KR20040032193A - 정전접합을 이용한 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법 - Google Patents

정전접합을 이용한 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 어레이 블록의 제조방법에 관한 것으로서, V-홈이 형성된 하부기판과, V-홈에 안착되는 광섬유와, 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법에 있어서, 상, 하부기판의 접합방법은 V-홈에 광섬유가 안착된 상태로 상, 하부기판을 정렬시키고 상, 하부기판에 전압을 가하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법.

Description

정전접합을 이용한 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법{Optical fiber array block using the electrostatic bonding and the method thereof}
본 발명은 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유의 정렬은 두 광섬유들의 접속이나 광소자의 광도파로와 광섬유의 접속 등의 광섬유 접속을 하기 전에 행해지는 것으로서, 광섬유의 정렬 상태는 통과하는 광신호의 품질에 상당한 영향을 미치므로 매우 정밀한 작업이 요구된다.
그런데, 광섬유는 통상 그 직경이 매우 작으므로, 광섬유만으로 정밀한 정렬을 수행한다는 것은 거의 불가능하다. 따라서 광섬유들을 단면적이 큰 블록에 실장하고, 이러한 블록들을 정렬하는 방식을 통상 취하고 있다. 이러한 블록으로는 상부면에 광섬유를 안착시킬 수 있는 'V'자 형태의 긴 홈을 다수개 구비한 V-홈 어레이 기판(V-groove array base plate)을 이용하는 광섬유 어레이 블록이 통상적으로 이용된다.
이러한 광섬유 어레이 블록은 통상 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 습식 식각(wet etching)하여 V-홈을 형성함으로 상기 V-홈 어레이 기판을 형성하고, V-홈 어레이 기판의 V-홈에 광섬유를 안착하고, 그 위에 덮개(cover glass 등)를 붙여 제작된다.
V-홈 어레이 기판의 상부면에는 V 자형의 홈이 다수개 형성된다. 이때 V-홈 어레이 기판에 실장되는 광섬유를 V-홈에 밀착하면서 고정하는 작업이 필요하다. 광섬유들은 초기 제작될 때부터 통상 원통형의 스풀(spool)에 감겨지기 때문에 어느 정도의 굴곡이 있게 되며, 이와 더불어 정렬 작업시 움직일 가능성을 배제할 수 없기 때문에, 광섬유의 밀착 및 고정 작업은 필수적이라 할 수 있다.
광섬유의 고정 방법은 먼저 V-홈 어레이 기판에 광섬유들을 안착하고, 광섬유와 V-홈 어레이 기판의 상부면에 접착제를 충분히 도포한다. 이후 유리 재질의 덮개를 접착제 위에 올려놓은 후 적절한 압력으로 덮개를 누르며 접착시킨다. 이때 덮개에 가한 압력이 과도하여 덮개가 광섬유에 접촉되거나, 압력이 약하여 광섬유가 V-홈 어레이에 밀착되지 못하고 뜨는 현상이 발생하지 않도록 주의하여야 한다.
한편, 광섬유 어레이 블록의 경우에 있어서, 상기 접착제로서는 여러 가지가 사용된다. 예컨대, 폴리머 계통의 에폭시(epoxy)나 UV용 접착제 등이 사용된다. 그런데, V-홈 어레이 기판과 광섬유 및 덮개를 접합할 때 접착제로 사용되는 에폭시는 접합되는 물질과 열팽창 계수가 다름으로 인하여, 광섬유 어레이 블록의 사용환경에서 온도의 변화가 반복됨에 따라 노화(aging)되어, 접착부위가 분리(delaminating)되는 경우가 발생하는 등 부품의 신뢰성에 문제점이 있다.
한편, 광섬유 어레이 블록의 접착에 사용되는 UV용 접착제는 점도 선택이 자유롭기 때문에 광섬유 어레이 기판과 같이 아주 작은 틈 사이로 접착제가 들어가는 제품에 적용하기 쉽다는 장점이 있다. 즉, 점도 1000 cps 이하로 접착제를 제조할 수 있어서 틈 간격이 수 십 ㎛ 정도로 아주 작은 접합부에 모세관 현상을 이용하여 투입할 수 있다는 것이다. 또한, UV로 경화함으로 접착 공정의 시간을 대폭 줄이는 효과가 있어 생산성에도 큰 장점에 있다. 그러나 UV 접착제는 광섬유 주위에 기포가 생기는 현상과 광섬유와 동체를 이루어야 하는 접착제가 분리되어 이탈되는 현상 등 제품의 신뢰성에 직접적으로 영향을 주는 불량 원인들이 경향성 없이 발생되는 단점이 있다. 더군다나 제조 공정 및 완제품 검사에서 통과된 제품 마저 시간이 지남에 따라 접착율의 저하가 나타나는 심각한 문제점을 가지고 있어서 생산 수율뿐만 아니라 제품 신뢰도에서도 문제점이 있다.
또한, V-홈 어레이 기판과 광섬유사이의 접착제 특성을 극대화하기 위해 세정 공정을 여러 단계에서 다양한 용액과 방법으로 철저하게 관리하며 기판 표면에 커플링제를 첨가하는 등 여러 가지 방법들을 강구하고 있다. 실제적으로 접착제가 투입되는 공정에서는 수십 마이크론의 작은 틈 사이에 접착제를 투입해야 하므로 여러 가지 치구류들을 사용하여 모든 것을 수 작업으로 진행해야 하고 경화 조건 또한 접착제 특성에 따라 다르게 조절되어야 한다. 이러한 제조 공정은 작업자의 수 작업 능력에 상당히 의지해야 하므로 숙달된 기능 인력을 길러내는데 오랜 시간과 자금이 소요될 뿐만 아니라 자동화되지 않아 생산성이 저하되고 안정된 제품 품질을 얻는데 문제점을 가지고 있다.
특히, 광섬유 어레이 블록은 차세대 광전송 방식인 DWDM 시스템의 파장 분할 소자인 Mux/Demux(AWG chip)의 입력단과 출력단에 사용되는 부품으로서 고성능 신뢰성과 서브-마이크론(Sub-micron)의 정교한 정렬 오차를 요구하는 제품이다. 그러나, 상기와 같은 현재의 접착제로는 신뢰성 부문등을 충족하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상당히 우수한 접착특성을 나타내는 정전접합을 이용한 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 V-홈의 형성단계를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 제조를 위한 정전접합의 방법을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 제조를 위한 정전접합의 원리를 나타낸 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 하부기판 10a : V-홈
20 : 광섬유 30 : 상부기판
40 : 음극 50 : 양극
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법에 있어서, 상기 상, 하부기판의 접합방법은 상기 V-홈에 광섬유가 안착된 상태로 상기 상, 하부기판을 정렬시키고 상기 상, 하부기판에 전압을 가하여 접합시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 기판은 유리나 실리콘 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상, 하부기판의 접합방법은 대기압 상태나 진공상태에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상, 하부기판의 접합방법은 상기 상, 하부기판사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 특징은, V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록에 있어서, 상기 광섬유는 상기 V-홈과 상부기판으로 형성되어 있는 닫힌 삼각형의 3면에 접촉되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부기판은 유리나 실리콘 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상, 하부기판은 열팽창계수가 서로 동일한 것을 특징으로 한다.또한, 상기 상, 하부기판사이에 SiO2층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상, 하부기판 및 광섬유사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 특징은, V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록에 있어서, 상기 상, 하부기판 및 광섬유사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록은 V-홈이 형성된 하부기판(10)과, 상기 V-홈(10a)에 안착되는 광섬유(20)와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판(30)을 포함한다.
하부기판(10)에 형성되어 있는 V-홈(10a)은 반도체 제조 공정에서 사용되는 습식 식각 기술을 이용하여 형성된다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 V-홈의 형성단계가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 우선, V-홈(10a)이 형성되는 하부기판(10)으로는 유리나 실리콘 재질의 기판을 사용한다. 하부기판(10)의 상면에 식각용액에 잘 견디는 마스크층(11)으로 Si3N4를 스퍼터링(Sputtering)으로 증착시켜 형성한다(S10). 다음으로 마스크층(11) 위에 감광막(13)을 도포한다(S20). 다음으로 노광마스크(15)를 이용하여 자외선(UV)을 감광막(13) 위에 조사하고(S30), 감광막(13)을 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다(S40). 그 후에 V-홈 식각용 마스크 패턴을 마스크층(11)에 형성하고(S50), 남아있는 감광막(13)을 제거한다(S60). 그리고 이방성 식각법으로 하부기판(10)상에 V-홈(10a)을 형성한 다음(S70), 최종적으로 상면의 마스크층(11)을 제거한다(S80).
광섬유(20)와 같은 원 형태의 고정 구조는 3점으로 지지하는 구조가 가장 안정하므로 V자 형태의 홈(V-홈)(10a)을 형성하여 그 안에 광섬유(20)를 위치시키고 위에 상부기판(30)으로서 고정하여 구현하는 것이 바람직하다. 따라서, 광섬유(20)는 V-홈(10a)과 상부기판(30)으로 형성되어 있는 닫힌 삼각기둥의 3면에 접촉되어 있다. 즉, 하부기판의 V-홈(10a)의 2면과 상부기판(30)의 1면이 닫힌 삼각기둥을 형성하고, 그 삼각기둥의 3면에 광섬유의 원주면(20a)이 접한다. 이 경우에 V-홈(10a)에 안착된 광섬유(20)가 하부기판의 상면위로 돌출되지 않도록 V-홈(10a)이 형성되어 있으므로 상, 하부기판의 접합부에는 간격이 없고 완전히 밀착된 상태이다.
또한 광통신 부품으로 사용되기 위해선 광섬유 정렬 오차가 ±0.5 (㎛) 이하이어야 하므로 V-홈(10a)은 정렬 오차가 ±0.3 (㎛) 이하가 되도록 제조되어야 한다.
상기 상, 하부기판의 접합에는 정전 접합 방법을 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 상, 하부기판의 접합방법을 이하에서 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3c에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 어레이 블록의 제조를 위한 정전접합의 방법이 도시되어 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 우선, 위에서 설명한 V-홈(10a)이 형성된 하부기판(10)에 광섬유(20)를 안착시킨다. 광섬유(20)의 원주면(20a)이 V-홈의 2면 및 상부기판의 1면과 접촉될 수 있도록 광섬유(20)가 안착된다. 즉, 하부기판의 V-홈(10a)의 2면과 상부기판(30)의 1면이 닫힌 삼각기둥을 형성하고, 그 삼각기둥의 3면에 광섬유의 원주면(20a)이 접할 수 있도록 한다. 이는 광섬유(20)의 지름을 조절하거나 하부기판의 V-홈(10a)의 크기를 조절함으로써 가능하다.
다음으로 도 3b에 도시된 바와 같이, 광섬유(20)가 안착된 하부기판(10)의 상면을 상부기판(30)으로 덮는다. 이 경우에 V-홈(10a)에 안착된 광섬유(20)가 하부기판의 상면위로 돌출되지 않도록 V-홈(10a)이 형성되었으므로 상, 하부기판의 사이에는 간격이 없게 되어 완전히 밀착된다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 정전접합 방법을 이용하여 상, 하부기판을 접합시킨다. 즉, 상부기판(30)에는 음극(40)을 연결하고, 하부기판(10)에는 양극(50)을 연결하여 전압을 인가한다.
정전 접합 (Field Assisted Bonding, Electrostatic Bonding) 방법은 기본적으로 열과 전압을 이용하여 유리와 실리콘을 접합하는 방법이다. 즉 고온에서 표면 처리된 유리 기판(상부 기판, 30)과 실리콘 기판(하부 기판, 10)에 전압을 가함으로써 유리 구성 성분 중의 하나인 산화 나트륨(Na2O)을 이온화시킨다. 이 경우 실리콘 기판에는 양극(50)이 연결되고, 유리 기판에는 음극(40)이 연결된다. 따라서, 실리콘 기판과 유리 기판과의 경계면(70)에서 강한 정전기력이 발생하여 기판을 밀착시키게 되는데, 도 4에 도시된 바와 같이 경계면(70)에서는 유리 기판의 산소 원자와 실리콘 기판의 실리콘 원자 사이에 Si-O-Si의 화학적 결합을 형성하여 완벽한 접합을 이루게 된다.
이러한 정전 접합 방법의 원리를 상세히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이는 고온과 전계의 영향하에서 유리의 구성 성분중의 하나인 산화 나트륨 (Na2O)을 식 (1), (2) 와 같이 이온화시키고, 실리콘 기판과 유리 기판과의 경계면(70)에서 나트륨이온이 공핍되어 유리 기판 내부에 형성된 음전하의 공핍층과 실리콘 기판에 형성된 양전하층 사이에 강한 정전기력이 발생하여 식 (3)과 같이 유리 기판의 산소원자와 실리콘 기판의 실리콘 원자 사이에 Si-O-Si의 화학적 결합을 형성한다.
2Na2O → 4Na++ O2+ 4e------------ (1)
2Na2O + 2H+→ 4Na++ 2OH------------ (2)
Si + 2O2-→ SiO2----------- (3)
위와 같은 화학적 분자 결합은 기존 접착 방식인 접착제에 의한 접착 방식보다 상당히 우수한 접착 특성을 나타낸다.
한편, 하부기판(10)의 재질이 실리콘 웨이퍼일 경우 열팽창 계수는 32.5×10-7/℃이므로 접합되는 상부기판(30)은 이 계수와 상응한 재질을 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 상, 하부기판은 열팽창계수가 서로 동일하거나 거의 일치하는 것이 바람직하다. 만약 이 보다 더 큰 계수의 재질을 접합한다면 유리 기판에는 장력이 작용되고 실리콘 기판에는 압축 응력이 잔류응력으로 남아 중대한 결함인 크랙 현상이 발생하게 된다. 따라서, 접합되는 기판은 열팽창 계수 뿐만 아니라 재질에 포함된 화학 구성 성분까지 일치하는 것이 바람직하다.
한편, 접합되는 상, 하부기판(30, 10)은 유리 기판 대 실리콘 기판뿐만 아니라 유리 기판 대 유리 기판의 접합까지 확대 가능하다.
즉, V-홈이 형성된 실리콘 기판의 경우, 안착된 광섬유의 주 재질이 석영임을 감안하여 이 두 개의 재질의 합성 열팽창 계수를 고려한 유리 기판을 선정하여 접합하는 것이 바람직하다. 또한, V-홈이 형성된 유리기판의 경우에는 열팽창계수가 3.6×10-7/℃로 비교적 작으므로 같은 재질의 유리 기판을 사용하여 광섬유 어레이 블록을 제작한다. 특히 V-홈이 형성된 유리기판의 경우에는 광섬유, 상, 하부기판 모두가 같은 석영 재질로 되어 있기 때문에 광섬유와 하부기판, 광섬유와 상부기판 사이의 접합부 계면에 동일한 재질 조건이 형성됨으로 정전 접합 상태 특성이 더욱 효과적이다.
그리고, 실리콘 기판과 유리 기판을 별도의 세정 공정을 통해 불순물들을 제거한 다음 표면 처리된 두 기판의 면을 마주 보게 하여 접합을 하는 경우, 실리콘과 유리의 접합 단면 형태가 될 수도 있으나, 실리콘과 유리사이에 SiO2층이 삽입된 상태에서도 접합되며, 이는 진공 상태 뿐만 아니라 공기중 상태에서 형성된 SiO2층 위에서도 정전 접합이 이루어질 수 있음을 나타낸다. 따라서, 상, 하부기판의 접합방법은 대기압 상태나 진공상태에서 이루어질 수 있다.
한편, 정전 접합 기술을 사용하기 위한 정전 접합 장치는 히터부, 히터제어부, 고전압 전원부, 접합 전류 측정부로 구성되어 있으며 접합시 10-7Torr 이하의 고진공 상태를 유지하도록 하게 한다.
또한, 광섬유 어레이 블록의 제조공정은 크게 세정, 실장, 연마 공정으로 구분되어있다. 이 경우 정전 접합 공정으로 접착제 공정을 완전히 대체할 수 있고, 별도의 추가 공정으로 실장 공정의 중간에 삽입할 수도 있다.
본 발명에 따른 광섬유 어레이 블록 및 그 제조방법은 유리 기판과 실리콘 기판사이에 Si-O-Si의 화학적 결합을 형성함으로써 우수한 접착특성을 나타낸다는 장점이 있다. 따라서, 생산수율의 향상이 기대되며 신뢰도가 우수하다는 장점이 있다.
또한, 보다 깨끗한 환경에서 비교적 간단한 공정으로 접합을 행할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법에 있어서,
    상기 상, 하부기판의 접합방법은 상기 V-홈에 광섬유가 안착된 상태로 상기 상, 하부기판을 정렬시키고 상기 상, 하부기판에 전압을 가하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 하부 기판은 유리나 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법.
  3. 제2항에서,
    상기 상, 하부기판의 접합방법은 대기압 상태나 진공상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법.
  4. 제2항에서,
    상기 상, 하부기판의 접합방법은 상기 상, 하부기판사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록의 제조방법.
  5. V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록에 있어서,
    상기 광섬유의 원주면은 상기 V-홈과 상부기판으로 형성되어 있는 닫힌 삼각기둥의 3면에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  6. 제5항에서,
    상기 상, 하부 기판의 접합부는 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  7. 제6항에서,
    상기 하부기판은 유리나 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  8. 제6항에서,
    상기 상, 하부기판은 열팽창계수가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  9. 제7항에서,
    상기 상, 하부기판사이에 SiO2층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  10. 제7항에서,
    상기 상, 하부기판 및 광섬유사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
  11. V-홈이 형성된 하부기판과, 상기 V-홈에 안착되는 광섬유와, 상기 하부기판과 광섬유를 덮는 상부기판을 포함하는 광섬유 어레이 블록에 있어서,
    상기 상, 하부기판 및 광섬유사이에 Si-O-Si의 화학적 결합이 형성되어 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 어레이 블록.
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