KR20020047478A - 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법 - Google Patents

유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법 Download PDF

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Abstract

식각으로 광도파로의 패턴을 형성할 때 C2F6가스만을 사용하는 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법이 개시된다. 상기 제조방법은 기판 상에 하부덮개층과 코어층을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 코어층 상에 금속재의 식각용 마스크층을 증착하는 단계와, 상기 마스크층상에 감광막을 도포하고 전사하여 광도파로의 형상과 대응되는 형상의 패턴을 형성한 후, 상기 패턴이 형성되지 않은 상기 마스크층을 제거하는 단계와, 하부전극과 상기 하부전극과 대향되게 상기 하부전극의 상측에 위치된 유도결합형 플라즈마코일을 가지며 반응가스로 C2F6만이 주입된 유도결합형 플라즈마장치 내에서 상기 마스크층의 패턴으로 덮이지 않은 영역의 코어층을 식각하여 광도파로를 제작하는 단계와, 상기 광도파로를 덮는 상부덮개층을 증착하는 단계를 수행한다. 상기 제조방법은 생산성 및 수율이 향상된다.

Description

유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법 {FABRICATING METHOD OF OPTICAL WAVEGUIDE USING INDUCTIVELY COUPLED PLASMA ETCHER}
본 발명은 광도파로 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 식각으로 광도파로의 패턴을 형성할 때 C2F6가스만을 사용하는 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법에 관한 것이다.
초고속 광통신망에서 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자인 광도파로는 광분배기, 광결합기, 모듈레이터, 스위치 간섭계 형태의 소자, 반도체 배열 레이저, 평판형 파장 다중화 소자(Wavelength Division Multiplexing) 등에서 폭넓게 이용되고 있다. 상기와 같이 다양한 분야에서 사용되는 광도파로의 특성은 산란손실 및 편광손실을 최소화시켜야만 향상시킬 수 있다.
종래의 광도파로를 제조하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 종래의 광도파로 제조방법을 보인 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 단계(S10)에서는 화염가수분해증착(FHD:Flame Hydrolysis Deposition)법으로 실리콘 또는 석영 기판 상에 실리카 미립자를 순차적으로 증착하여 하부덮개층(Underclading Layer)과 코어층(Core Layer)을 형성한다. 화염가수분해증착법의 경우에는 하부덮개층과 코어층을 투명한 유리막으로 변환시키기 위한 고밀화 열처리공정을 수행한다. 이때, 고밀화 열처리공정은 하부덮개층을 증착한 후와 코어층을 증착한 후에 각각 수행할 수도 있다. 코어층 형성시에는 실리카 미립자에 게르마늄이나 인을 부가적으로 첨가하는데, 이는 코어층의 굴절률을 하부덮개층 및 상부덮개층의 굴절률 보다 약 0.25-2.5%정도 높게 하여 광이 도파로를 따라 도파되게 하기 위함이다.
그후, 단계(S20)에서는 광도파로의 패턴을 형성하기 위하여 코어층 위에 식각용 마스크층을 증착하고, 단계(S30)에서는 광 감광제로 마스크패턴을 형성한다. 다음에는, 식각을 통해 광도파로의 패턴을 구현하고(S40), 식각용 마스크층을 제거 한 다음(S50), 상부덮개층(Overclading Layer)을 증착하여 광도파로를 완성한다.
전술한 광도파로 제조공정 중, 식각을 통해 광도파로의 패턴을 형성하는 공정은 10미크론 이상의 후막 실리카 식각공정이 필수적이다. 상기 식각공정은 식각 마스크와의 높은 선택비, 높은식각률, 저손실의 광도파로를 형성하기 위한 수직한 단면 및 광 산란손실을 줄이기 위한 광도파로 측면의 조도 최소화가 요구된다.
광도파로의 패턴을 식각하는 종래의 방법에는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 방법, 또는 CF4가스를 사용하여 1012이상의 고밀도 플라즈마를 발생시켜 식각하는 유도결합 플라즈마(ICP:Inductively Coupled Plasma) 방법이 있다.
상기 반응성 이온 식각방법은 식각특성은 우수하나, 낮은 선택비로 인해 Cr, Al 등의 금속으로 된 두꺼운 마스크층을 필요로 할 뿐만아니라 식각 속도 또한 300-500Å/min 정도로 매우 낮다. 그러므로, 8-10미크론 이상의 깊이를 갖는 광도파로를 형성하기 위해서는 장시간이 소요된다.
상기 식각 반응 가스로 CF4를 사용하는 유도결합 플라즈마 식각방법은 식각속도는 빠르나, 코어층과 식각 마스크층과의 낮은 선택비로 인해 5000-8000Å의 두꺼운 마스크층을 사용하기 때문에 도파로 패턴의 해상도가 저하되어 수직도가 나빠진다. 그러면, 추후에 광도파로의 수직도도 나빠지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, CHF3, H2등의 가스를 혼합하여 식각 공정을 행하는 방법이사용되고 있으나, 이는 마스크층과의 식각 선택비를 높일 수는 있으나 과도한 폴리머가 발생되는 단점이 있다. 그러면, 식각 공정 후에 표면의 오염이 발생하여 상부덮개층을 형성할 때 코어층과 상부덮개층의 계면에 부분적인 접합 불량이 발생한다. 이로인해, 상부덮개층 형성 시에 기공이 발생하여 제조된 소자를 폐기시켜야 하므로, 생산성이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 C2F6가스만을 사용한 유도결합형 플라즈마를 이용하여 광도파로를 식각하므로써, 제조시간을 단축할 수 있음은 물론 생산성을 향상시킬 수 있는 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 광도파로 제조방법을 보인 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 제조방법을 보인 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로를 제조하기 위한 유도결합형 플라즈마장치의 개략적인 반은메카니즘 구성을 보인 도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
45 : 플라즈마65 : 유도결합형 플라즈마코일
95,70 : RF1,RF290 : 하부전극
100 : 기판200 : 하부덮개층
300 : 상부덮개층350 : 광도파로
400 : 마스크층450 : 패턴
500 : 상부덮개층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법은, 기판 상에 하부덮개층과 코어층을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 코어층 상에 금속제의 식각용 마스크층을 증착하는 단계; 상기 마스크층상에 감광막을 도포하고 전사하여 광도파로의 형상과 대응되는 형상의 패턴을 형성한 후, 상기 패턴이 형성되지 않은 상기 마스크층을 제거하는 단계; 하부전극과 상기 하부전극과 대향되게 상기 하부전극의 상측에 위치된 유도결합형 플라즈마코일을 가지며 반응가스로 C2F6만이 주입된 유도결합형 플라즈마장치 내에서 상기 마스크층의 패턴으로 덮이지 않은 영역의 코어층을 식각하여 광도파로를 제작하는단계; 상기 광도파로를 덮는 상부덮개층을 증착하는 단계를 수행한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로 제조방법을 보인 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광도파로를 제조하기 위한 유도결합형 플라즈마장치의 개략적인 반응메카니즘 구성을 보인 도이다.
도시된 바와 같이, 단계(S110)에서는 화염가수분해증착법으로 실리콘 또는 석영 기판(100) 상에 하부덮개층(200)과 코어층(300)을 증착한 다음, 1200℃ 이상의 고온에서 고밀화 열처리를 하여 투명한 실리카 하부덮개층(200)과 코어층(300)을 형성한다. 이때, 고밀화 열처리는 하부덮개층(200) 증착 후와 코어층(300) 증착 후에 각각 나누어 실시할 수도 있다. 그리고, 실리카 미립자를 증착하여 제조하는 코어층(300)의 형성시에는 게르마늄(Ge)이나 인(P)을 부가적으로 첨가한다. 이는 코어층(300)의 굴절률을 하부덮개층(200) 및 후술할 상부덮개층(500)의 굴절률 보다 약 0.25-2.5% 정도 높게 하여, 광이 후술할 광도파로(350)를 따라 도파될 수 있도록 하기 위함이다.
그후, 단계(S120)에서는 코어층(300) 위에 식각용 마스크층(400)을 증착한다. 즉, 하부덮개층(200)과 코어층(300)을 순차적으로 형성한 후, 코어층(300) 위에 식각을 위한 마스크층(400)을 형성한다. 마스크층(400)은 일반적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al) 등과 같은 금속층, 비정질 실리콘의 유전체층 및 포토레지스트와 같은 폴리머층 등이 사용된다. 그러나, 본 실시예에서는 선택비 면에서가장 우수한 크롬(Cr) 금속층을 마스크층(400)으로 사용한다. 더 상세하게는, 크롬(Cr) 금속층인 마스크층(400)을 스퍼터링 장치(Sputtering System)를 이용해서 600W-1000W의 RF 파워를 인가하여 1500-3000Å 정도의 두께로 증착한다. 이때, 금속 마스크층의 두께는 형성하고자 하는 코어층(300)의 재질 및 두께, 식각 공정시의 선택도 등을 고려하여 달리 형성 할 수 있으나, 얇은 두께의 금속 식각 마스크층을 사용하는 것이 광도파로의 해상도향상, 공정시간의 단축, 품질 및 생산성 향상에 바람직하다.
단계(S130)에서는 마스크층(400) 위에 스핀 코팅(Spin Coating)법으로 광 감광막을 도포한 다음, 노광마스크를 이용하여 광 감광막과 마스크층(400)에 사진 현상법과 습식식각(Wet-Etch)법으로 전사(Transfer)하여 광도파로의 2차원 평면 형상의 패턴을 형성한다. 마스크층(400)에 광도파로 패턴(450)을 형성하기 위하여 습식 식각법을 이용하여 5000-8000Å의 두꺼운 마스크층을 식각할 경우, 등방성 식각 특성 때문에 마스크층 측면의 과도한 식각으로 인한 선폭 감소가 발생되어 수직도가 나빠진다. 이는 다음 공정인 코어층 식각 시, 측면의 조도 조절 및 사각형의 수직한 광도파로 형성에 장애가 된다. 이때 과도한 도파로(350) 측면 거칠기 및 형상의 변형은 광 전송시 손실의 직접적인 원인이 된다. 따라서 마스크층(400)은 코어의 식각 시 코어층(300)과의 선택도를 높여 최소한의 두께를 가지고 패턴(450)을 형성하는 것이 설계상의 공정 오차를 줄일 수 있는 매우 중요한 요소이다.
단계(S140)에서는 유도결합형 플라즈마장치를 이용하여 마스크층의 패턴(450)으로 덮이지 않은 영역의 코어층을 식각하여 사각형의 광도파로(350)를제작한다.
상기 유도결합형 플라즈마장치는, 도 2에 도시한 바와 같이, 로드락(Loadlock:미도시), Main 챔버(75), 하부전극(90), 하부전극(90)과 대향되게 하부전극(90)의 상측에 설치된 유도결합형 플라즈마코일(65), 하부전극(90) 및 유도결합형 플라즈마코일(65)에 RF 파워를 각각 인가하는 RF1(95) 및 RF2(70) 발생장치 등을 가진다. 음극인 하부전극(90)과 대향되게 상부에 유도결합형 플라즈마코일(65)을 설치하고, 하부전극(90)과는 별도로 RF 파워를 인가함으로써 고밀도의 플라즈마를 형성하면서 기판에 입사되는 이온의 에너지를 조절할 수 있다. 이는 종래의 반응성이온 식각장치와는 차별화되는 특징적인 구성이다.
도 2에 도시된 유도결합형 플라즈마장치에 의하여 식각으로 광도파로의 패턴이 형성되는 방법을 설명한다. 반응기(75) 속으로 C2F6의 반응가스를 주입하고 상부의 유도결합형 플라즈마코일(65)에 RF2(70) 파워를 인가한다. 그러면, 유도된 전장에 의해 가속된 전자와 C2F6분자의 충돌에 의해 플라즈마(45)가 형성된다.이러한 플라즈마(45)에는 C, CFx, F, F+, CFx +등 다수의 래디칼과 이온들이 존재하고, 하부전극(90) 위에 놓인 웨이퍼(80)로 래디칼과 이온(45)들이 이동하여 화학반응 및 물리적 충돌에 의해 SiF4 ,CF4, C0, CO2, COF2등을 형성하여 배출됨으로써 식각이 진행된다.
유도결합형 플라즈마장치를 이용하여 마스크층의 패턴(450)으로 덮이지 않은영역의 코어층을 식각하여 사각형의 광도파로(350)를 제작하는 본 실시예에서의 공정순서 및 조건을 설명한다.
마스크 패턴(450)이 형성된 기판(100)을 유도결합형 플라즈마장치의 하부전극(90) 위에 탑재한다. 그리고, 반응가스인 C2F6를 유도결합형 플라즈마장치에 주입하여 식각공정을 수행하기에 앞서, 마스크 패턴(450) 형성시, 사진식각공정 후에 완전히 제거되지 않고 남아 있을 수 있는 광 감광제의 제거를 위해 산소플라즈마를 이용한 폴리머 제거공정을 수행한다. 이때, 유도결합형 플라즈마코일(65)에는 600-1000W, 하부전극(90)에는 10-50W의 RF 파워를 인가하고, 공정압력은 10-30mTorr를 유지하면서 고밀도의 산소플라즈마를 형성시켜 5-10분 동안 폴리머 제거공정을 수행한다. 이는, 식각공정 후, 과도한 폴리머로 인한 상부덮개층 형성시 기공 등의 결함발생 요인을 제거하여 수율을 향상시키기 위함이다. 또, 별도의 Asher 장비 없이, 코어층(300) 식각공정 직전에 본 실시예에 따른 유도결합형 플라즈마장치내에서 작업이 가능하다. 그리고, 광도파로 식각공정은 C2F6가스만을 이용하여 수행한다. 이때, 반응가스인 C2F6는 대략 10-60sccm(Square Cubic ㎝)의 흐름 조건으로 챔버(75)에 공급되고, 챔버의 내부 압력은 3mTorr-25mTorr로 유지된다. 또한, 하부전극(90)에는 50-150W, 상부의 유도결합형 플라즈마코일(65)에는 100W-1500W의 RF 파워가 인가된다.
본 실시예에서는 식각 반응가스로 CF4에 비해 낮은 F/C 비율의 C2F6를 이용하여 도파로 식각을 수행함으로써, CHF3, H2등의 첨가 가스를 사용하지 않고도 70:1 이상의 높은 선택비를 얻어 충분히 얇은 금속 마스크층으로도 8-10미크론 이상의 식각 깊이를 갖는 광도파로를 식각할 수 있다. 그러므로, 마스크층(400)의 증착공정, 마스크 패턴(450)의 식각공정, 및 마스크 제거공정 등의 시간을 단축할 수 있으므로 광도파로의 생산성을 증대시킬 수 있다.
단계(S150)에서는 광도파로를 식각한 후 금속 마스크층 패턴(450)을 제거한다. 금속 마스크층 패턴(450)을 제거하기 전에 산소플라즈마를 이용한 Ashing 공정을 재차 실시하는데, 이는 광도파로 식각 공정 후 발생하는 C-C 및 CFx 계열의 폴리머층을 제거하여 수율을 향상시키기 위함이다.
단계(S160)에서는 하부덮개층(200)의 제작 공정과 유사하게 상부덮개층(500)을 증착하고, 고밀화 열처리를 하여 광도파로(350)를 완성한다.
이상에서 설명하듯이 본 발명에 따른 유도결합형 플라즈마 식각장치를 이용한 광도파로 제조방법은, C2F6가스만을 사용한 유도결합형 플라즈마장치를 이용하여 코어를 식각함으로써, CHF3, H2등의 첨가 가스를 사용하지 않고도 70:1 이상의 높은 선택비를 얻을 수 있다. 그러므로, 공정 변수를 줄일수 있어 안정된 공정조건을 확립할 수 있고, 충분히 얇은 금속 마스크층으로도 8-10미크론 이상의 식각 깊이를 가지는 양호한 측면 거칠기 및 수직도를 갖는 광도파로의 형성할 수 있다. 이로인해, 제조시간이 단축되어 생산성이 향상된다.
또한, C2F6를 이용한 주공정 수행 전후에, 마스크 패턴 형성시의 사진 식각공정 후에 완전히 제거되지 않고 남아 있을 수 있는 광감감제 및 식각공정 후 발생하는 C-C 및 CFx 계열의 폴리머층의 제거를 유도결합형 플라즈마 식각장치에서 수행할 수 있으므로, 상부덮개층 형성시 기공 등의 결함 발생 요인을 사전에 제거하게 되어 수율이 증대된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경 및 부가 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 하부덮개층과 코어층을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 코어층 상에 금속제의 식각용 마스크층을 증착하는 단계;
    상기 마스크층상에 감광막을 도포하고 전사하여 광도파로의 형상과 대응되는 형상의 패턴을 형성한 후, 상기 패턴이 형성되지 않은 상기 마스크층을 제거하는 단계;
    하부전극과 상기 하부전극과 대향되게 상기 하부전극의 상측에 위치된 유도결합형 플라즈마코일을 가지며 반응가스로 C2F6만이 주입된 유도결합형 플라즈마장치 내에서 상기 마스크층의 패턴으로 덮이지 않은 영역의 코어층을 식각하여 광도파로를 제작하는 단계;
    상기 광도파로를 덮는 상부덮개층을 증착하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속제의 식각용 마스크층은 Cr이며, 상기 Cr은 스퍼터링장치로부터 600W-1000W의 RF 파워를 인가받아 증착되는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부전극 및 유도결합형 플라즈마코일에는 별도의 RF 파워가 인가되고, 상기 유도결합형 플라즈마장치는 3-25mTorr의 압력을 유지하여, 1012이상의 고밀도의 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광도파로를 형성하는 단계를 수행하기 전에 상기 유도결합형 플라즈마장치 속에 산소를 주입하여 상기 패턴 형성시 발생된 포토레지스트를 제거하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광도파로 제조단계 후에는, 상기 광도파로 제조시 발생된 C-C 및 CFx 계열의 폴리머층 제거하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 광도파 제조방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유도결합형 플라즈마장치는 10-30mTorr의 압력을 유지하며 1012이상의 산소 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 하는 광도파로 제조방법.
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