KR20080023473A - 배열된 도파로 격자 및 그 제조 방법 - Google Patents

배열된 도파로 격자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석영 재질의 마스터와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등 열 또는 UV 경화성 폴리머 재질의 스탬프를 사용하여 나노 임프린트 공정으로 WDM-PON용 배열된 도파로 격자(AWG)를 제조 방법에 관한 것이다.
AWG, 스탬프, 나노 임프린트, 폴리머

Description

배열된 도파로 격자 및 그 제조 방법 {Arrayed waveguide grating and manufacturing method thereof}
도1은 종래 AWG 소자의 구조 및 전달특성이 도시되어 있다.
도2는 파장에 따른 입력 신호들의 초점 거리에 따른 출력을 나타낸다.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열된 도파로 격자 제조를 나노 임프린트 공정으로 제조하기 위한 마스터 몰드의 제조방법을 나타낸다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 스탬프의 제조 방법을 나타낸다.
도5a 내지 도5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS 스탬프를 이용하여 배열된 도파로 격자를 제조하는 방법을 나타낸다.
※도면의 주요 부분에 대한 설명※
301 : 석영 글래스 기판 302 : 크롬 박막
303 : 포토레지스트 305 : 핫 플레이트
306 : 스탬프 308 : 실리콘 기판
309 : 하부 클래딩 310 : 코어용 폴리머
311 : 상부 클래딩
본 발명은 파장 분할 다중화 광 가입자 망(WDM-PON;Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network)에 사용되는 통신 기기인 배열된 도파로 격자(AWG;Arrayed waveguide grating) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 석영 재질의 마스터와 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등 열 또는 UV 경화성 폴리머 재질의 스탬프를 사용하여 나노 임프린트 공정으로 WDM-PON용 배열된 도파로 격자(AWG)를 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 음성-데이터 통합, 통신-방송 융합, 홈 네트워크 활성화 등으로 대변되는 초고속 대용량 정보를 언제 어디서나 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보통신 시대가 도래하고 있다. 이러한 유비쿼터스 통신의 핵심 인프라 기술은 각 가정까지 100 Mbps ~ 수 Gbps 속도로 데이터를 효과적으로 전송 가능하게 하는 광가입자 망 (Fiber-to-the-home: FTTH) 기술이다. 이 FTTH의 구현 방법 중에서 WDM-PON 방식이 전송 프로토콜에 대한 무의존성, 전송 속도 무제한, 우수한 서비스 품질 및 보안 등의 장점으로 인하여 집중적으로 연구되어 오고 있다. 광파장 역다중화기는 WDM-PON 시스템과 장거리 WDM 광통신 시스템 등을 구성하는 핵심 요소 중의 하나이다.
종래에는 광파장 역다중화기는 주로 PLC (planar lightwave circuit) 형태의 광도파로열 격자 (arrayed waveguide grating: AWG) 구조로 구현되었다. 광파장 역다중화기로서의 AWG는 서로 다른 여러 파장(λ)의 광신호를 파장에 따라 분리하는 기능을 갖는 일종의 필터이다.
도1은 종래 AWG 소자의 구조 및 전달특성이 도시되어 있다. 이 소자는 한 개의 입력 도파로(11), 다채널 출력 도파로(15), 자유전파영역인 두 개의 슬랩 도파로(입력단, 출력단)(12,14), 그리고 슬랩 도파로를 연결하는 도파로 배열(arrayed waveguides)(13)로 이루어져 있다.
먼저 입력 도파로(11)로 입사된 광(I1,I2,I3,,,IN)은 입력단 슬랩 도파로(12)에서 분산되어 도파로 배열(13)로 입력된다. 인접한 도파로 간에 일정한 경로차를 갖는 도파로 배열을 통해 전파된 각 모드들은 출력단 슬랩 도파로(14) 영역을 통과한 후, 출력 채널 도파로(15)로 출력되며, 출력 채널 도파로(15) 내에서 특정 지점, 즉 초점 거리에서 보강 간섭을 일으키게 된다.
이 초점의 위치는 도파로 배열 내에서 ΔL/λ에 비례하는 위상차이에 의해 결정되므로, 결국 보강간섭을 일으키게 되는 초점의 위치는 광의 파장 λ에 의존한다. 결과적으로 입력 신호의 광파장에 따라 서로 다른 출력 채널 도파로(15)로 출력되도록 할 수 있다. 결과적으로 AWG 소자는 광파장에 따라 신호를 분리할 수 있는 광파장 역다중화기의 기능을 갖게 된다.
도2는 파장에 따른 입력 신호들의 초점 거리에 따른 출력을 나타낸다. 각 그래프들은 파장이 서로 다른 입력 신호들을 나타낸다. 각 그래프들은 보강 간섭 이 일어나는 초점 거리에서 출력이 최대가 되며, 입력 신호의 파장에 따라 초점 거리가 상이함을 알 수 있다.
종래의 AWG 소자는 주로 드라이 에칭 공정 기반의 실리카 도파로를 이용하여 구현되었다. 건식 식각공정은 복잡하고 고가의 진공 장비가 요구되기 때문에 소자의 제조 가격이 비싸고, 수율이 저하되는 문제점을 지니고 있다.
제안된 폴리머 AWG 소자의 입출력단에는 단일모드 도파로에 비해 면적이 훨씬 큰 슬랩 도파로(12,14)가 존재한다. 종래의 소위 나노임프린트 방법은 경우처럼 스탬프를 하부클래딩에 눌러서 패턴을 전사하고, 그 위에 폴리머를 스핀코팅하여 코어 폴리머를 형성하였다. 그러나, 스핀 코팅에 의해 슬랩 도파로 영역의 코어 두께가 너무 얇아지는 문제가 발생하게 되며, 슬랩도파로의 두께가 얇아지면 광손실이 급격하게 증가하는 문제가 발생한다.
나노 임프린트 제조공정의 장점을 살리고, 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 보다 개선된 AWG 제조방법이 요구된다.
본 발명은 폴리머 AWG 소자를 드라이 에칭 공정 없이 나노 임프린트 방법으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 종래 나노 임프린트 방법을 사용하였을 때의 단점을 해소할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배열된 도파로 격자 제조 방법은, 스탬프를 형성하는 단계; 실리콘 기판에 하부 클래딩을 적층하는 단계; 상기 스탬프에 코어 폴리머를 도포하는 단계; 상기 코어 폴리머가 도포된 스탬프를 상기 하부 클래딩 위에 압착하는 단계; 상기 스탬프를 분리하여 폴리머 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머 패턴 위에 상부 클래딩을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열된 도파로 격자 제조를 나노 임프린트 공정으로 제조하기 위한 마스터 몰드 제조방법을 나타낸다.
도3a와 같이, 석영 글래스 기판(301) 위에 크롬 박막(302)을 형성하고, 그 위에 포토레지스트(303)를 스핀 코팅한다.
도3b에서, 포토레지스트(303) 위에 패턴이 그려진 마스크(미도시)를 정렬하고 자외선을 조사함으로써 포토레지스트(303)를 마스크에 따라 노광한다.
그리고 나서, 현상하면 도3c와 같이 포토레지스트(303) 패턴이 형성된다.
도3d에서, 크롬 박막(302)을 드라이 에칭으로 선택적으로 식각한다. 드라이 에칭 가스로는 50 Cl2 + 10 O2 가스 조합을 사용하는 것이 바람직하다.
도3e에서, 마스터 몰드(301)를 드라이 에칭으로 식각함으로써 소자 패턴을 형성한다. 석영 마스터 몰드(301)의 드라이 에칭 가스로는 50CF4+5O2 가스 조합을 사용하는 것이 바람직하다.
크롬 박막(302)을 제거하면 도3f와 같은 단단한 석영 마스터 몰드(301)가 완 성된다. 마스터 몰드(301)로는 석영 외에 유리, 실리콘 등을 사용할 수도 있다.
마스터 몰드(301)를 완성한 후에는, 마스터 몰드(301)를 이용하여 스탬프(306)를 제조한다.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 스탬프(306) 제조 방법을 나타낸다.
본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 스탬프(306)는 소프트한 재질이어야 하며, 이러한 스탬프의 재료로는 PDMS(polydimethylsiloxan)을 사용하는 것이 바람직하다.
PDMS 스탬프를 제작하기 위해서 PDMS 베이스와 경화제(열경화제)를 적절히 혼합한 용액을 준비한다. 도4a에 도시된 바와 같이, 마스터 몰드(301)를 히터(미도시)에 연결된 핫 플레이트(305)에 올려놓고, 마스터 몰드(301)의 양쪽 측면에 배리어(307)를 형성하고, 배리어(307) 사이에 PDMS 용액을 붓는다.
히터를 통해 핫 플레이트(305) 가열하여 경화시킨 후, 서로를 분리시키면 도4b에 도시된 바와 같은 임프린트용 PDMS 스탬프(306)이 완성된다. PDMS 스탬프(306)는 최종적으로 완성된 도파로 패턴의 네거티브 패턴이다.
전술한 바와 같이, 종래의 배열된 도파로 격자(AWG)를 나노 임프린트로 제조하는 방법에서는, 도1a의 슬랩도파로(12,14)의 두께가 얇아져서 광손실이 급격하게 증가하는 문제가 유발되는데, 본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 석영으로 만들어진 마스터 몰드(301)를 먼저 준비하고, 이 마스터 몰드(301) 상에 도파로 패턴의 네거티브 패턴을 갖는 PDMS 스탬프를 도입하여 소자를 제작한다.
PDMS는 광투과 특성이 우수하며, 고분자 재료에 대해 낮은 반응성과 계면에 너지를 갖고 있고 탄성이 좋아 불균일한 표면에서도 균일한 접촉을 얻을 수 있고, 패턴의 왜곡없이 분리가 가능한 장점을 지니고 있다. 본 발명에 따른 스탬프(306)의 재료로는 PDMS외에도 UV 경화성 폴리머 등을 사용할 수 있다.
도5a 내지 도5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS 스탬프(306)를 이용하여 배열된 도파로 격자를 제조하는 방법을 나타낸다.
도5a와 같이, 실리콘 기판(308)에 하부 클래딩(309)을 스핀 코팅 등의 방법으로 적층한다. 하부 클래딩(309)으로는 폴리머 재질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Chemoptics 사의 ZPU 12-445를 사용하는 것이 바람직하고, PMMA(polymethylmethacrylate)도 사용할 수 있다. 하부 클래딩(309)과 코어용 폴리머(310) 간의 접착력을 증가시키기 위하여 하부 클래딩(309) 적층 후에 표면을 플래시 에칭하는 것이 바람직하다.
도5b와 같이, PDMS 스탬프(306)에 코어용 폴리머(310)를 얇게 바른다. 코어 폴리머(310)는 배열된 도파로 격자의 코어 역할을 하게 된다. 바람직하게는, 코어용 폴리머(310)로는 Chemoptics사의 ZPU 12-460을 사용할 수 있다. 코어용 폴리머(310)로는 Norland products Inc.의 오모서(Ormorcer;Organically modified ceramics)도 사용할 수 있다.
도5c와 같이, PDMS 스탬프(306)를 뒤집어서 하부 클래딩(309) 층 위에 올려고 PDMS 스탬프(306)에 적절한 압력을 가하면서 질소 분위기 하에서 자외선을 조사하여 코어용 폴리머(310)를 경화시킨다.
그리고 나서, 도5d와 같이, 스탬프(306)를 기판에서 분리하여 코어용 폴리머(310)로 형성된 소자 패턴을 형성한다. 이 때, 코어용 폴리머(310) 중 배열된 도파로 격자의 슬랩 영역을 구성하는 부분의 두께는 스탬프(306)를 누르는 압력을 조절함으로써 조절할 수 있다.
다음으로 하부클래딩(309)과 마찬가지로 스핀 코팅 등의 방식으로 상부클래딩(311)을 적층한다.
당업자는 실시예에 따라 세정 건조 등 추가 공정이 더 수행될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 방법에 따르면 폴리머 AWG 소자를 드라이 에칭 공정 없이 나노 임프린트 방법으로 제조할 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면 종래 나노 임프린트 방법을 사용하였을 때의 단점을 해소할 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면 도파로 상의 코어 두께를 스핀코팅의 속도가 아닌 압력에 의하여 조절할 수 있다.
본 발명에서 제안된 나노임프린트 방법을 이용하여 배열된 도파로 격자 소자를 제작함으로써 광가입자망 및 장거리 파장분할다중화 광통신시스템 등을 저가에 효과적으로 구현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 스탬프를 형성하는 단계;
    실리콘 기판에 하부 클래딩을 적층하는 단계;
    상기 스탬프에 코어 폴리머를 도포하는 단계;
    상기 코어 폴리머가 도포된 스탬프를 상기 하부 클래딩 위에 압착하는 단계;
    상기 스탬프를 분리하여 폴리머 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 폴리머 패턴 위에 상부 클래딩을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판에 하부 클래딩을 적층하는 단계는,
    상기 하부 클래딩의 표면을 플래시 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스탬프를 형성하는 단계는,
    마스터 몰드를 형성하는 단계;
    상기 마스터 몰드에 폴리머를 적층하는 단계;
    상기 폴리머를 경화시키는 단계;
    상기 경화된 폴리머를 분리시켜서 스탬프를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 몰드를 형성하는 단계는,
    석영 기판에 크롬 박막을 형성하는 단계;
    상기 크롬 박막 위에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 크롬을 에칭하는 단계;
    상기 마스터 몰드를 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 폴리머는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 몰드는 석영인 것을 특징으로 하는 배열된 도파로 격자 제조 방법.
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KR20120069485A (ko) * 2010-12-20 2012-06-28 엘지디스플레이 주식회사 임프린팅용 몰드 및 그를 이용한 패턴 형성방법 및 그를 이용한 액정표시장치의 제조방법

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