KR20050008097A - 광도파로 소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

광도파로 소자 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, 실리콘웨이퍼 상면에 광도파로 박막을 형성하는 단계와; V-그루브가 형성될 영역의 상측에 위치되는 개구부가 광도파로 박막에 형성되도록, 광도파로 박막 상면에 에칭마스크를 형성하고 광도파로 박막을 건식식각하는 단계와; 에칭마스크를 제거하는 단계와; 광도파로 박막을 에칭마스크로 사용하는 습식식각으로 실리콘웨이퍼에 V-그루브를 형성하고, 형성된 V-그루브에 광섬유를 안착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 요철이 없는 광도파로 박막 상면에 에칭마스크 형성공정이 진행되므로 V-그루브를 원하는 위치에 원하는 크기로 형성할 수 있어 광도파로 박막과 광섬유의 정렬오차가 발생되지 않으며, 사용되는 에칭마스크의 개수를 줄임으로써 종래보다 공정이 간단해지고 제작 단가를 낮출 수 있고, V-그루브의 형성을 위한 습식식각용 개구부를 큰 개구부와 큰 개구부 주위의 작은 개구부들로 형성함으로써 V-그루브 주위의 에칭마스크, 즉 광도파로 박막을 제거하여 언더컷을 방지할 수 있으므로 광섬유를 V-그루브에 안정적으로 안착시킬 수 있다.

Description

광도파로 소자 제조방법{Fabrication method of optical waveguide device}

본 발명은 광도파로 소자 제조방법에 관한 것으로서, 특히 수동정렬방식의 광도파로 소자 제조방법에 관한 것이다.

현재 광도파로를 갖는 광소자의 칩(chip)당 단가는 광소자 제작에 적용된 반도체 공정의 발달에 의해 급격히 하락하고 있다. 광소자의 칩을 필드에서 적용하기 위해서 필요한 패키징 공정에서의 광결합방식에는 능동정렬(active align)방식과 수동정렬(passive align)방식이 있다. 능동정렬방식은 발광소자를 구동하거나 광섬유에 일정 광신호를 인가한 상태에서, 발광소자나 다른 광회로 요소(광섬유, 광도파로, 수광회로), 광섬유를 각각 수직 또는 수평방향으로 움직이면서 그 광결합 효율이 최대가 되는 위치점을 파악하여 그 상대적 위치를 접착제 등으로 고정시키는 방식으로 낮은 수율과 높은 단가가 요구된다. 따라서 정밀하게 가공된 구조물에 광섬유와 다른 광회로 요소들을 기계적으로 위치시킴으로써 원하는 조립 정밀도를 얻는 수동정렬방식을 패키징 공정에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

수동정렬방식에는 MEMS 기술을 사용하여 실리콘웨이퍼 위에 돌출되도록 여러가지 구조물을 부착하는 방식과, 실리콘웨이퍼에 여러 가지 모양의 홈을 형성하는 실리콘 플랫폼(Silicon Platform)을 이용하는 방식이 있다.

도 1a는 종래의 대표적인 광도파로 소자의 수동정렬방식을 나타낸 개략도이다.

도 1a를 참조하면, 실리콘웨이퍼(10)에는 광도파로 박막(20)과, 광도파로 박막(20)과 광섬유(30)를 정렬하기 위한 V-그루브(V-groove)(11)가 형성되어 있다. 광섬유를 광도파로와 광학적으로 연결되도록 V-그루브에 안착시키고 고정함으로써 광도파로 소자가 제조된다.

도 1b는 도 1a에 따른 실리콘웨이퍼에 V-그루브를 형성하는 방법을 설명하기 위한 개략도들이다. 도 1b의 (2)는 V-그루브가 형성된 실리콘웨이퍼의 평면도이다.

도 1b를 참조하면, V-그루브(11)는 개구부가 패터닝된 에칭마스크(40)를 실리콘웨이퍼(10) 상에 위치시키고 KOH 용액을 이용하여 습식식각으로 형성한다. 실리콘웨이퍼는 KOH 용액에서 결정면에 따라 다른 속도로 식각되므로, 100면을 절단면으로 하는 실리콘웨이퍼에 54.74도의 경사면과 매우 정밀하게 조절된 깊이를 갖는 V-그루브를 만들 수 있는 것이다. 이 때, 습식식각이 진행되면서 (100)면은 빠르게 진행되어 아래쪽으로는 깊게 식각이 되지만 V-그루브의 경사면을 이루는 (111)면은 상대적으로 느리게 식각되어 에칭마스크 밑으로 언더컷(under cut)이 나타난다. 이와 같이 언더컷이 발생하면, V-그루브 상단의 폭은 개구부의 폭보다 넓어지고 그로 인하여 V-그루브의 내측으로 돌출된 에칭마스크의 소정영역이 광섬유의 안착을 방해하여 광섬유가 제대로 안착되지 못하는 문제점이 생긴다. 따라서, 습식식각 후 반드시 에칭마스크를 제거해야 하고, 또한 최초 설계시 V-그루브의 폭이 넓어짐을 고려하여 개구부의 폭을 결정해야만 한다.

도 1c는 도 1에 따른 광도파로 소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이다.

먼저, 코어(21)와 클래드(22)로 이루어진 광도파로 박막(20)을 실리콘웨이퍼(10) 상에 형성한다.

다음에, 광도파로 박막(20)의 소정영역에 에칭마스크(41)를 형성하고 건식식각하여 V-그루브(11)가 형성될 영역을 마련한 후 에칭마스크(41)를 제거한다. 이때 에칭마스크의 형성은 에칭마스크용 박막을 광도파로 박막 상에 증착하고, 그 에칭마스크용 박막 상에 포토레지스터를 증착 및 노화시켜 원하는 패턴을 갖는 에칭마스크를 제작한 다음, 이를 이용하여 하부에 위치된 에칭마스크용 박막에 패턴이 전사되도록 건식식각한 후, 포토 레지스터를 제거하는 순서로 진행된다.

그 다음에, V-그루브(11)의 형성을 위한 개구부가 패터닝된 에칭마스크(42)를 상술한 공정의 결과물 상에 형성한다.

이어서, 습식식각을 통해 V-그루브(11)를 형성하고 에칭마스크(42)를 제거한다. 계속해서, V-그루브(11)에 광섬유(30)를 안착시키면 광도파로 박막(20)의 코아(21)와 광섬유의 코아(31)가 정렬된 광도파로 소자가 제조된다.

그런데, 광도파로 소자를 제작하기 위해서는 V-그루브를 위한 에칭마스크(42)의 개구부의 중심이 광도파로 박막(20)의 코어(21)의 중심과 일치해야 한다. 그리고, 그 에칭마스크(42)의 개구부의 폭을 이용하여 V-그루브의 깊이도 조절해야 한다. 이것은 광도파로 박막과 V-그루브간에 수 마이크미터 정도의 정렬 오차만 있어도 수 dB 이상의 광결합 손실이 발생하기 때문이다. 하지만, 그 에칭마스크(42)를 형성함에 있어서 광도파로 박막(20)과 실리콘웨이퍼(10) 표면 사이에 수십 마이크로 미터 정도의 높이 차가 존재하여, 패터닝과 건식/습식식각 및 박막증착 등과 같은 반도체 공정을 적용하는 것이 매우 힘들뿐만 아니라 정확도가 떨어지기 때문에, V-그루브의 개구부와 광도파로 박막간에 정렬오차가 발생된다.

따라서, 정밀한 실리콘 플랫폼을 제작하기 위한 다양한 구조의 설계와 공정흐름도의 개발 및 공정개발이 필요하다.

또한, 종래기술에 의하면, 실리콘 플랫폼을 제작함에 있어 광도파로 박막의 식각과 실리콘웨이퍼의 식각을 위한 각각의 에칭마스크(41, 42)가 필요하므로 공정이 복잡해지고 제작 단가가 높아지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광섬유와 광도파로 박막간의 정렬오차를 방지하며, 공정을 단순화시킬 수 있는 광도파로 소자 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 광도파로 소자 제조방법을 설명하기 위한 도면들;

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 도면들이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 광도파로 소자 제조방법은: V-그루브가 있는 실리콘웨이퍼와, 상기 실리콘웨이퍼의 소정영역에 형성되며 코어와 클래드로 이루어지는 광도파로 박막과, 상기 V-그루브에 위치되는 광섬유를 포함하여 이루어지는 광도파로 소자 제조방법에 있어서,

실리콘웨이퍼 상면에 상기 광도파로 박막을 형성하는 단계와; 상기 V-그루브가 형성될 영역의 상측에 위치되는 개구부가 상기 광도파로 박막에 형성되도록, 상기 광도파로 박막 상면에 에칭마스크를 형성하고 상기 광도파로 박막을 건식식각하는 단계와; 상기 에칭마스크를 제거하는 단계와; 상기 광도파로 박막을 에칭마스크로 사용하는 습식식각으로 상기 실리콘웨이퍼에 상기 V-그루브를 형성하고, 형성된 상기 V-그루브에 광섬유를 안착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 광도파로 박막에 형성된 개구부는 상기 V-그루브의 상단의 폭보다 작은 폭을 가지는 제1 개구부와, 상기 제1 개구부 주위에 각각 형성되며 상기 제1 개구부보다 작은 폭을 가지는 제2 개구부들로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 소자 제조방법을 설명하기 위한개략도들이며, 도 3은 도 2에 의하여 제조된 광도파로 소자를 나타낸 개략도이고, 도 4는 언더컷을 방지하기 위한 에칭마스크의 패턴과 그를 이용한 에칭과정을 설명하기 위한 개략도들이다.

도 2를 참조하면, 먼저, 실리콘웨이퍼(100) 상면에 코어(210)와 코어를 둘러싸는 클래드(220)로 이루어진 광도파로 박막(200)을 형성한다.

다음에, 광도파로 박막(200)을 습식식각의 에칭마스크로 사용하기 위하여, 광도파로 박막(200)에 개구부(230)가 형성되도록 광도파로 박막의 상에 에칭마스크(400)를 형성하고 광도파로 박막(200)을 건식식각한다. 이 때, 광도파로 박막(200)에 형성된 개구부(230)는 실리콘웨이퍼(100)에 있어서 V-그루브(110)가 형성될 영역의 상측에 위치되어야 함은 자명하다.

이와 같이, 요철이 없는 광도파로 박막(200) 상면에 에칭마스크(400) 형성공정이 진행되므로 정밀한 공정이 가능하고, 원하는 위치에 원하는 크기로 정확하게 개구부(230)를 형성할 수 있다. 이것은 곧 후술하는 공정에서 형성될 V-그루브를 원하는 위치에 원하는 크기로 형성할 수 있음을 뜻하므로, 광도파로 박막과 광섬유의 정렬오차가 발생되지 않게 된다.

그 다음에, 에칭마스크(400)를 제거한다.

이어서, 광도파로 박막(200)에 형성된 개구부(230)에 식각액을 투입하여 실리콘웨이퍼(100)의 소정영역에 V-그루브(110)를 형성하고, 형성된 V-그루브(110)에 광섬유(300)의 코어(310)와 광도파로 박막(200)의 코어(210)가 광학적으로 연결되도록 광섬유(300)를 안착시킨다.

종래의 광도파로 소자 제조방법을 식각 공정 위주로 살펴보면, 광도파로 박막의 소정영역의 식각을 위한 에칭마스크(41)와 실리콘웨이퍼의 습식식각을 위한 에칭마스크(42)가 필요하다. 하지만, 본 발명에 의하면, 실리콘웨이퍼의 습식식각시에는 광도파로 박막(200)을 에칭마스크로 사용하기 때문에 광도파로 박막의 소정영역에 개구부를 형성하기 위한 에칭마스크(400)만이 사용되게 된다.

그리고, 광섬유를 실리콘웨이퍼에 고정시킴으로써 도 3과 같이 광섬유가 광도파로 박막에 의하여 둘러싸인 형상의 광도파로 소자가 제조된다.

실리콘웨이퍼에 대한 습식식각 공정이 완료된 형상을 보면, 비록 광도파로 박막을 에칭마스크로 이용한다하더라도 도 1b에 본 바와 같이 언더컷이 발생될 수 있다. 이와 같이 언더컷이 발생하면, 최초 설계했던 경우와는 달리 광섬유가 제대로 안착되지 못하는 문제점이 생긴다.

도 4를 참조하면, 본 발명에서는 언더컷을 방지하기 위하여 광도파로 박막(200)에 형성되는 개구부(210)를, V-그루브(110)의 상단의 폭보다 작은 폭을 가지는 제1 개구부와, 제1 개구부(211) 주위, 예컨대 양편에 각각 형성되며 제1 개구부(211)보다 작은 폭을 가지는 제2 개구부(212)들로 형성하였다. 바람직하게는, 제1 개구부의 폭을 V-그루브(110)의 상단의 폭에서 언더컷, 즉 도 1b에서 V-그루브 내측으로 돌출된 에칭마스크의 길이만큼을 감(減)한 것으로 한다.

그리고, 제1 개구부(211)와 제2 개구부(212)들을 통하여 식각액을 투입하면, 제1 개구부(210)에 의한 큰 V-그루브와 제2 개구부(212)들에 의한 작은 V-그루브들이 각각 형성된다. 큰 V-그루브와 작은 V-그루브들은 에칭이 진행됨에 따라 서로연결되고, 에칭이 더 진행되면 큰 V-그루브와 접한 작은 V-그루브의 경사면은 평면을 형성하게 되며, 큰 개구부와 작은 개구부들 사이에 존재하는 광도파로 박막 조각은 지지층을 잃게되어 식각 도중에 제거된다. 따라서, 광섬유를 에칭마스크에 영향을 받지 않고 안정적으로 안착시킬 수 있으며, 종래의 경우처럼 에칭마스크를 제거할 필요가 없으므로 습식식각 공정후에 잔류하는 요소를 에칭마스크로 사용할 수 있는 특징이 있다.

한편, 광도파로 박막에 형성된 개구부의 크기는 광도파로 박막의 코어 위치와 광섬유의 굵기에 따라 달라진다. 즉, 광도파로 박막에 형성된 코어와 광섬유의 코어가 광학적으로 연결되도록 V-그루브의 깊이를 정하고 그 깊이에 따라서 V-그루브 상단의 폭이 정해지면 그 폭을 기준으로 하여 광도파로 박막에 형성될 개구부의 크기를 정한다. 예를 들면, 동일평면에서 광도파로 박막에 형성된 코어와 광섬유의 코어의 높이 차이가 크면 광도파로에 형성될 개구부의 크기를 크게 하여 V-그루브를 크고 깊게 형성하여 V-그루브에 안착된 광섬유의 코어의 높이를 낮추어 준다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광도파로 소자 제조방법에 의하면, 요철이 없는 광도파로 박막 상면에 에칭마스크 형성공정이 진행되므로 V-그루브를 원하는 위치에 원하는 크기로 형성할 수 있어 광도파로 박막과 광섬유의 정렬오차가 발생되지 않으며, 사용되는 에칭마스크의 개수를 줄임으로써 종래보다 공정이 간단해지고 제작 단가를 낮출 수 있다.

나아가, V-그루브의 형성을 위한 습식식각용 개구부를 큰 개구부와 큰 개구부 주위의 작은 개구부들로 형성함으로써 V-그루브 주위의 에칭마스크, 즉 광도파로 박막을 제거하여 언더컷을 방지할 수 있으므로 광섬유를 V-그루브에 안정적으로 안착시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다. 특히, 광도파로 어레이 소자에도 쉽게 변형, 확장되어 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. V-그루브가 있는 실리콘웨이퍼와, 상기 실리콘웨이퍼의 소정영역에 형성되며 코어와 클래드로 이루어지는 광도파로 박막과, 상기 V-그루브에 위치되는 광섬유를 포함하여 이루어지는 광도파로 소자 제조방법에 있어서,

   실리콘웨이퍼 상면에 상기 광도파로 박막을 형성하는 단계와;

   상기 V-그루브가 형성될 영역의 상측에 위치되는 개구부가 상기 광도파로 박막에 형성되도록, 상기 광도파로 박막 상면에 에칭마스크를 형성하고 상기 광도파로 박막을 건식식각하는 단계와;

   상기 에칭마스크를 제거하는 단계와;

   상기 광도파로 박막을 에칭마스크로 사용하는 습식식각으로 상기 실리콘웨이퍼에 상기 V-그루브를 형성하고, 형성된 상기 V-그루브에 광섬유를 안착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자 제조방법,
2. 제 1항에 있어서, 상기 광도파로 박막에 형성된 개구부는 상기 V-그루브의 상단의 폭보다 작은 폭을 가지는 제1 개구부와, 상기 제1 개구부 주위에 각각 형성되며 상기 제1 개구부보다 작은 폭을 가지는 제2 개구부들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자 제조방법.