KR20010022120A - 광소자 제조방법 및 그 광소자 - Google Patents

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알렝 베겡
필립 르에드
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알프레드 엘. 미첼슨
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Abstract

하나 또는 그 이상의 도파관(25') 단부에 정렬된 하나 또는 그 이상의 광성분(35')을 포함하는 광소자는 먼저 도프 실리카 코어층(20)이 기판상에 적층되고, 상기 코어층에 통상 1-5㎛ 두께의 부분 피복층(30A)이 적층되는 공정으로 제조된다. 상기 부분 피복층과 코어층은 상기 광성분 및 도파관 코어를 동시에 형성하도록 패터닝 및 에칭된다. 그후, 상기 피복은 다른 피복층(30B)가 적층됨으로써 완성된다. 본 제조방법을 격자 바탕(grating-based) NBWDM 장치에 적용할 경우, 격자의 금속화는 제 2 피복부의 적층보다 먼저 또는 그 이후에 이루어질 수 있다. 모든 경우에 있어서, 상기 제 2 피복부의 적층에는 저온 적층공정이 요구된다.

Description

광소자 제조방법 및 그 광소자{METHOD OF FABRICATING AN OPTICAL COMPONENT AND OPTICAL COMPONENT MADE THEREBY}
집적광학분야에서, 하나 또는 그 이상의 광요소가 하나 또는 그 이상의 도파관 단부와 정렬된 소자를 제조하는 것이 필요하다. 예를 들어, 파장 분할 멀티플렉서를 제조하는 경우이다. 통상적으로, 제조공정의 제 1 단계에서, 도파관을 형성하는 연속층이 기판상에 적층되고, 그 내부에 패턴이 그려진다. 그후, 도파관 구조(코어층, 피복층, 및 기판과 코어층 사이의 완충층)가 완성되고, 완성된 도파관 구조를 패터닝 및 에칭하여 도파관의 단부와 바람직하게 정렬된 광요소가 형성된다. 상기 제조공정의 제 2 단계는 예를 들어 20-30㎛ 두께의 후박층구조에서의 사진석판 및 에칭공정 실시와 관련되며, 이는 많은 문제점을 야기한다.
종래의 제조공정 고유의 문제점은 도 1을 참조하여 회절격자바탕 협대역 파장분할 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서(NBWDM)의 제조공정을 논함으로써 더욱 상세하게 설명될 것이다. 통상적으로, 회절격자바탕 협대역 파장분할 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서(NBWDM)는 보통 32개 또는 그 이상의 다수의 채널에 통하는 입출력 도파관의 단부와 정렬된 회절격자를 포함한다.
종래의 공정에 따르면, 보통 1㎜ 두께이면서 광학적으로 평탄한 표면을 가진 실리콘 또는 실리카 재질의 웨이퍼가 광소자 제조용 기판(10)으로 사용된다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 화염 가수분해 적층공정 또는 화학 적층공정 또는 플라즈마 적층공정으로 상기 기판(10)상에 실리카 층(20)이 적층된다. 굴절률을 높이기 위하여 상기 실리카를 도프시키는데 게르마늄, 티타늄 또는 그 동등물이 사용된다. (실리콘 기판이 사용된 경우, 광학적 절연을 위하여 도프 실리카 코어층(20)을 적층하기 이전에 상기 기판상에 완충층이 제공된다. 상기 완충층은 열산화법으로 얻을 수 있다.)
상기 실리카층(20)은 두께가 통상적으로 5 내지 10㎛ 사이, 예를 들어 6.5㎛이다. 평면 도파관(28) 뿐만 아니라, 도파관의 코어(25)는 석판인쇄 단계에서의 패터닝과 적당한 깊이, 예를 들어 두께가 6.5㎛인 코어층을 사용한 경우 7㎛로 에칭함으로써 상기 코어층(20)으로부터 형성된다(도 1b 참조). 이후의 석판인쇄 단계를 위한 정렬표식이 상기 제 1 석판인쇄 단계에서 형성된다.
그후, 비도프 실리카 또는 예를 들어, 붕소 또는 인으로 도프된 실리카로 이루어지고 통상적으로 두께가 10-20㎛인 피복층(30)이 저압 화학 증착법(LPCVD), 플라즈마 항진 화학 증착법(PECVD), 대기압 화학 증착법(APCVD), 화염 가수분해 등과 같은 적절한 공정에 의해 적층된다(도 1c 참조). 그후, 먼저 형성된 정렬표식과 상기 마스크를 일치시키려는 석판인쇄 단계에서의 패터닝과, 완성층 구조를 통상 반응 이온 에칭으로 20-30㎛깊이로 에칭함으로써 회절격자(35)가 형성된다. 알루미늄 또는 금으로 이루어진 층(36)을 적층하여 상기 격자(35)를 금속화시킴으로써 상기 격자바탕 협대역 파장분할 멀티플렉서 또는 디멀티플렉서(NBWDM)가 완성된다.
종래의 공정에서, 많은 문제점이 제 2 석판인쇄 및 에칭 단계에서 발생한다. 먼저 적층된 코어 및 피복층의 두께(17-30㎛)로 인하여, 상기 기판은 4˝(100㎜) 웨이퍼에 대해 통상적으로 약 100㎛ 정도로 심하게 접힌다. 이와 같이 극심한 접힘은 고해상 석판인쇄를 어렵게하며, 매우 정밀한 선명도로 에칭된 소자가 요구되는 협대역 WDM 소자 또는 그 동등물을 제조하는데 있어서 심각한 결함이 된다. 또한, 상기 2회의 석판인쇄 단계에 사용되는 마스크의 양호한 정렬이 필요하지만, 이는 상기 피복의 큰 두께로 인한 선명도의 상실로 인해 어렵게 된다.
또한, 종래의 공정에서, 깊은 실리카 에칭이 요구되나 이는 본래 극히 어렵다. 에칭 시간은 통상 5 내지 10시간으로 길며, 에칭 마스크에 심각한 구속(높은 두께, 높은 에칭 저항, 낮은 응력 및 높은 에칭 해상도)이 존재한다. 더욱이, 에칭 과정에서 해상도가 저하되며 이는 3 내지 4㎛ 사이의 격자 라운딩을 야기하게 된다.
본 발명은 광소자 제조분야에 관한 것으로, 특히 집적 (또는 평면) 광소자의 제조에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 도파관이 도파관의 단부에 정렬된 하나 또는 그 이상의 광성분과 결합되어 형성된 광소자의 제조에 관한 것이다.
도 1은 도 1a 내지 도 1e에 도식적으로 도시된 중간단계를 거치는 종래의 NBWDM 제조공정을 도시한 도면이고,
도 2는 도 2a 내지 도 2e에 도식적으로 도시된 중간단계를 거치며, NBWDM 성분의 제조에 적용되는 본 발명에 따른 제조공정의 제 1 실시예이며,
도 3은 도 3a 내지 도 3f에 도식적으로 도시된 중간단계를 거치며, NBWDM 성분의 제조에 적용되는 본 발명에 따른 제조공정의 제 2 실시예이다.
전술한 문제점을 감안하여, 본 발명은 두꺼운 층구조에서 사진석판 및 에칭단계가 필요없는 신규한 광소자 제조공정을 제공한다.
특히, 본 발명은 적어도 하나의 도파관과, 도파관 또는 도파관들의 단부를 향하여 배치된 적어도 하나의 광성분을 포함하는 광소자 성형방법을 제공하며, 상기 방법은 기판상에 각 도파관의 코어를 형성하기 위한 코어층을 적층하는 단계를 포함하며; 상기 코어층상에 부분 피복층을 적층하는 단계; 도파관 또는 도파관들의 코어와 광성분을 동시에 형성하도록 상기 코어층과 부분 피복층을 패터닝하는 단계; 및 추가 피복층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 피복층을 두 단계에서 적층하고 상기 코어층과 부분 피복층을 모두 에칭하여 도파관과 광성분을 동시에 성형함으로써, 본 발명에 따른 방법은 종래의 제조방법에서의 깊은 에칭공정을 생략하고, 높은 해상도를 갖는 광성분을 제조할 수 있다.
또한, 종래의 제조방법에 포함된 제 2 석판인쇄 단계를 생략함으로써, 본 발명은 공정을 단순화시키고 도파관과 광성분의 완벽한 정렬을 보장할 수 있다.
또한, 에칭 깊이를 줄임으로써, 에칭 마스크에 대한 필요성을 줄이고, 에칭 시간을 줄이며, 해상도를 더 향상시킬 수 있다(약 1㎛의 라운딩).
바람직하게, 상기 부분 피복층은 1-5㎛의 두께를 가져야하고, 정확한 값은 코어와 피복층의 굴절률사이에 존재하는 차이의 함수로서 결정된다. 예를 들어, 상기 코어층(예를 들어, n=1.46)과 피복층(예를 들어, n=1.45)간의 상대차가 0.69%인 도파관이 사용되는 경우에 있어서, 부분 피복층의 두께는 2-3㎛이 적당하다.
상기 부분 피복층의 두께가 너무 작으면, 최종 광소자에서 도파관의 단부를 향해 있는 광성분은 도파관과 바로 위의 작은 피복 부위(부분 피복층에 해당하는 부위)에 대향하게 되고, 이들 성분에 투과되는 빛만을 처리하게 된다. 그러나, 실질적으로, 가우스 분포에 따라 빛은 도파관 코어에 한정되어 잔류하지 않고 사용중에 피복층에서 전파하게 된다. 상기 코어와 피복층의 굴절률차가 좁혀지거나 감소할수록 상기 코어층 외부에서의 전파범위는 증가한다.
따라서, 광손실을 최소화하기 위하여, 상기 광소자는 도파관에 대향하여야 할뿐만 아니라, 상기 피복부위도 코어층 외부에서 전파되는 빛의 대부분이 피복층의 상기 부위에 위치하도록 충분히 두꺼워야 한다. 상기 광성분이 부분 피복층을 에칭하여 성형되고 부분 피복층에 해당하는 피복층 부위를 향하고 있기 때문에, 상기 부분 피복층은 코어층 외부에서 전파되는 빛의 대부분이 상기 부분 피복층에 위치되도록 하는 두께를 가져야만 한다.
반면에, 상기 부분 피복층이 너무 두껍게 제조되면, 본 발명의 잇점(우수한 해상도, 적은 접힘)은 상실된다.
1-5㎛ 두께의 부분 피복층과 코어층 전체에서 에칭을 실시함으로써, 최종 관소자에서 우수한 효율이 유지된다.
본 발명은 적어도 하나의 도파관과, 에칭으로 형성되어 상기 도파관 또는 도파관들의 단부를 향해 배치된 격자를 포함하는 광소자를 더 제공하며, 상기 도파관의 코어는 실리카, 바람직하게는 도프 실리카로 제조되고, 에칭으로 인해 상기 격자의 라운딩은 3㎛미만이며, 바람직하게는 1㎛ 또는 거의 동일하다.
본 발명의 또다른 특징과 잇점은 첨부도면과 예시된 하기의 바람직한 실시예로부터 명료해질 것이다.
하기된 설명에서, 본 발명에 따른 방법은 NBWDM 성분이 제조되는 2개의 실시예에 관하여 기술함으로써 설명된다. 그러나, 본 발명은 이러한 형식의 성분 제조에만 한정되는 것이 아니며, 완전한 도파관 구조를 에칭함으로써 광성분이 하나 또는 그 이상의 도파관과 정렬되어 형성되는 종래의 경우에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 다른 방법의 제 1 실시예를 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명한다.
제 1 실시예에 따른 방법의 제 1 단계는 종래의 방법과 동일하며, 적당한 방법으로 기판(10)상에 도프 실리카층(20)을 적층하는 것으로 이루어진다(도 2a 참조). 통상적으로, 도 1의 예와 같이, 상기 기판은 두께 1㎜, 직경 100㎜인 실리카 기판일 수 있으며, 상기 코어층(20)은 6.5㎛ 두께의 게르마늄 티타늄 또는 그 동등물로 도프된 실리카일 수 있다. 이후의 단계는 종래의 방법과는 다르다.
상기 도파관 코어를 패너닝 및 에칭한 후 종래의 피복층을 적층하는 대신, 본 실시예에서는 약 1 내지 5㎛ 사이의 두께를 갖는 부분 피복층(30A)이 예를 들어 APCVD, PECVD, LPCVD, 화염 가수분해 등 중 하나의 적당한 방법으로 적층된다(도 2b 참조). 상기 부분 피복층은 종래의 물질, 통상적으로 붕소 또는 인으로 도프된 실리카로 제조될 수 있다. 그후, 도파관 코어(25')와 회절격자(35')이 사진석판단계에서 동시에 패터닝되고, 예를 들어 반응 이온 에칭법으로 통상 약 10㎛ 깊이로 에칭된다(도 2c 참조). 상기 도파관 코어(25')와 격자(35')를 동시에 에칭함으로써, 이들 사이의 완벽한 정렬이 보장된다. 또한, 비교적 얇은 층구조 전체에 걸쳐 이 단계에서 상기 격자(35')를 패터닝 및 에칭함으로써, 해상도를 향상하고 에칭공정을 단순화하게 된다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 그 후 상기 격자는, 예를 들어 진공하에서의 증착 또는 스퍼터링에 의한 금속층(36)의 적층으로 금속화된다(도 2d 참조). 상기 금속화는 금속층(36)이 격자(35')상에는 형성되고 다른 표면에는 형성되지 않거나 거의 형성되지 않는 방향성 방법으로 실시된다. 그후, 도파관의 피복부위를 완성하기 위해 피복부(30B)가 더 적층된다(도 2e 참조). 상기 금속화 단계 이후 피복층(30B)이 적층되기 때문에, PECVD, LPCVD 또는 졸-겔 공정과 같은 저온 피복 적층공정(통상적으로, 900℃ 미만)이 선택되어야 한다. 상기 격자의 금속화에 있어서, 금과 같은 높은 융점을 갖는 금속이 바람직하다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예가 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 설명된다.
제 2 실시예에 따른 방법의 처음 3단계는 제 1 실시예와 동일하며, 실리카 기판(10)상에 도프 실리카층(20)을 적층한 후(도 3a 참조), 부분 피복층(30A)을 적층한 다음(도 3c 참조), 격자(35')와 도파관 코어(25')를 동시에 패터닝 및 에칭(도 3c 참조)한다. 그러나, 상기 공정은 다음 단계에서 달라진다.
제 2 실시예에 따르면, 격자(35')의 금속화는 늦춰진다. 그 대신, 보호층(37), 바람직하게는 폴리아미드와 같은 고온저항성 중합체가 상기 격자에 적층된 다음(도 3d 참조), 피복층(30B)이 적층된다(도 3e 참조). 상기 보호층은 일반적으로 상기 격자상에 액체형태의 전구제를 코팅한 다음 이를 고온에서 중합시킴으로써 형성된다. 제 1 실시예와 같이, 상기 피복층(30B)을 적층하기 위해서는 저온 적층공정이 필요하나, 이 경우 500℃ 미만의 온도가 요구된다. 상기 피복층(30B)이 적층된 후, 보호층(37)이 제거되고, 통상적으로 진공하에서 증착 또는 스퍼터링하여 알루미늄 또는 금 층(36)을 적층함으로써 격자(35')가 금속화된다(도 3f 참조). 이때, 상기 격자(35')상에 층(30B)이 존재하기 때문에, 금속이 격자(35')상에만 적층되도록 하는 금속화가 더이상 불가능하다. 그러나, 상기 격자(35') 뒤의 공동의 다른 표면상에 금속층(36)이 존재하는 것은 다른 악영향을 주지 않는다.
전술한 2개의 실시예에서, 코어층을 덮는 부분 피복층만을 가진 기판에서 석판인쇄가 실시됨을 알 수 있다. 따라서, 석판인쇄의 해상도는 향상된다. 예를 들어, 전술한 실시예에서와 같이 100㎜ 웨이퍼상에 광소자를 성형하는 경우, 석판인쇄 단게에 영향을 주는 웨이퍼의 접힘은 약 30㎛로 감소된다. 또한, 회절격자와 도파관 코어의 동시 성형은 완벽한 정렬을 보장하고 석판인쇄 단계를 생략할 수 있도록 한다. 결론적으로, 격자 형성에 필요한 에칭 깊이를 줄임으로써, 상기 에칭 공정은 단순화되고 신속하며 더 나은 해상도를 구현하게 된다.
전술한 설명에서, 화염 가수분해, APCVD, LPCVD, PECVD, 졸-겔 등 다양한 적층공정에 대한 상세한 작동조건은 당업계에 공지된 점을 고려하여 기술하지 않았다. 예를 들어, 이들 공정에 대한 세부사항은 1994년 6월, 샌디에고, 중요 연구회의 CR53, SPIE1994에 제출된 마이클 에프, 그란트의 초대 연구논문 "글라스 집적광학 및 광섬유 장치"의 처음 2장에서 찾을 수 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 상기 실시예의 세부 특징에 한정되는 것은 아니다. 특히, 당업자에 의한 다양한 변경과 응용이 용이하게 이루어질 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 도파관이 상기 격자대신 예를 들어, 렌즈, 촛점 또는 반사거울, 프리즘 등과 같은 광성분과 정렬된 광소자의 제조에 적용될 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 상기 코어층(20)이 기판(10)상에 직접 형성되었지만, 본 발명은 코어 물질과 기판의 성질이 완충층의 제공을 필요로 하는 경우에도 적용될 수 있다.
또한, 전술한 실시예는 도파관이 실리카 바탕인 광소자에 관한 것이나, 본 발명에 따른 방법은 상기 도파관이 InP(인화인듐)와 같은 반도체상에 깔린 광소자 제조에도 적용될 수 있다. 실리카보다 높은 굴절률을 갖기 때문에, 인화인듐은 더 얇은 코어 및 피복층을 생성할 수 있으며, 따라서, 완성된 도파관 구조는 실리카 바탕 도파관보다 더 얇다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 제조방법은 InP 바탕 광소자 제조의 경우에도 종래의 방법에 비해 잇점을 제공한다. 명료하게, 에칭 해상도와 제조공정의 단순함에서 진보되었다.
또한, 전술한 실시예에서 형성된 보조 피복층(30B)이 실리카로 제조되었지만, 예를 들어, 중합체와 같은 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 당업자에 의해 용이하게 실시될 다른 변경 및 적용은 첨부된 청구항에 한정된 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (14)

  1. 기판상에 도파관 또는 각 도파관의 코어를 형성하기 위한 코어층을 적층하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 도파관과, 도파관 또는 각 도파관의 단부를 향하여 배치된 적어도 하나의 광성분을 포함하는 광소자 제조방법에 있어서,
    상기 코어층상에 부분 피복층을 적층하는 단계;
    상기 도파관 또는 도파관들의 코어와 광성분을 동시에 형성하도록 상기 코어층과 부분 피복층을 패터닝하는 단계; 및
    추가 피복층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부분 피복층은 1 내지 5㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 부분 피복층은 2-3㎛의 두께를 갖고, 코어층과 피복층의 굴절률간의 상대차는 약 0.7%인 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광성분은 회절격자이며, 격자의 금속화 단계가 더 구비된 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 격자의 금속화는 추가 피복층이 적층되기 이전에 이루어지고, 상기 추가 피복층의 적층은 900℃ 이하의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 추가 피복층의 적층은 격자의 금속화 이전에 이루어지고, 상기 격자는 추가 피복층의 적층단계 이전에 고온 저항성 중합체를 격자에 제공함으로써 추가 피복층의 적층으로부터 보호되며, 상기 추가 피복층의 적층은 500℃ 이하의 온도에서 이루어지고, 상기 고온 저항성 중합체는 격자의 금속화 단계 이전에 격자로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 추가 피복층의 적층은 APCVD, PECVD, LPCVD 및 졸-겔 공정으로 이루어진 군으로부터 선택도니 공정에 의해 비교적 저온에서 이루어지는 공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 격자의 금속화 단계는 금에 의한 격자의 금속화를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광소자는 파장 분할 멀티플렉서/디멀티플렉서인 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 광소자는 적어도 32채널를 포함하는 협대역 파장 분할 멀티플렉서/디멀티플렉서인 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 코어층은 도프 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자 제조방법.
  12. 적어도 하나의 도파관과,
    상기 도파관 또는 도파관들의 단부를 향해 배치되며, 에칭으로 형성된 격자를 포함하는 광소자에 있어서,
    상기 도파관의 코어는 실리카로 제조되고, 에칭에 의한 격자의 라운딩은 3㎛미만인 것을 특징으로 하는 광소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 도파관의 코어는 도프 실리카로 제조된 것을 특징으로 하는 광소자.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 에칭으로 인한 격자의 라운딩은 1㎛ 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 광소자.
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