KR20040093227A - 실리콘 광벤치 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 광벤치 제조 방법에 관한 것으로, 특히 자기정렬 기법을 이용하여 광 부품이 놓일 위치의 식각 패턴을 2차원 뿐만 아니라, 높이 방향의 정밀도를 포함하는 3차원 구조물로 오차 없이 제작할 수 있도록 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 광벤치 제조 방법에 관한 것이다. 종래 실리콘 광벤치 제조 방법은 높이가 다른 광 부품들을 실리콘 기판 상에 장착하기위해 3차원 식각 구조물을 기판 상에 형성해야 하는데, 이를 위해 식각 마스크를 생성 및 제거하는 과정을 반복하여 식각 공정을 실시하므로 식각 마스크의 반복적인 형성에 따른 정렬 오차로 인해 식각의 정밀도가 낮아지며, 그로인해 수율과 디바이스 성능이 낮아지는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 식각 깊이에 따라 동일한 포토 마스크의 식각 두께를 조절하는 것으로, 하나의 포토 마스크로 식각 깊이가 다른 식각 구조물을 정렬 오차 없이 정밀하게 형성하도록 하는 실리콘 광벤치 제조 방법을 제공함으로써 정밀한 3차원 식각 구조물을 가지는 광벤치를 용이한 공정으로 제조할 수 있어 수율과 디바이스 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있으며, 광 부품들을 수동 정렬 방식으로 접합할 수 있어 제조 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

실리콘 광벤치 제조 방법{SILICON OPTICAL BENCH MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 실리콘 광벤치 제조 방법에 관한 것으로, 특히 자기정렬 기법을 이용하여 광 부품이 놓일 위치의 식각 패턴을 2차원 뿐만 아니라, 높이 방향의 정밀도를 포함하는 3차원 구조물로 오차 없이 제작할 수 있도록 정렬 정밀도를 향상시킬 수 있는 실리콘 광벤치 제조 방법에 관한 것이다.

유무선 인터넷의 보급과 다양한 정보통신 단말기의 보급에 따라, 가입자의 정보 접속 및 이용은 이제 당연한 일상이 되고 있다. 하지만, 보다 많은 정보와 보다 빠른 정보의 이용을 위해서는 현재 사용중인 고속 통신망의 한계를 넘어서는 초고속 통신망인 광케이블의 보급이 절대적으로 필요하게 되었다.

이러한 초고속 통신망의 필요성과 함께 현재 설치되어 있는 다양한 통신망 서비스들을 조합하여 최적의 기간 통신망을 구축하려는 다양한 연구가 진행되고 있다. 즉, 초고속 정보통신망을 어떻게 구축할 것인가의 문제는 현존하는 협대역 서비스와 산재하는 광대역 서비스를 동시에 경제적으로 제공하면서 B-ISDN 서비스에도 유연하게 대응할 수 있는 통신망을 구축하기 위한 각종 가입자 전송방식 및 전송장치 등의 검토와 더불어 활발하게 연구가 진행되고 있다.

동축 케이블을 이용한 통신망으로부터 광 통신망으로의 변환은 중계망을 중심으로 진전되고 있으나, 가입자까지 도달하는 억세스 망으로의 확대를 목표로 개발이 진행되고 있다. 광망의 구성에 사용되는 광 부품 중 가장 핵심적이고 고가인 광모듈은 MEMS(Micro-Electro Mechanialc System) 기술을 적용하여 대량 생산 및 소형화, 집적화가 가능하게 됨으로써 광망의 보급을 가속화하고 가입자를 확대하는데 크게 기여할 수 있게 되었다.

일반적으로, 광송수신 모듈을 제작하는 과정에서 제조 가격 비중을 가장 크게 차지하는 공정은 광섬유(optical fiber)와 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 포토 다이오드(Photo Diode)를 결합하여 접합하는 공정이다.

상기 광섬유, 레이저 다이오드, 포토 다이오드등의 광모듈 부품들을 실리콘기판 상에 정밀하게 정렬한 후, 전기적인 연결은 반도체 공정 중 금속 공정을 이용하여 제작하는 MEMS 기술을 적용한 것을 실리콘 광벤치(Silicon Optical Bench: 이하 SiOB라 칭함)라 한다. 상기 SiOB에서, 부품들 간의 x, y, z 방향의 정렬은 식각 공정을 통하여 이루어지며, 이러한 식각 공정을 통한 부품들의 위치를 3차원적으로 설정하는(3차원적으로 정밀한 식각 구조물 형성) 공정은 SiOB 제작에서 핵심 공정이라 할 수 있다. 또한 이러한 식각 기술은 SiOB 분야뿐 아니라 MEMS 공정을 포함하여 반도체 전 공정에 응용되는 핵심 기술이다.

도 1은 SiOB의 한 종류를 간략히 도시한 사시도로서, 도시한 바와 같이 실리콘 기판(1) 상에 광섬유(2), 레이저 다이오드(3), 포토 다이오드(4), 그리고 전기적인 연결 패턴들이 형성되어 있다.

상기 광섬유(2), 레이저 다이오드(3) 및 포토 다이오드(4)를 결합하여 접합할 수 있도록 상기 실리콘 기판(1)을 습식 식각하여 3차원 구조물을 만들고 그 위에 금속을 형성한 것이다. 이와 같은 3차원 구조물을 만들기 위한 식각 공정은 반드시 식각할 부분과 식각으로부터 보호해야 하는 부분을 구분하기 위하여 식각 마스크가 필요하다.

식각 마스크로는 포토 레지스트 박막, SiN와 같은 질화물 박막, SiO₂와 같은 산화물 박막 및 Cr과 같은 금속 박막 등이 있으며 해당 공정 및 식각 해야 할 물질에 따라 선택적으로 사용된다.

종래의 실리콘 습식 식각기술은 식각을 실시한 후 사용된 식각 마스크를 제거하고 다음 식각 공정에서 식각 마스크를 다시 증착하고 사진 식각 공정을 거쳐 식각할 부분의 식각 마스크를 없애 주는 반복 과정을 통하여 이루어진다. 이와 같은 공정으로 식각을 실시하면 부품들이 놓여야 하는 부분마다 정렬 오차가 발생하여 높은 정밀도를 요구하는 SiOB 제작에서는 수율이 떨어지고 부품을 SiOB에 접합하였을 때 성능이 떨어져 정밀한 디바이스를 제작하기 어렵다.

그러므로 고성능 SiOB를 제작하기 위해서는 배치되는 부품들을 위한 3차원 구조물들의 정렬 오차를 줄일 수 있는 방법이 요구된다.

상기한 바와 같이 종래 실리콘 광벤치 제조 방법은 높이가 다른 광 부품들을 실리콘 기판 상에 장착하기위해 3차원 식각 구조물을 기판 상에 형성해야 하는데, 이를 위해 식각 마스크를 생성 및 제거하는 과정을 반복하여 식각 공정을 실시하므로 식각 마스크의 반복적인 형성에 따른 정렬 오차로 인해 식각의 정밀도가 낮아지며, 그로인해 수율과 디바이스 성능이 낮아지는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 동일한 포토 마스크를 이용하여 식각 깊이가 다른 식각 구조물을 정렬 오차 없이 형성하도록 하는 것으로 정밀한 3차원 식각 구조물을 가지는 광벤치를 제조함으로써 수율과 디바이스 성능을 개선할 수 있는 실리콘 광벤치 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 실리콘 광벤치의 한 종류를 도시한 사시도.

도2는 본 발명 일 실시예에서 구현하고자 하는 실리콘 광벤치를 도시한 단면도.

도3a 내지 도 3i는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 도시한 수순단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 기판 2: 광섬유

3: 레이저 다이오드 4: 포토 다이오드

10: 기판 20: 제 1마스크막

30: 제 2마스크막

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 실리콘 기판 상에 제 1마스크막을 형성하고 식각 깊이가 낮은 식각 구조물을 형성할 영역의 제 1마스크막 상부에 제 2마스크막 패턴을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 식각 구조물들을 식각하기위한 포토레지스트 패턴을 형성하여 제 1마스크막과 제 2마스크막을 노출시키는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막을 일부만 식각하여 제거한 후, 상기 노출된 제 2마스크막을 제거하는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막의 영역들을 상기 실리콘 기판이 드러날때 까지 식각하고 식각 깊이가 깊은 식각 구조물의 형성을 위해 드러난 기판을 식각 구조물들의 깊이 차이만큼 1차로 식각하는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막을 모두 식각하고, 드러나는 기판 영역들을 모두 식각하여 식각 깊이가 다른 구조물들을 형성한 후 상기 제 1마스크막을 모두 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 노출된 제 1마스크막의 영역들을 상기 실리콘 기판이 드러날때 까지 식각하는 단계는 이미 노출되어 소정 두께가 식각된 영역과 제 2마스크막의 식각에의해 처음 노출되는 영역을 동시에 건식 식각하여 식각이 심한 영역에서만 실리콘 기판을 노출시키고 제 2마스크막 영역 하부의 제 1마스크막은 소정의 두께만 식각하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예를 통해 얻고자 하는 식각 깊이가 다른 식각 구조물들로 이루어진 실리콘 광벤치의 형상을 보이는 실리콘 기판(10)의 단면도이다.

실리콘 단결정은 식각 용액의 선택에 따라 이방성 식각과 등방성 식각이 가능 하며 원하는 식각 목적에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 등방성 식각 용액으로는 HNA(HF+HNO3+아세틱산)가 있으며 이방성 식각 용액으로는 EDP(Ethylenediamine Pyrocatechol Water), TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 및 KOH(Potassium Hydroxide)등이 있다. 일반적으로 MEMS 제작에 사용되는 실리콘 단결정은 [100] 및 [110] 면을 갖는 웨이퍼가 주로 사용되며, 본 발명의 식각 방법은 등방성 식각 및 이방성 식각에 모두 사용 가능하고, 모든 종류의 웨이퍼, 모든 식각 용액에 적용할 수 있다는 것에 유의한다.

도시한 실리콘 광벤치(SiOB)는 일반적인 SiOB에 사용되는 [100] 실리콘 기판(10)을 KOH 용액으로 습식식각하여 형성한 것이다. 이 경우 사용된 포토마스크는 모두 2장이지만, 기준이 되는 제 1포토마스크는 식각 깊이가 다른 식각 구조물에 공통적으로 사용된다는 것에 주목하기 바란다.

도 3a내지 도 3i는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 도시한 수순 단면도로서, 도시한 실리콘 광벤치의 이방성 다단계 식각을 공정순서를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와같이, 실리콘 기판(10) 상에 제 1마스크층(20)을 증착한다. 이는 실리콘 기판(10)을 습식 식각할때 마스크로 사용할 것이며, 장시간 동안 마스크로 사용할 수 있는 물질이어야 한다. 일반적으로는 실리콘 질화막이 특성이 우수하여 많이 사용되며 그 두께는 500~2500Å 정도가 적당하다. 실리콘 질화막의 두께에 따라 이후 실시되는 실리콘 습식 식각의 특성에 변화가 있는데, 질화막의 두께가 두꺼우면 높은 인장응력으로 인하여 식각되어 나타나는 실리콘의 [111]면이 거칠어 지고, 반대로 얇으면 식각 핀홀이 발생 할 수 있다. 따라서, 본실시예에서는 약 2000Å정도로 형성한다. 실리콘 질화막을 기판(10)상에 증착하는 경우 기판(10)의 하부에도 실리콘 질화막(21)이 생성되며, 이는 본 발명에 영향을 미치지 않는다.

그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 식각 깊이가 낮은 식각 구조물이 형성될 영역의 제 1마스크층(20) 상부에 제 2마스크 패턴(30)을 형성한다. 상기 제 2마스크 패턴(30)은 상기 제 1마스크층(20)과 식각 선택도가 높은 재질을 이용하는데, 여기서는 실리콘 질화막과의 식각 선택도가 높고 쉽게 증착할 수 있는 Cr, CrN, Ti, Al, Mo등을 이용한다. 또한, 상기 제 2마스크 패턴(30)은 이후 상기 제 2마스크 패턴(30)의 하부에 형성될 식각 구조물의 개구부보다 더 크게 형성하여 공정 여유도를 가지도록 한다.

그 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 형성된 구조물 상부에 포토레지스트를 성막하고, 식각 구조물이 형성될 위치에 따라 패터닝한 포토 레지스트 패턴(PR)을 형성한다. 상기 형성되는 패턴에 의해서, 식각 깊이가 깊은 식각 구조물이 형성될 영역의 제 1마스크 패턴(20)이 드러나고, 식각 깊이가 낮은 식각 구조물이 형성될 영역의 제 2마스크 패턴(30)이 드러난다. 즉, 광 통신용 부품을 SiOB에 접합할 경우 부품간의 높이가 다르므로 식각 깊이도 다르게 되는데, 식각 깊이가 상대적으로 더 낮은 부분을 형성하기 위하여 제 2마스크 패턴(30)으로 해당 영역을 보호하는 것이다.

그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 제 1마스크 패턴(20)을 절반 정도 건식 식각하는데, 그 식각 두께는 약 500~1500Å 정도로 선택 폭이 넓으므로 공정 여유가 높아 공정이 용이하다. 이 경우, 노출된 제 2마스크 패턴(30)은 상기 제 1마스크 패턴(20)과의 식각 선택도가 높아 식각되지 않는다.

그 다음, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 제 2마스크 패턴(30)을 식각하여 제거함으로써 노출되는 제 1마스크 패턴(20)은 식각 구조물들의 깊이에 따라 그 높이가 상이해진다.

그 다음, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 제 1마스크 패턴(20)을 건식 식각하여 식각 깊이가 깊은 식각 구조물이 형성될 부분의 제 1마스크 패턴(20)을 제거하고 실리콘 기판(10)이 노출되도록 한다. 이때 식각 깊이가 낮은 식각 구조물이 형성될 부분의 제 1마스크 패턴(20)은 모두 식각되지 않고 소정 두께가 잔류한다. 즉, 식각 깊이가 낮은 식각 구조물이 형성될 기판(10) 영역을 보호하게 된다. 도시된 바와 같이, 마스크 패턴들(20, 30, PR)에 의해 이후 형성될 식각 구조물들을 자기 정렬할 수 있다.

그 다음, 도 3g에 도시된 바와 같이, 제 2 마스크 패턴(30)과 포토레지스트 패턴(PR)을 제거 한 후 KOH용액으로 상기 노출된 실리콘 기판(10)을 1차 식각하는데, 식각 깊이는 이후 형성하고자 하는 식각 구조물들의 식각 깊이 차이가 되도록 한다.

그 다음, 도 3h에 도시된 바와 같이, 건식식각 방법으로 식각 깊이가 낮은 식각 구조물 쪽의 제 1마스크막(20)을 식각하여 실리콘 기판(10)을 노출 시킨다.

그 다음, 도 3i에 도시된 바와 같이, 노출된 실리콘 기판(10)의 영역들을 2차 실리콘 습식 식각을 실시하여 3차원의 식각 구조물들을 형성한다.

그 이후에, 제 1마스크층(20) 및 기판(10)의 하부에 형성된 실리콘 질화막(21)을 제거하면 도 2와 같이 식각 깊이가 다른 식각 구조물들을 가지는 실리콘 광벤치를 형성할 수 있다.

전술한 바와 같이 제작된 3차원 실리콘 구조물을 만든 후 소자간 전기적 연결을 위하여 금속과 솔더를 형성하고 SiOB의 각 부품들을 수동 정렬(passive align )방식으로 접합하면 소자간 특성을 최적화 시킨 광 송.수신 모듈을 제작 할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 SiOB 부품들은 레이저 다이오드, 포토 다이오드, 광섬유, 빔 스플리터(beam splitter), 필터등의 광 통신에 사용되는 모든 부품에 적용될 수 있으며 또한, 수동 정렬 방식으로 이들 부품들을 접합하기 때문에 제조 비용을 크게 줄일 수 있다.

즉, 실리콘 질화막을 1회 증착하여 이를 제 1마스크막(20)으로 사용함으로써 실리콘 습식 식각 시 식각 깊이가 다른 식각 구조물을 정밀하게 제작 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 실리콘 광벤치 제조 방법은 식각 깊이에 따라 동일한 포토 마스크의 식각 두께를 조절하는 것으로, 하나의 포토 마스크로 식각 깊이가 다른 식각 구조물을 정렬 오차 없이 정밀하게 형성하도록 함으로써 정밀한 3차원 식각 구조물을 가지는 광벤치를 용이한 공정으로 제조할 수 있어 수율과 디바이스 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있으며, 광 부품들을 수동 정렬 방식으로 접합할 수 있어 제조 비용을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 실리콘 기판 상에 제 1마스크막을 형성하고 식각 깊이가 낮은 식각 구조물을 형성할 영역의 제 1마스크막 상부에 제 2마스크막 패턴을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 식각 구조물들을 식각하기위한 포토레지스트 패턴을 형성하여 제 1마스크막과 제 2마스크막을 노출시키는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막을 일부만 식각하여 제거한 후, 상기 노출된 제 2마스크막을 제거하는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막의 영역들을 상기 실리콘 기판이 드러날때 까지 식각하고 식각 깊이가 깊은 식각 구조물의 형성을 위해 드러난 기판을 식각 구조물들의 깊이 차이만큼 1차로 식각하는 단계와; 상기 노출된 제 1마스크막을 모두 식각하고, 드러나는 기판 영역들을 모두 식각하여 식각 깊이가 다른 구조물들을 형성한 후 상기 제 1마스크막을 모두 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 광벤치 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1마스크막은 500~2500Å 두께의 실리콘 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 광벤치 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2마스크 패턴은 Cr, CrN, Ti, Al, Mo 중 하나를 이용하여 증착한 후 식각 깊이가 낮은 식각 구조물이 형성될 위치에서, 형성할 구조물의 개구부 보다 더 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 광벤치 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 노출된 제 1마스크막을 일부 식각하는 단계는 식각 깊이가 깊은 식각 구조물이 형성될 위치의 제 1마스크막을 500~1500Å 두께로 식각하는 것을 특징으로 하는 실리콘 광벤치 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 노출된 제 1마스크막의 영역들을 상기 실리콘 기판이 드러날때 까지 식각하는 단계는 이미 노출되어 소정 두께가 식각된 영역과 제 2마스크막의 식각에의해 처음 노출되는 영역을 동시에 건식 식각하여 식각이 심한 영역에서만 실리콘 기판을 노출시키고 제 2마스크막 영역 하부의 제 1마스크막은 소정의 두께만 식각하는 것을 특징으로 하는 실리콘 광벤치 제조 방법.