량을 증가시켜 증착함으로써 불순물 함유량을 증가시켜 실리콘 기판과의 열팽창계수차이 및 ΔT를 줄여 실리콘 기판의 변형을 막고 더불어 잔류응력을 최소화시켜 유도 복굴절을 제거할 수 있다.
또한 하부클래드층 증착시 불순물 유량 조절을 통한 하부클래드층의 조성변화를 이용하므로 버퍼층을 추가하는 방법과는 달리 버퍼층 증착 및 소결공정이 필요하지 않는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 형성된 하부클래드층; 및
    상기 하부클래드층위에 형성된 코아층을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부클래드층은
    증착시간을 복수개의 단계로 분리하여 각 단계별로 불순물의 함량을 일정하게 함유하는 버퍼층을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 버퍼층은
    인과 붕소가 혼합된 불순물을 첨가시켜 형성됨을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인은
    상기 하부클래드층의 하부에서 상부로 굴절율이 감소하는 분포를 갖기 위하여 사용됨을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판.
  5. 제3항에 있어서, 상기 붕소는
    상기 하부클래드층의 하부에서 상부로 굴절율이 증가하는 분포를 갖기 위하여 사용됨을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판.
  6. (a)기판위에 불순물의 함량을 지속적으로 변화시켜 상부와 하부의 굴절율차가 다르게 하부클래드층을 형성하는 단계; 및
    (b)상기 하부클래드층위에 코아층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판 제작방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 하부클래드층 증착시 증착초기에는 불순물 함량을 많이 첨가시키고, 증착후기에는 불순물 함량을 적게 첨가시켜 상기 하부클래드층을 형성함을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판 제작방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 하부클래드층 증착시 증착시간을 소정의 단계로 나누어 불순물 유량을 조절하여 첨가시켜 상기 하부클래드층 내부에 복수개의 버퍼층을 형성함을 특징으로 하는 광도파로 제작용 기판 제작방법.
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