KR20010113581A - 나노미터 크기의 광도파로 제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노미터 크기를 갖는 광도파로 제작 기술로서, 특히 기판의 표면에 나노미터 크기를 갖는 표면 구조를 형성시킴으로서 기판 위에 증착되는 광도파로 재료를 기판의 나노미터 크기의 표면 구조에만 증착되도록 함으로서 나노미터 크기의 광도파로를 제작하는 방법에 관한 것이다.
근래, 박막을 이용한 광도파로(광디바이스)의 개발이 큰 주목을 받고 있다. 이와 같은 광도파로(광디바이스) 제작에 있어 도파로의 제작은 필수 불가결한 공정이다. 또한, 광집적회로에 있어서 많은 광소자들이 광도파로상에서 만들어지고 있다.
박막을 이용한 광도파로의 제작에는 주로 사파이어 기판을 사용하며, 광도파로의 재료로 LiNbO3또는 LiTaO3의 박막을 증착한 후 사진·석판 인쇄(Photo-lithography) 방법으로 도파로 패턴을 형성하고 있다. 사진·석판 인쇄 방법으로 제작하던 종래의 방법은 석판 인쇄 공정에서 빛을 이용하기 때문에 빛의 회절의 특성으로 인하여 빛의 파장보다는 작은 패턴을 절대로 형성할 수 없다. 100nm(나노미터) 이하의 크기를 갖는 도파로의 제작은 매우 어려우며, 거의 불가능하다. 본 발명은 사파이어 기판 표면에 나노미터의 높이를 갖는 스텝들을 형성시킨 후 과도파로 재료의 박막 증착 시 증착 물질의 원자 또는 분사들이 스텝에 부착되도록 하여 나노미터 크기의 광도파로를 형성하는 것을 목적으로 한다.
100 나노미터 이하의 사이즈를 갖는 도파로를 형성하기 위하여 대기 중 900℃ 이상의 온도에서 30분 이상 사파이어 기판을 열처리하면 기판의 전 표면에 직선의 스텝들이 형성된다. 형성된 스텝의 높이는 C-면 기판인 경우 최소 0.22±0.22nm 이상, A-면 및 R-면인 경우 각각 0.25±0.02nm, 0.36±0.02nm 이상이다. 처리 온도를 높이거나 처리 시간을 길게 하면 스텝의 높이는 스텝 다발(bunching) 현상에 의해 (최소 높이 x 정수배)의 높이를 나타낸다. 이러한 사파이어 기판을 고진공 증착 장비에 넣고 도파로 물질을 증착시킨다. 예를 들면, 펄스 레이저 증착빔(PLD)의 경우, 사파이어 기판을 넣고 10-6Torr이하의 진공도까지 진공을 뽑은 후 산소를 주입한 다음 1mTorr 이상의 압력이 되도록 한다. 기판을 600℃이상으로 가열하면서 LiNbO3를 증착시키면 기체 상태의 LiNbO3의 원자 또는 분자의 전부 기판 표면의 스텝에 부착되어 LiNbO3의 핵이 생성되며, 부착되는 양이 증가할수록 스텝을 따라 부착물이 전부 연결된 선모양의 구조가 형성된다. 스텝의 높이가 약 10nm이고 증착막의 두께가 약 10nm 박막 두께의 양일 경우, 가는 LiNbO3도파로선의 폭은 약 80nm이다. 스텝의 높이와 증착량에 따라 도파로선의 폭은 조절이 가능하다. 도파로의 간격은 스텝 사이의 간격을 조절함으로서 가능하며, 스텝간 간격은 기판 표면의 오차(misorientation angle), 열처리 온도 및 시간의 조절로 가능하다.
본 발명을 적용한 방법은 기존의 사진·석판 인쇄 공정으로는 제작이 불가능한 100nm 크기 이하의 광도파로 제작이 가능하여 나노 광스위치, 나노 광변조기, 나노 비선형 광레이저 등의 개발 및 초고집적 나노 광디바이스의 개발에 중요한 역할을 할 수 있다. 특히, 복잡한 사진·석판 인쇄 공정의 생략이 가능하게 되어 공정의단순화 및 제조 경비의 절감을 가져올 것이다.

Description

나노미터 크기의 광도파로 제작방법{A manufacturing process of nanometer sizing's optical wave guide}
본 발명은 나노미터 크기를 갖는 광도파로 제작 기술로서, 특히 기판의 표면에나노미터 크기를 갖는 표면 구조를 형성시킴으로서 기판 위에 증착되는 광도파로 재료를 기판의 나노미터 크기의 표면 구조에만 증착되도록 한나노미터 크기의 광도파로를 제작하는 방법에 관한 것이다.
근래, 박막을 이용한 광디바이스의 개발이 큰 주목을 받고 있다. 광디바이스 제작에 있어 도파로의 제작은 필수 불가결한 공정이다. 또한 광집적회로에 있어서 많은 광소자들이 광도파로상에서 만들어지고 있다. 박막을 이용한 광도파로의 제작에는 주로 사파이어 기판을 사용하여 광도파로 재료로 LiNbO3또는 LiTaO3는 전기 광학 계수가 큰 물질로 광도파로 재료로 가장 널리 사용되고 있으며, 사파이어 기판은 그 굴절률이 LiNbO3나 LiTaO3의 굴절률보다 작아 LiNbO3또는 LiTaO3박막 도파로의 기판으로서 일반적으로 사용되고 있다. 도파로 박막의 굴절률이 기판의 굴절률보다 높아 빛은 도파로 내에서 전반사가 일어나 광손실이 적어 광파워가 효율 좋게 전달된다. 박막 형성 후 도파로를 사진·석판 인쇄 방법으로 제작하던 종래의 방법은 석판인쇄 공정에서 빛을 이용하기 때문에 빛의 회절의 특성으로 인하여 빛의 파장보다는 작은 패턴을 절대로 형성할 수 없다. 100nm(나노미터) 이하의 크기를 갖는 도파로의 제작은 종래의 방법으로는 매우 어려우며 거의 불가능하다.
100 나노미터 이하의 사이즈를 갖는 도파로를 형성하기 위하여 진공 증착 장비 내에 사파이어 기판을 넣고 900℃ 이상의 온도에서 30분 이상 가열하여 표면에 나노미터의 높이를 갖는 스텝들을 형성시킨다. 그런 다음 LiNbO3나 LiTaO3를 증착시키면 사파이어 기판 표면에 도착한 증착 물질의 원자 또는 분자들이 표면 위에서 스텝들 쪽으로 이동하여 스텝들에 부착되어 스텝을 따라서 나노미터 크기의 가는 선 모양의 패턴을 형성하게 되며, 이것이 곧 광도파로가 되는 것이다. 고온열처리 시 기판의 표면에 스텝 구조가 생성되는 이유는, 단결정으로부터 절단에 의하여 웨이퍼를 만드는 과정에서 기계의 허용 오차에 의하여 반드시 표면 방위에 오차(misorientation angle)가 생기기 때문이다. 또한 표면 평탄화를 위하여 기계 연마 등을 하는데, 이 과정에서도 기계의 허용 오차에 의해 기판 표면에 오차가 발생하기 때문이다. 증착 물질들이 스텝에 우선적으로 부착되는 것은 부착될 때 필요한 표면 에너지의 증가를 최소로 할 수 있기 때문이다.
본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명 요지는 나노미터 높이의 스텝(step)들과 나노미터 넓이의 테라스(terrace)들로 구성된 표면 구조를 기판 표면에 형성하여, 증착되는 광도파로 물질의 원자 또는 분자들을 우선적으로 스텝들에 부착되도록 함으로서 스텝을 따라서 나노미터 크기의 광도파로를 형성시키는 것을 목적으로 한다. 기판 표면에서의 스텝의 높이 및 테라스의 넓이는 기판 표면의 오차, 기판 표면의 면방위, 고온 열처리 온도 및 처리 시간 등을 조정함으로서 조정할 수 있다. 스텝의 높이와 테라스의 넓이의 조절은 곧 광도파로의 크기와 광도파로 사이의 거리를 조절하게 되는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광도파로 제작 시 복잡한 사진·석판 인쇄술 공정을 줄임으로서 공정의 단순화 및 경비의 절감을 목적으로 한다.
도 1은 고온 열처리한 사파이어 기판의 표면도
도 2는 광도파로 재료를 증착시킨 후 형성한 나노미터 크기의 광도파로도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1. 기판 2. 스텝 2-1. AC면
2-2. A면 2-3. R면 3. 증착물
이를 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 기본적인 목적은 기판 표면에 나노미터의 스텝 구조를 형성하여 증착되는 광도파로 물질의 원자 또는 분자들이 우선적으로 스텝에 부착되도록 하여 사진·석판 인쇄 공정 없이 자발적으로 스텝을 따라서 나노미터 크기의 광도파로가 형성되도록 하는 것이다.
이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 대기 중 900℃ 이상의 온도에서 30분 이상 사파이어 기판(1)을 열처리하면 기판(1)의 전 표면에 직선의 스텝(2)들이 형성된다. 형성된 스텝(2)의 높이는 C-면 기판(2-1)인 경우 최소 0.22±0.22nm 이상, A-면(2-2) 및 R-aus(2-3)인 경우 각각 0.25±0.22nm, 0.36±0.02nm 이상이다. 처리 온도를 높이거나 처리 시간을 길게 하면 스텝의 높이는 스텝 다발 현상에 의해(최소 높이 x 정수배)의 높이를 나타낸다. 이러한 사파이어 기판을 고진공 증착 장비에 넣고 도파로 물질을 증착 시킨다. 예를 들면 펄스 레이저 증착법(PLD)의 경우 사파이어 기판(1)을 넣고 10-6Torr 이하의 진공도까지 진공을 뽑은 후 산소를 주입한 다음 1mTorr 이상의 압력이 되도록 한다. 기판을 600℃이상으로 가열하면서 LiNbO3를 증착시키면 기체 상태의 LiNbO3의 원자 또는 분자는 전부 기판 표면의 스텝(2)에 부착되어 LiNbO3의 핵이 생성되며, 부착되는 양이 증가할수록 스텝을 따라 부착물이 전부 연결된 선모양의 증착물(3) 구조가 형성된다. 스텝의 높이가 약 10nm이고 증착막의 두께가 약 10nm 박막두께의 양일 경우, 가는 LiNbO3도파로선의 폭은 약 80nm이다. 스텝의 높이와 증착량에 따라 도파로선의 폭은 조절이 가능하다. 도파로의 간격은 스텝 사이의 간격을 조절함으로서 가능하며, 스텝간 간격은 기판 표면의 오차, 열처리 온도 및 시간의 조절로 가능하다.
본 발명을 적용한 방법은 기존의 사진·석판 인쇄 공정으로는 제작이 불가능한 100nm 크기 이하의 광도파로 제작이 가능하여 나노 광스위치, 나노 광변조기, 나노 비선형광레이저 등의 개발 및 초고집적 나노 광디바이스의 개발에 중요한 역할을 할 수 있다. 특히, 복잡한 사진·석판 인쇄 공정의 생략이 가능하게 되어 공정의 단순화 및 제조 경비의 절감을 가져올 것이다.

Claims (3)

  1. 기판 표면의 스텝 구조를 이용한 나노미터크기의 광도파로 제작을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1의 기판에 있어서 사파이어 또는 이와 동일 유사한 성상을 가진 것을 사용함을 특징으로 하는 나노미터크기의 광도파로 제작 방법.
  3. 청구항 1의 광도파로 재료에 있어서 LiNbO3또는 LiTaO3및 이와 동일 유사한 성상을 가진 것을 사용함을 특징으로 하는 나노미터 크기의 광도파로 제작 방법.
KR10-2001-0068788A 2001-11-06 2001-11-06 나노미터 크기의 광도파로 제작방법 KR100398698B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100450756B1 (ko) * 2002-06-17 2004-10-01 한국전자통신연구원 광통신용 광신호 스위치 어레이

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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