KR20040058856A - 광 결정 회로 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 결정 도파로 및 광 결정 공진기 등이 포함된 광 결정 회로를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 광 결정 회로 제작시에 광 결정의 홀 패턴과 요철이 반대인 패턴을 가지는 스탬프를 전자 빔 리소그래피 등과 같은 방법으로 제작하고 상기 제작된 스탬프를 이용하여 광 결정 식각 공정에 사용될 고분자 막을 패터닝함으로써 손쉽게 패터닝된 광 결정 회로를 얻을 수 있으며, 상기 스탬프를 반복 사용할 수 있어 상기 광 결정 회로를 저가로 대량 생산할 수 있다는 장점이 있다.

Description

광 결정 회로 제조 방법{method for fabrication of photonic crystal circuits}

본 발명은 광 결정 도파로 및 광 결정 공진기 등이 포함된 광 결정 회로를 제조하는 방법에 관한 것이다.

광 결정(photonic crystal)은 실질적으로 광의 파장의 반 정도의 주기로 상이한 굴절율을 가지는 유전체를 적어도 2가지의 재료로 주기적으로 배치하여 얻어진 다원 주기 구조를 가지는 것이다.

보다 상세하게는, 상기 광 결정은 굴절률이 다른 유전체를 빛 파장의 반 정도의 주기로 배열하여, 결정 내부에 소위 광 밴드 갭(photonic band gap)을 형성하여 빛의 흐름을 제어할 수 있는 인공 구조이다.

이러한 광 결정 내부에서 상기 광 밴드 갭에 해당하는 에너지를 가진 빛은 존재할 수 없고, 상기와 같은 광 밴드 갭의 성질을 이용하면 광 결정 내부에 인위적인 결함을 생성시켜 도파로, 공진기 등을 제작할 수 있다.

상기 광 결정은 광 밴드 갭이 존재하는 차원에 따라, 1차원, 2차원, 3차원 광 결정으로 분류된다.

상기 3차원 광 결정은 3차원 공간의 모든 방향에 대하여 광 밴드 갭을 가지므로, 가장 이상적인 경우에 해당하나, 그 제조 공정이 복잡하고, 결함 생성이 어렵기 때문에 상기 2차원 광 결정이 현실적인 광 제어 전파 회로에 사용될 것으로 전망된다.

상기 2차원 광 결정 내부에서 2차원 광 밴드 갭 효과란 굴절율이 다른 두가지 유전체를 2차원의 주기적인 배열을 가지는 구조로 형성함으로써 특정 파장 범위에 속하는 빛은 통과하지 못하도록 만드는 것이다.

상기 2차원 광 밴드 갭에서는 해당되는 파장의 빛이 수평 입사된 어느 방향이든지 통과하지 못하고 반사되는 현상이 일어나게 되므로 마이크로 캐버티(micro cavity)로 응용하여 레이져 발진에 이용하거나 결정 구조안에 디펙트(defect)를 존재하게 하여 광 도파로로 제작이 가능하다.

또한, 입사되는 광의 모드에 따라서 밴드갭 구조가 다르게 되어 편광기로서의 응용도 가능하다.

현재 2차원 광 밴드 갭을 이용한 광 도파로의 연구는 미국과 일본, 유럽 등지에서 활발히 진행되고 있으며 실리콘과 갈륨아세나이드(GaAs) 물질을 이용하는 것이 대표적이다.

상기 2차원 광 결정 구조의 형성 방법은 주로 반도체 공정을 이용하여 박막증착된 실리콘이나 갈륨아세나이드 기판에 레이저 간섭 리소그래피 혹은 전자 빔 리소그래피 방법에 의해 이루어진다.

상기 언급하였듯이 2차원 광 결정 구조를 형성하는 데 있어서 반도체 공정을 이용하는데, 기판상에 포토레지스트 패터닝(photoresist patterning)을 하고, 식각 공정을 거쳐 홀 패턴(hole pattern)을 균일하게 만든다.

이 때, 상기 레이저 간섭 리소그래피는 광학계의 구성이 간단하고 짧은 시간에 대면적에 걸친 2차원 광 결정 제작에 사용될 수 있으나, 상기 2차원 광 결정 내부에 결함을 인위적으로 생성하는 것이 불가능하므로 그 사용이 제한적이다.

이에 비해 전자 빔 리소그래피는 2차원 광 결정 내부에 결함을 생성하여 도파로 등을 제작하기에는 용이하나, 저속의 공정이고, 생산성이 낮아 산업적 응용을 위한 저가의 대량 생산에는 부적합하다.

상기 방법으로 형성되는 광 결정 구조는 일반적으로 삼각 격자 구조나 사각 격자 구조이며 각각 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 밴드 갭 구조가 다른 것이 특징이다.

이 때, 상기와 같은 광 밴드 갭을 결정하는 주요 변수는 사용하는 유전체의 굴절율 또는 유전 상수, 홀의 반지름과 격자 상수 등이다.

상기 광 밴드 갭의 크기는 두 유전체의 굴절율차가 클수록 커지는데, 현재 실리콘과 갈륨아세나이드는 3.4 이상의 큰 값을 가지고 있으므로 2차원 광 밴드 갭 효과를 얻는데 가장 많이 사용되는 물질이다.

도 1은 종래 일반적인 전자 빔 리소그래피를 이용하여 형성한 광 도파로의 일부분이다.

상기 2차원 광 밴드 갭을 이용한 광 도파로는 위에서 언급한 구조에 디펙트를 형성함으로써 만들게 되며, 상기 방법은 균일한 홀 구조에서 홀을 없애거나, 홀의 크기를 달리함으로써 입사된 빔이 이러한 디펙트를 따라 진행되도록 하는 것이다.

도 1의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 광 도파로의 광 결정 구조는 사각 격자 구조를 가지며(또는 삼각일 수도 있다), 상기와 같은 형태의 광 결정 도파로 및 공진기는 실리콘이나 갈륨비소와 같은 반도체를 재료로 하여, 전자 빔 리소그래피 등의 방법을 이용하여 제작한다.

(a)에서 광 결정에 구멍이 주기적으로 배치되어, 반도체와 공기의 굴절률 차에 의해서 광 밴드 갭을 형성하게 되며, 이 때 입사된 레이져는 홀이 있는 곳에서는 광 밴드 갭 효과에 의해 통과하지 못하고 선형 디펙트가 있는 부분을 통해서 레이져가 통과하게 되므로 광 도파로로 작용하게 된다.

(b)는 (a)와 같은 광 밴드 갭 효과를 가지며 (a)에서의 홀 패턴이 돌출된 형태로 패턴을 형성하고 있는 광 결정 구조이다.

(c)는 광 결정에 구멍이 주기적으로 배치되며 인위적으로 점 디펙트를 생성시켜 반도체와 공기의 굴절률 차에 의해서 광 밴드 갭을 형성하게 되어 광 공진기로 작용하게 된다.

상기와 같은 구조를 가지는 광 도파로를 제작하기 위해서는 반도체 공정을 이용하여야 하는데 광 결정상에서 홀 패턴을 얻기 위해서이다.

따라서, 상기 공정에 따른 제작 비용 증가와 복잡한 공정 과정으로 인한 품질의 저하 발생 가능성과 전자 빔 리소그래피와 같은 방법으로 매번 반복하여 제작하여야 하므로 생산성이 낮아진다는 문제점이 발생한다.

본 발명은 광 결정 회로 제작시에 필요한 광 결정의 홀 패턴과 같은 패턴을 가지는 스탬프를 전자 빔 리소그래피 등과 같은 방법으로 제작하고 상기 스탬프를 이용하여 광 결정 식각 공정에 사용될 고분자 막을 패터닝함으로써 손쉽게 패터닝된 광 결정 회로를 얻을 수 있도록 하며, 상기 스탬프를 반복 사용할 수 있게 함으로써 상기 광 결정 회로를 저가로 대량 생산할 수 있는 광 결정 회로 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 일반적인 전자 빔 리소그래피를 이용하여 형성한 광 도파로의 일부분을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 나노 각인법을 이용하여 제작하고자 하는 광 도파로의 홀 패턴을 본뜬 스탬프의 정면도와 측면도.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 실리콘을 사용한 2차원 광 결정 회로 제작 과정을 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

100 : 스탬프 110 : 고분자 막

120 : 실리콘 질화막 130 : 실리콘 박막

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광 결정 회로 제작 방법에 있어서, 나노 스케일로 각인된 스탬프를 제작하는 단계; 및 상기 스탬프를 이용하여 고분자 막을 눌러 스탬프의 패턴을 고분자 막으로 전사한 후, 패턴된 고분자 막을 이용하여 식각 과정을 거쳐 원하는 패턴의 광 결정 회로를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프를 제작하는데 있어서, 전자 빔 리소그래피 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프에 형성하는 패턴은 광 결정 회로 패턴의 요철과 반대로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 스탬프의 재질은 실리콘 또는 금속 또는 다이아몬드 또는 석영 유리 인것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 나노 각인법을 이용하여 제작하고자 하는 광 도파로의 홀 패턴을 본뜬 스탬프의 정면도와 측면도이다.

상기 스탬프는 실리콘, 니켈이나 금과 같은 금속, 다이아몬드, 석영 유리 등을 재료로 한다.

또한, 상기 스탬프는 도면에서와 같이 사각 격자 형태일 수도 있고, 삼각 격자 형태일 수도 있다.

상기 형성되는 광 결정 구조는 삼각 격자 구조인지 사각 격자 구조인지에 따라 각각 입사되는 빛의 편광 상태에 따른 밴드 갭 구조가 다른 것이 특징이다.

상기와 같은 광 밴드 갭을 결정하는 주요 변수는 사용하는 유전체의 굴절율또는 유전 상수, 홀의 반지름과 격자 상수 등이다.

그러면, 상기 스탬프를 제작하기 위해서는 예를 들어, 실리콘 또는 니켈이나 금과 같은 금속, 다이아몬드, 석영 유리 등과 같은 기판 위에 전자 빔 리소그래피와 같이 나노 스케일로 각인할 수 있는 방법으로 스탬프에 원하는 패턴을 형성시킨다.

상기 나노 스케일로 각인하는 방법(nanoimprint)는 미국 프린스턴 대학교의 스테판 쵸우(Stephen Chou) 등에 의하여 발명된 방법으로 전자 빔 리소그래피 등의 방법으로 스탬프를 제작하고, 상기 스탬프를 고분자 박막에 찍어 누른 후, 상기 고분자 박막에 전사시키는 방법이다.

상기와 같이 나노 스케일로 각인하여 스탬프를 제작하는 방법은 전자 빔 리소그래피 기술이 해상도는 높으나 생산성이 낮다는 문제점을 극복하여, 나노 크기의 패턴을 대량 제조할 수 있다는 장점이 있다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로, 실리콘을 사용한 2차원 광 결정 회로 제작 과정을 보여주는 도면이다.

우선, (a)와 같이 실리콘(silicon) 박막(130) 위에 식각 마스크로 사용할 실리콘 질화막(silicon nitride, 120)을 증착하고, PMMA(polymethylmethacrylate)와 같은 고분자 막(polymer, 110)을 입힌다.

다음으로, (b)에서 도시된 바와 같이 원하는 패턴을 가지도록 제작한 스탬프(100)로 상기 고분자 막(110)에 압력을 가한다.

이 후, 고분자 막(110)을 유리 전이 온도 이상으로 가열하여 상기스탬프(100)의 패턴을 고분자 막(110)으로 옮긴 후, 온도를 유리 전이 온도 이하로 낮추어 경화 시키고 난 후, 상기 스탬프(100)를 상기 고분자 막(110)으로부터 분리시키면 (c)와 같이 상기 스탬프(100)의 패턴이 고분자 막(110)에 전사된다.

이 때, 상기 고분자 막(110)에 전사된 패턴은 상기 스탬프(100)에 형성되어 있는 패턴의 요철과 반대가 된다.

마지막으로, 패턴된 고분자 막(110)을 이용하여 실리콘 질화막(120)을 패턴하고, 상기 패턴된 실리콘 질화막(120)을 식각 마스크로 사용하여 상기 실리콘 질화막(120) 하부의 실리콘 박막(130)을 습식 혹은 건식 식각하여, 원하는 패턴의 광 결정 회로를 얻는다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 광 결정 회로 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명은 광 결정 도파로 및 광 결정 공진기 등이 포함된 광 결정 회로를 제조할 때 실리콘 또는 니켈이나 금과 같은 금속, 다이아몬드, 석영 유리 등과 같은 기판 위의 고분자 막에 전자 빔 리소그래피와 같이 나노 스케일로 각인할 수 있는 방법으로 원하는 패턴을 형성시킨 스탬프를 이용하여 찍어 눌러 패턴을 형성함으로써, 상기 광 결정 회로를 제조하기 위한 공정에서 상기 스탬프를 반복 사용할 수 있고, 단순히 찍어 눌러 패턴을 형성할 수 있으므로 고속으로 대량 생산할 수있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 나노 스케일로 각인된 스탬프를 제작하는 단계; 및

   상기 스탬프를 이용하여 고분자 막을 눌러 스탬프의 패턴을 고분자 막으로 전사한 후, 패턴된 고분자 막을 이용하여 식각 과정을 거쳐 원하는 패턴의 광 결정 회로를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 결정 회로 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스탬프를 제작하는데 있어서, 전자 빔 리소그래피 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 광 결정 회로 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 스탬프에 형성하는 패턴은 광 결정 회로 패턴의 요철과 반대로 형성하는 것을 특징으로 하는 광 결정 회로 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 스탬프의 재질은 실리콘 또는 금속 또는 다이아몬드 또는 석영 유리 인것을 특징으로 하는 광 결정 회로 제조 방법.