KR20010113770A - 도파로 구조 및 도파로 구조를 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
고 광학 제한 도파로를 형성하기 위한 방법으로서, 기판상에 실리콘 함유 재료의 도파로층을 적층함으로써 기판상에 실리콘에 기초한 도파로를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 재료는 상기 도파로의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 더 크도록 선택되며, 상기 실리콘에 기초한 도파로의 형성단계는 상기 적층된 도파로층 내에 리지 구조를 형성하도록 적층된 도파로 구조를 에칭하는 단계를 더 포함하며, 상기 방법은 상기 적층된 도파로층과 함께 집적되며, 그 안에 광 신호 처리 엘리먼트를 형성하는 단계를 더 포함한다.
Description
고 광학 제한 도파로는 도파로 재료와 주위의 클래딩 재료/광학적 분리층 사이이의 높은 굴절률 차이에 의존한다. 이는 매우 소형인 도파로 구조의 설계가 가능하게 하며, 필요한 광학적 기능을 유지한 채, 디바이스 크기를 현격히 감소시킬 수 있는 많은 응용예를 발견하였다.
최근에, 실리콘은 고 제한 도파로 구조의 생산에 적절한 재료로서 확인되었다. 실리콘은 1.5 마이크로미터 파장에서 높은 굴절률 4 를 갖는다. 도파로 재료로서 실리콘에 근거한 고 광학 제한 도파로는 절연체상의 실리콘(Silicon on Insulator)(SOI)를 생성하기 위한 "주입된 산소에 의한 분리(Separation by Implanted Oxygen)(SIMOX)"로 알려진 기술을 활용하여 제조된다. SIMOX 기술에서, 산소는 실리콘 웨이퍼 안에 주입된다. 그리고 나서, 웨이퍼는 소정의 주입 깊이로 주입된 산소로부터 형성된 산화된 실리콘 층위에 실리콘 층을 형성하기 위하여 어닐(anneal)된다.
그러나, 이러한 기술은 SIMOX 기판의 복잡한 제작과 관련된 높은 비용, 그리고 도파로 재료 특성(벌크 실리콘)의 제한된 범위와 산소 주입을 통해 생성된 산화된 광학 절연층의 성취 가능한 두께의 제한된 범위와 같은 SIMOX의 파라미터 변화의 제한된 범위를 포함한 여러 가지 불이익을 받게 된다.
본 발명은 고 광학 제한(confinement) 도파로 구조 및 그를 형성하기 위한 방법과 관련된다.
도 1a 내지 e는 본 발명에 따른 도파로 구조를 형성하는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 도파로 구조를 광섬유에 결합시키는 방법을 나타내는개략도이다.
본 발명은 고 광학 제한 도파로 구조를 형성하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 기판상에 실리콘을 함유한 재료의 도파로 층을 적층함으로써 기판상에 실리콘에 기초한 도파로를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 재료는 도파로의 굴절률이 기판의 굴절률보다 더 큰 방식으로 선택된다.
따라서, 박막 기술이 실리콘에 기초한 고 광학 제한 도파로 구조를 제작하는데 사용될 수 있으며, 도파로 구조중 실리콘에 기초한 도파로의 특성 범위를 증가시킬 수 있다.
본 방법은 도파로 층을 적층하기 전에, 기판을 형성하기 위하여 웨이퍼상에 제 1 재료의 제 1 층을 적층시키는 단계를 더 포함한다. 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼를 포함한다. 제 1 층은 실리카가 기초가 된다.
실리콘에 기초한 도파로를 형성하는 단계는 적층된 도파로 층을 에칭하는 단계를 더 포함한다. 에칭은 적층된 도파로 층내에 리지(ridge) 구조를 형성하기 위한 방식으로 수행될 수 있다. 본 방법은 리지 구조의 에칭동안에 에치-스톱을 형성하기 위하여 제 2 재료의 제 2 층을 적층하는 단계를 더 포함한다. 따라서, 리지 구조의 높이는 에칭 공정의 균일성에 의존하여 더욱 정확히 제어될 수 있다.
본 방법은 도파로내의 굴절률 프로파일을 형성하기 위하여 적층된 도파로 층내의 굴절률을 변화하는 단계를 더 포함한다. 굴절률을 변화하는 단계는 적층된 도파로 층내에서 굴절률 변화를 유도하기 위해 적층된 도파로 층을 방사선에 노출시키는 단계를 포함한다.
실리콘 함유 재료는 불순물(dopant) 재료를 포함한다.
실리콘 함유 재료는 적층된 도파로 층이 비결정질 실리콘을 포함하도록 선택될 수 있다.
실리콘 함유 재료는 적층된 도파로 층이 비결정질 실리콘과 산화된 실리콘을 포함하도록 선택될 수 있다.
본 방법은 적층된 도파로 층을 결정화하는 단계(crystallising)와 다결정질의 도파로 층내에 도파로를 형성시키는 단계를 더 포함한다. 결정화하는 단계는 결정화된 도파로내의 조직(grain) 크기를 제어하기 위하여 제 1 재료내의 도파로 층의 적층동안에, 도파로에 혼합된 불순물을 이용하는 단계를 포함한다.
도파로를 형성하는 단계는 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)을 포함한다.
도파로를 형성하는 단계는 광섬유의 광 결합(coupling)을 위해 적층된 도파로의 일단부에 테이퍼(taper)를 형성하는 단계를 포함한다. 테이퍼를 형성하는 단계는 도파로의 일단부내에 적층된 도파로 층의 굴절률을 변화하는 단계를 포함한다. 일단부내의 굴절률을 변화하는 단계는 적층된 도파로 층의 제어된 산화를 포함한다. 제어된 산화는 적층된 도파로 층을 가열하기 위한 레이저를 포함한다.레이저는 CO2레이저를 포함한다.
본 방법은 적층된 도파로 층과 함께 집적되는 처리 엘리먼트를 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 기판상에 형성된 실리콘에 기초한 도파로 구조를 통합하는 광학 디바이스와 실리콘에 기초한 도파로 구조와 함께 형성되며 집적된 처리 엘리먼트를 제공하는 것으로 달리 정의될 수 있다.
처리 엘리먼트는 실리콘에 기초한 도파로 구조 내에 불순물 재료를 혼합하는 광검출기를 포함한다.
본 발명은 실리콘에 기초한 도파로를 광섬유에 결합하는 방법을 제공하는 것으로 다르게 정의될 수 있으며, 단부내에 실리콘에 기초한 도파로를 산화하는 단계를 포함하며, 실제로는 상기 단부는 광 결합을 위한 광섬유의 말단 상(end phase)에 인접하여 위치되며, 그리고 상기 산화는 굴절률 프로파일이 단부내에 생성되도록 제어되며, 굴절률은 단부의 외부 단에서 광섬유의 굴절률이 대체로 일치되도록 변화된다.
본 발명의 바람직한 형태는 이하의 도면을 참조하여 상술될 것이다.
도 1a에서, 실리콘 웨이퍼(10)는 이하에서 상술되듯이 고 광학 제한 도파로의 다양한 층의 연속적인 박막 증착을 위한 개시 기판이다.
도 1b의 경우, 제 1 단계로서, 실리카 버퍼층(12)은 플라즈마 강화 화학증착(PECVD)을 사용하고, 적당히 산화된 시레인 선구물질(precursor)을 사용하여 실리콘 웨이퍼(10)상에 적층된다. 실리카 버퍼층(12)은 통상적으로 이산화규소를 포함하며, 버퍼층(12)의 굴절률은 1.46이 된다(1.5 마이크로미터 파장에서).
다음으로, 도 1c에서 도시된 바와 같이, 비결정질 실리콘의 도파로층(14)은 시레인 선구물질로부터 PECVD를 다시 사용하여 적층된다. 그 결과로서 생기는 도파로층(14)의 굴절률은 PECVD 공정동안에 시레인의 제어된 산화에 의해서, 순수 비결정질 실리콘의 굴절률(1.5 마이크로미터 파장에서 3.6 내지 3.8)에서 이산화규소의 굴절률로(1.5 마이크로미터 파장에서 1.46) 조정될 수 있다. 이는 도파로층(14)의 재료 특성의 큰 범위를 허용하며, 고 광학 제한 도파로를 포함하는 디바이스를 위한 설계 융통성을 제공한다.
다음 처리 단계에서, 고 광학 제한 도파로를 이루는 비결정질 실리콘층내에서 리지(16)를 생성하기 위해 포토리소그라피와 반응성 이온 에칭이 사용된다. 리지(16)의 높이는 광학 제한의 정도를 결정하며, 리지(16)가 더 높을수록, 광학 제한은 더 높아진다(도 1d 참조).
최종적으로, 도 1e에서 도시된 바와 같이, 추가 실리카층(18)은 도파로 구조의 외부 클래딩을 형성하기 위하여 적층된다.
전술된 방법은 고 광학 제한 도파로 구조의 다양한 특성상의 제어를 허용한다는 것을 당해분야의 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
특성들은 전술한 바와 같이 실리콘-도파로층(14)의 굴절률상의 제어와 실리콘층(14)의 반도체 특성(예를 들면, 적절한 불순물을 통하여 조절될 수 있는 캐리어 수명시간)을 포함한다. 더욱이, 리지(16)의 두께/높이 뿐만 아니라 버퍼층(12와 18)의 두께와 구조물도 편리하게 제어될 수 있다.
실리콘층(14)의 굴절률은 예를 들면, 신속한 열적 어닐링(Rapid Thermal Annealing)(RTA)이나 레이저 가열을 포함하는 고온 처리에 의해, 적층된 비결정질 실리콘층(14)의 고체 상태 결정화를 통하여 더욱 변화된다. 결정화에 의해 야기된 입자의 형성이 최종 도파로의 접속 산란 손실을 가져올 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 실리콘층(12)의 반도체 특성을 제어하기 위해 필수적인 재결정화를 얻기 위해 필요한 고온이 과도한 입자 성장을 유도하지 않도록 입자 크기는 실리콘층의 적절한 도핑에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 한 실시예에서, 실리콘층(14)의 적층동안에 작은 양의 산소가 혼합될 수 있으며, 이는 800℃를 넘는 온도에서조차 입자 성장을 상당히 제한할 수 있다.
전술한 방법은 예를 들면, 실리콘에 기초한 열 광학 스위치(TOS)와 스위칭 매트릭스를 만드는데 활용될 수 있다. 실리콘의 열-광학 계수가 높더라도, SIMOX 처리에서 열적으로 높은 전도성 실리콘 기판으로부터 실리콘 도파로의 작은 열 분리가 성취될 수 있으므로, TOS를 실현시키는 것은 매우 어려웠다. 이는 SIMOX 처리에 의한 주입된 산소로부터 형성된 배리어 산화물층의 작은 두께의 결과이다.
전술한 본 발명의 실시예에서, 기판속에 산소의 주입에 의존하기보다는 박막 기술을 활용하기 때문에, 실리카 버퍼층(12)의 두께는 충분한 두께 범위로 편리하게 변화될 수 있다. 그러므로, TOS와 스위칭 매트릭스의 실리콘 기판속의 열 손실은 최소화될 수 있으며, 요구되는 열-광학 스위칭 파워가 감소된다.
전술한 방법은 다른 디바이스 구조, 예를 들면, 굴절률을 변화하기 위하여 전기적으로 제어되도록 배치된 처리 엘리먼트를 포함하는 디바이스의 구성에 활용될 수 있다. 그러한 처리 엘리먼트들은 예를 들면, 전자-광학 모듈레이터 디바이스나 위상 시프터 디바이스에 유용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 이점이 상술될 것이다.
실리콘에 기초한 광-전자기술에서 광을 광섬유에/로부터 결합시키는 것이 종종 요구된다. 통상적으로, 결합은 실리카 (섬유)와 실리콘 재료 시스템 사이의 광학 모드 불일치로 인하여 높은 손실이 발생한다. 이러한 문제의 한 해결책은 광학 재료 시스템의 광학 모드를 광섬유의 광학 모드로 확장시키기 위하여 단열 테이퍼링을 입력/출력 실리콘 도파로에 제공하는 것이다. 그러나, 이는 광학 회로의 간소화의 이점을 부분적으로 무효화시키는 방사 손실을 피하기 위하여 비교적 큰 테이퍼링 거리가 필요하다.
이제 도 2에 대해 살펴보면, 본 발명의 실시예에서, 실리콘 도파로(30)는 캐리어 기판(36)의 홈(미도시)내에 놓여있는 광섬유(34)에 모드 일치를 위하여 테이퍼된(점감된) 단부(32)를 포함한다. 본 실시예에서, 적층된 비결정질 실리콘 도파로(30)의 제어된 산화는 요구된 테이퍼링(32)의 길이를 감소하기 위하여 활용된다. 레이저 빔(38)은 비결정질 실리콘도파로(30)의 테이퍼된 단부(32)에 국부적으로 주사되어, 그 영역내의 비결정질 실리콘을 산화시키며, 그 결과 그 영역에서의 굴절률을 실리카의 굴절률로 감소시킨다. 이는 요구된 테이퍼링(32)의 길이의 감소를 허용한다. 본 실시예에서, CO2레이저가 사용되지만, 비결정질 실리콘을 국부적으로 산화하기 위하여 다른 레이저가 사용될 수 있을 것이다.
테이퍼된 영역(32)에서 굴절률 프로파일은 산화 정도를 제어함에 의해 성취될 수 있으며, 이는 레이저 펄스 주파수와 노출 지속시간에 의존할 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 게르마늄 도핑된 실리콘 도파로층의 적층은 도파로 내에서 신호 수신 기능을 통합하는 것을 허용할 적외선 흡수를 유도하도록 허용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 집적된 능동 및 수동 회로 소자를 제공할 수 있다.
특정한 실시예에서 도시된 바와 같이, 본 발명은 상술된 발명의 의도나 범주를 벗어나지 않으면서 많은 변화 및/또는 수정이 가능하다는 것을 당해분야의 당업자는 알 수 있을 것이다. 그러므로, 본 실시예는 예시적인 모든 면이 고려되며, 제한되지 않는다.
이하의 청구범위와 발명의 요약에서, 문맥이 언어나 필요한 함축을 표현하기 위하여 필요한 곳을 제외하고는, "포함하는(comprising)"이란 단어는 "구비하는 (including)"의 의미로 사용된다 즉, 특정된 특징들은 본 발명의 다양한 실시예에서 추가의 특징과 결합될 수 있다.
Claims (25)
- - 기판상에 실리콘 함유 재료의 도파로층을 적층함으로써 기판상에 실리콘에 기초한 도파로를 형성하는 단계를 포함하며,상기 도파로의 굴절률이 상기 기판의 굴절률보다 더 크도록 상기 재료가 선택되는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한(confinement) 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 도파로층을 적층하기 전에 상기 기판을 형성하기 위하여 웨이퍼상에 제 1 재료의 제 1 층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서,상기 제 1 층은 실리카에 기초한 것임을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,상기 실리콘에 기초한 도파로를 형성하는 단계가 적층된 도파로층을 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 에칭하는 단계는 적층된 도파로층 내에 리지(ridge)를 형성하도록 실행되는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,상기 방법은 리지 구조의 에칭동안에 에치-스톱을 형성하기 위하여 제 2 재료의 제 2 층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서,상기 방법은 도파로내의 굴절률 프로파일을 형성하기 위하여 적층된 도파로층내의 굴절률을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 굴절률을 변화시키는 단계는 상기 적층된 도파로층내의 굴절률 변화를유도하기 위하여 상기 적층된 도파로층에 방사선을 비추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서,상기 실리콘 함유 재료는 불순물(dopant) 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서,상기 실리콘 함유 재료는 상기 적층된 도파로층이 비결정질 실리콘을 포함하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 실리콘 함유 재료는 상기 적층된 도파로층이 비결정질 실리콘과 산화된 실리콘을 포함하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 12항중 어느 한 항에 있어서,상기 방법은 상기 적층된 도파로층을 결정화하는 단계 및 상기 다결정질 도파로층내에 도파로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 결정화 단계는 상기 결정화된 도파로내의 입자 크기를 제어하기 위하여 상기 실리콘 함유 재료 내에 도파로층을 적층하는 동안에, 도파로속에 혼합된 불순물을 활용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 14항중 어느 한 항에 있어서,상기 도파로를 형성하는 단계는 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 15항중 어느 한 항에 있어서,상기 도파로를 형성하는 단계는 광섬유의 광 결합을 위하여 적층된 도파로의 단부내에 테이퍼를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 테이퍼를 형성하는 단계는 상기 도파로의 단부내에 적층된 도파로의 굴절률을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 17항에 있어서,단부내의 굴절률을 변화시키는 단계는 상기 적층된 도파로층의 제어된 산화를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 18항에 있어서,상기 제어된 산화는 상기 적층된 도파로층을 가열시키기 위한 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 19항에 있어서,상기 레이저는 CO2레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 1항 내지 제 20항중 어느 한 항에 있어서,상기 방법은 상기 적층된 도파로층과 함께 집적되며, 그 안에 광학 신호 처리 엘리먼트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 22항에 있어서,상기 처리 엘리먼트는 상기 실리콘에 기초한 도파로 구조내에 불순물 재료를 혼합하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- 제 22항에 있어서,상기 처리 엘리먼트는 굴절률을 변화시키기 위하여 전기적으로 제어되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고 광학 제한 도파로 구조 형성 방법.
- - 실제로, 광 결합을 위하여 광섬유의 말단 상에 인접하여 위치하는 일단부 내에 실리콘에 기초한 도파로를 산화하는 단계를 포함하며,상기 산화단계는 상기 단부내에 굴절률 프로파일이 생성되도록 제어되며, 상기 굴절률은 상기 단부의 외부단에서 광섬유의 굴절률과 대체로 일치하도록 변화되는 것을 특징으로 하는 실리콘에 기초한 도파로를 광섬유에 결합시키는 방법.
- 기판상에 형성된 기판상의 실리콘에 기초한 도파로 구조를 포함하는 광 디바이스로서, 상기 실리콘에 기초한 도파로 구조와 함께 집적되며, 형성된 처리 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 디바이스.
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