KR20010105786A - 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치및 방법 - Google Patents

선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치및 방법 Download PDF

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Abstract

광 스펙트럼 분석기를 통하여 공진파장의 변화를 관찰하여 어퍼쳐 제조공정을 모니터링할 수 있도록 된 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법이 개시되어 있다.
이 개시된 장치는 예비산화층을 갖는 표면광 레이저가 위치되는 스테이지와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우를 갖는 퍼니스와; 퍼니스 외부에 설치되며, 제1윈도우를 통하여 스테이지 상에 놓인 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 광원과; 표면광레이저에서 반사되고 제2윈도우를 투과하여 입사된 광을 수광하여 광의 광강도 변화를 출력하는 광 스펙트럼 분석기;를 포함하여, 예비산화층에 형성되는 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화로부터 어퍼쳐 크기를 결정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 제조방법은 퍼니스의 스테이지 상에 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저를 위치시키는 단계와; 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 단계와; 표면광레이저에서 반사된 광을 수광하는 단계와; 퍼니스 내에 산화분위기가 조성되도록 하는 단계와; 퍼니스 내의 변화된 산화분위기에 따른 수광된 광의 피크파장 변화를 검출하는 단계; 검출된 피크파장 변화를 근거로 산화분위기에서 표면광 레이저를 셧-오프하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법{Apparatus and method for manufacturing oxide aperture of VCSEL}
본 발명은 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 광 스펙트럼 분석기를 통하여 공진파장의 변화를 관찰하여 어퍼쳐 제조공정을 모니터링할 수 있도록 된 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 표면광 레이저(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 모서리 발광레이저와는 달리 반도체 물질층의 적층방향으로 원형에 가까운 가우시안빔을 출사하므로, 출사광의 형상 보정을 위한 광학계가 불필요하다. 그리고, 그 크기를 작게 할 수 있으므로, 하나의 반도체 웨이퍼 상에 복수개의 표면광 레이저가 집적 가능하여 이차원 배열이 용이하다. 이러한 이점으로 인해, 표면광 레이저는 광통신분야, 전자계산기, 음향 영상기기, 레이저 프린터, 레이저 스캐너 및 의료장비 등 광응용 분야에서 널리 응용될 수 있다.
이 표면광 레이저는 전극을 통해 공급된 전류의 흐름을 가이드하여 광출력 특성을 향상시키고자, 상부 반사기층에 형성된 고저항부를 가진다. 이 고저항부 형성방법은 크게 양성자, 이온 등을 주입하는 방법과, 시간을 조절하여 전류의 가이드 영역을 제외한 주변 부분을 산화시키는 선택적 산화법으로 나눌 수 있다. 양성자 주입법에 의한 공정은 주입된 양성자 분포가 일정하지 않으므로, 양산시 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 비하여 선택적 산화법은 상부 반사기층의 하부 층 일부 즉, 고저항 영역을 형성하고자 하는 부분을로 적층한 상태로, 일 기판 상에 성장된 복수의 표면광 레이저 주변을 식각한 후, 산화분위기[(↑)]에서 시간을 조절하면, 상기층이 외측에서 내측으로 확산 산화되어산화 절연막 즉, 전류를 제한하는 고저항부를 형성한다.
한편, 상기 어퍼쳐 형성시 산화영역의 확산 형성은 상기한 공정이 이루어지는 퍼니스(furnace; 爐) 내의 온도 조건 및, 산소(O2) 공급량에 따라 예민한 확산 레이트(rate)의 변화를 보인다. 이러한 확산 레이트의 변화는 공정의 반복성을 요구하는 대량 생산이나 소정 어퍼쳐 사이즈를 요구하는 경우 문제점으로 작용한다.
이러한, 점을 극복하기 위하여는 정밀한 온도조절이 가능한 퍼니스와, 산소(O2) 또는 수증기압의 조절이 요구된다. 한편, 대략 ±1㎛ 정도의 마이크로 레벨의 정밀한 확산 산화 길이의 조절은 노와 산소(O2) 또는 수증기압의 조절만으로는 어렵고, 공정 중에 산화된의 면적을 측정하거나 비전시스템을 통하여 확산 산화길이를 모니터링 해야하지만 실제 고배율을 갖는 광학계를 구성하기가 곤란하다는 문제점이 있다.
또한, 더미(dummy) 시편에 대해 확산 산화 길이를 측정을 통하여 얻은 산화 시간 데이터를 바탕으로 어퍼쳐를 조절하는 것이 가능하나, 이 경우 재현성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐를 형성시, 광 스펙트럼 분석기를 통하여 어퍼쳐 크기 변화에 따른 공진파장의 변화를 측정하여 산화정도를 제어함으로써, 정밀한 어퍼쳐 형성이 가능하도록 된 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 일반적인 선택적 산화법에 의하여 어퍼쳐가 형성된 표면광 레이저를 보인 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조장치를 보인 개략적인 도면.
도 3a 및 도 3b는 산화 전,후의 어퍼쳐를 각각 보인 개략적인 평면도.
도 4는 광 스펙트럼 분석기를 통하여 관찰한 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조방법을 설명하기 위하여 나타낸 순서도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10...표면광 레이저 11...하부반사기층 13...활성층
15...예비산화층 17...상부반사기층 19...상부전극
20...퍼니스 23...제1윈도우 25...제2윈도우
31...광원 41...광 스펙트럼 분석기
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조장치는, 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저가 위치되는 스테이지와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우를 갖는 퍼니스와; 상기 퍼니스 외부에 설치되며, 상기 제1윈도우를 통하여 상기 스테이지 상에 놓인 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 광원과; 상기 퍼니스 외부에 설치되며, 상기 표면광레이저에서 반사되고 상기 제2윈도우를 투과하여 입사된 광을 수광하는 수광소자와; 상기 수광소자를 통해 수광된 광의 광강도 변화를 출력하는 광 스펙트럼 분석기;를 포함하여, 상기 예비산화층에 형성되는 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화로부터 상기 어퍼쳐 크기를 결정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조방법은, 스테이지와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우를 갖는 퍼니스를 마련하고, 상기 스테이지 상에 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저를 위치시키는 단계와; 상기 제1윈도우를 통하여 상기 스테이지 상에 놓인 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 단계와; 상기 표면광레이저에서 반사되고 상기 제2윈도우를 투과하여 입사된 광을 수광하는 단계와; 상기 퍼니스 내에 산화분위기가 조성되도록 산소 또는 수증기를 주입하는 단계와; 상기 퍼니스 내에 조성된 산화분위기에 의해 변화되는 상기 수광단계를 통해 수광된 광의 피크파장 변화를 검출하는 단계; 검출된 피크파장 변화를 근거로 산화분위기에서 상기 표면광 레이저를 셧-오프하는 단계;를 포함하여, 상기 예비산화층에 형성되는 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화로부터 상기 어퍼쳐 크기를 결정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조장치 및 제조방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 표면광 레이저는 그 적층 구조를 살펴보면, 기판 상에 순차로 적층 형성된 하부반사기층(11), 활성층(13), 부분 산화에 의하여 어퍼쳐가 형성될 예비산화층(15), 상부반사기층(17) 및, 상부전극층(19)을 포함하여 구성된다.
상기 기판은 예컨대 n형 불순물을 함유하는 반도체물질등으로 되어 있으며, 이 기판 상에 동일 공정에 의해 복수의 표면광 레이저가 동시에 형성된다. 한편, 도 1에서는 하나의 표면광 레이저를 예로 들어 나타내었다. 상기 하부반사기층(11)은 상기 기판과 같은 형의 불순물 예를 들면, 조성이 다른 n형가 적층되어 이루어진다. 상기 상부반사기층(17)은 상기 하부반사기층(11)과 반대형의 불순물을 함유하는 같은 종류의 불순물 반도체 물질로 되어 있다. 즉,활성층(13) 상에 조성이 다른 p형가 적층되어 이루어진다. 상기 상부반사기층(17)과 하부반사기층(11)은 상기 상부전극(19) 및 미도시된 하부전극을 통해 인가된 전류에 의하여 전자와 정공의 흐름을 유도한다. 상기 활성층(13)은 전자와 정공의 재결합으로 인한 에너지 천이에 의하여 광을 생성하는 영역으로 단일 또는 다중 양자-우물 구조, 초격자(super lattice) 구조 등을 가진다.
상기 예비산화층(15)은 상기 상부반사기층(17)과 상기 활성층(13) 사이에 형성되며, 상기 상부반사기층(140)과 같은 구조의 p형로 되어 있다. 이 예비산화층(15)은 도 2에 도시된 바와 같은 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조장치에 의하여, 활성층(13)에서 생성된 광이 투과하는 소정 영역의 어퍼쳐를 제외한 주변 영역이 절연 산화막이 된다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 어퍼쳐 제조장치는 소정의 온도 및 압력 조건를 만족하며 산화분위기 조성이 가능한 공간으로, 어퍼쳐 제조를 위한 표면광 레이저(10)가 설치되는 퍼니스(furnace)(20)와, 상기 표면광 레이저(10)의 상면에 광을 조사하는 광원(31) 및, 광원(31)에서 조사되고 상기 표면광 레이저에서 반사된 광을 수광하여 광의 광강도 변화를 출력하는 광 스펙트럼 분석기(41)를 포함하여 구성된다.
상기 퍼니스(20)는 표면광 레이저(10)가 위치되는 스테이지(21)와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우(23)(25)를 구비한다. 여기서, 상기 제1 및 제2윈도우(23)(25)는 광을 투과시킴과 아울러, 퍼니스(20) 내부를 밀봉할 수 있도록 된 투명부재이다. 이 퍼니스(20) 내부는 선택적으로 H2O(↑), O2등이 포함된 산화분위기 조성이 가능한 것으로, 상기 광 스펙트럼 분석기(41)에서 검출된 신호에 의해 산화분위기로부터 상기 표면광 레이저(11)를 셧-오프하여 산화 멈춤을 제어할 수 있다.
상기 광원(31)은 상기 퍼니스 외부에 설치되며, 상기 제1윈도우(23)를 통하여 상기 스테이지(21) 상에 놓인 표면광 레이저(10)의 상면에 광을 조사한다. 그리고, 상기 광 스펙트럼 분석기(41)는 상기 퍼니스(20) 외부에 설치되며, 상기 표면광 레이저(10)의 표면에서 반사되고 상기 제2윈도우(25)를 투과하여 입사된 광을 수광하여 광의 광강도 변화를 출력한다. 여기서, 광강도 변화는 상기 표면광 레이저(10)가 페브리-페롯(Fabry-Perot) 에탈론(etalon) 공진계를 이루므로, 외부에 위치된 광원(31)에서 입사된 광에 의해서도 발진하게 된다. 따라서, 상기 광원(31)에서 광을 조사하는 경우, 상기 표면광 레이저(10)에서 반사된 후, 상기 광 스펙트럼 분석기(41)에 입사된 광은 특정 파장에 대해서 반사율이 떨어지는 피크를 가진다. 이 피크 파장은 상기 표면광 레이저(10)의 산화 조건에 따라서 변화하게 된다. 즉, 예비산화층(도 1의 15)이 산화되어 도 3a에 도시된 바와 같이 예비산화층이 AlxG1-xAs 층으로 된 상태에서 도 3b에 도시된 바와 같이, 소정 길이 ℓ만큼 산화되어 Al2Ox가 형성되면, 표면광 레이저(10)의 상,하부반사기층 사이에 형성된 공진기의 굴절률과 기계적인 수축에 의해 광학 두께 n·d (n : 굴절률, d: 물리적 두께)가 변화된다.
이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 광 스펙트럼 분석기(41)를 통하여 검출되는 파장을 살펴볼 때, 파형 I에서 파형 Ⅱ로 시프트된다. 즉, 공진 피크 파장을 살펴볼 때, 산화가 진행되면서 산화 전에 비하여 파장이 짧아지게 된다. 따라서, 설정된 공진피크파장을라 할 때, 공진피크파장이 산화가 진행되면서 상기 설정파장과 같아질 때 산화를 멈춤으로써, 산화를 제어할 수 있다.
이하, 도 1, 도 2 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조방법을 상세히 설명한다.
우선, 스테이지(21)와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우(23)(25)를 갖는 퍼니스(20)를 마련하고, 상기 스테이지(21) 상에 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저를 위치시킨다(S10). 이어서, 상기 제1윈도우(23)를 통하여 상기 스테이지(21) 상에 놓인 표면광 레이저(10)의 상면에 광을 조사하고(S20), 상기 표면광레이저(10)에서 반사되고 상기 제2윈도우(25)를 투과하여 입사된 광을 수광한다(S30). 그리고, 상기 퍼니스(20) 내에 산화분위기가 조성되도록 산소(O2) 또는 수증기(H2O)를 주입하여 산화 분위기를 조성한다(S40). 그리고, 광 스펙트럼 분석기(41)를 통하여, 상기 퍼니스 내에 조성된 산화분위기에 의해 변화되는 수광된 광의 피크파장 변화를 검출한다(S50).
이 때 검출된 피크 파장은 산화진행 정도에 따라 변화되는데, 이 변화되는 검출 피크 파장이 소망하는 어퍼쳐 크기에 대응되는 설정파장과 같은 파장으로 변화되었는지를 판별한다(S60). 이 후, 피크파장이 설정파장과 같아지면, 산화분위기에서 상기 표면광 레이저(10)를 셧-오프하여(S70), 더 이상 산화가 진행되는 것을멈춤으로써, 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조가 완료된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조 장치 및 방법은 광 스펙트럼 분석기를 통하여 어퍼쳐 크기 변화에 따른 공진파장의 변화를 측정하여 산화정도를 제어하면서 어퍼쳐를 제조함으로써, 어퍼쳐 크기의 정밀한 제어가 가능하다는 이점이 있다.

Claims (2)

  1. 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저가 위치되는 스테이지와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우를 갖는 퍼니스와;
    상기 퍼니스 외부에 설치되며, 상기 제1윈도우를 통하여 상기 스테이지 상에 놓인 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 광원과;
    상기 퍼니스 외부에 설치되며, 상기 표면광레이저에서 반사되고 상기 제2윈도우를 투과하여 입사된 광을 수광하여 광의 광강도 변화를 출력하는 광 스펙트럼 분석기;를 포함하여,
    상기 예비산화층에 형성되는 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화로부터 상기 어퍼쳐 크기를 결정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조장치.
  2. 스테이지와, 입사광을 투과시키는 제1 및 제2윈도우를 갖는 퍼니스를 마련하고, 상기 스테이지 상에 선택적 산화법에 의해 어퍼쳐가 형성될 예비산화층을 갖는 표면광 레이저를 위치시키는 단계와;
    상기 제1윈도우를 통하여 상기 스테이지 상에 놓인 표면광 레이저의 상면에 광을 조사하는 단계와;
    상기 표면광레이저에서 반사되고 상기 제2윈도우를 투과하여 입사된 광을 수광하는 단계와;
    상기 퍼니스 내에 산화분위기가 조성되도록 산소 또는 수증기를 주입하는 단계와;
    상기 퍼니스 내에 조성된 산화분위기에 의해 변화되는 상기 수광단계를 통해 수광된 광의 피크파장 변화를 검출하는 단계;
    검출된 피크파장 변화를 근거로 산화분위기에서 상기 표면광 레이저를 셧-오프하는 단계;를 포함하여, 상기 예비산화층에 형성되는 어퍼쳐의 크기 변화에 따른 공진 피크 파장의 광강도 변화로부터 상기 어퍼쳐 크기를 결정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 선택적 산화법에 의한 표면광 레이저의 어퍼쳐 제조방법.
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