KR20100073015A - 광전도 안테나에 실리콘 볼렌즈가 일체화된 테라헤르츠파 송수신 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전도 안테나에 실리콘 볼렌즈가 일체화된 테라헤르츠파 송수신 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 실리콘 볼렌즈를 광전도 안테나에 일체화시키고, 실리콘 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나에 집속 렌즈를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현함으로써, 간단한 구조에 의해 테라헤르츠파를 안정적으로 발생시키거나 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따르면 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 단순화 및 소형화를 도모할 수 있다.
테라헤르츠파, 광전도 안테나, 실리콘 볼렌즈, 정렬
Description
본 발명은 광전도 안테나에 실리콘 볼렌즈가 일체화된 테라헤르츠파 송수신 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 실리콘 볼렌즈를 광전도 안테나에 일체화시키고 실리콘 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스용 집속 렌즈를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-005-3, 과제명: THz파 발진 변환 검출기 및 신호원].
테라헤르츠(THz)파는 적외선과 마이크로파 사이의 100GHz 에서 10THz 범위의 주파수를 가진 전자기파로서, 최근 첨단기술의 발전에 힘입어 미래의 전파자원으로 인정되면서 세계적으로 점점 많은 주목을 받고 있으며, IT(Information Technology), BT(Bio Technology) 등과의 융합을 통한 다양한 응용분야에서 그 중요성을 더해가고 있다.
특히, 테라헤르츠파는 가시광선처럼 직진하면서 전파처럼 다양한 물질을 잘 투과하므로, 물리, 화학, 생물학, 의학 등의 기초과학뿐만 아니라, 위조지폐, 마약, 폭발물, 생화학무기 등의 감지는 물론 산업 구조물도 비파괴적으로 검사할 수 있어서 일반 산업, 국방, 보안 등의 분야에서도 광범위하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 또한, 정보통신 분야에서도 40 Gbit/s 이상의 무선통신, 고속 데이터 처리, 위성간 통신에 테라헤르츠 기술이 광범위하게 사용될 것으로 기대되고 있다.
이와 같은 테라헤르츠파는 그 발생 방법에 따라서 연속형과 펄스형으로 나눌 수 있는데, 일반적으로 펄스형 테라헤르츠파는 펨토초(femtosecond: 10-15초) 레이저를 특수한 반도체 또는 광학결정에 조사하여 발생시키며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 펨토초 레이저를 광전도 안테나에 조사하여 펄스형 테라헤르츠파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광전도 안테나(100)는 반절연성 갈륨비소(Semi-insulator GaAs) 기판(110) 위에 형성된 광전도성 박막(120)과, 상기 광전도성 박막(120) 위에 형성된 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로(전극도 겸함)(130)를 포함한다. 여기에서, 상기 금속 평행 전송선로(130)의 중앙 영역에 돌출된 부위는 소형 다이폴 안테나(dipole antenna)로서 작용한다.
상기 금속 평행 전송선로(130)에 바이어스 전압(Vb)을 인가한 상태에서 시간폭이 100 펨토초 이하인 레이저 펄스광(fs)을 사용하여 간헐적으로 여기(excitation)시키면, 광흡수에 의한 캐리어(전자와 정공)가 생성되어 순간적으로 금속 평행 전송선로(130)를 통해 전류가 흐르고, 이 전류의 시간 미분값에 비례하는 테라헤르츠파(쌍극자 방사)가 발생된다.
이렇게 발생된 테라헤르츠파는 유전율이 큰 기판(110) 표면에서 강하게 방사되며, 방사되는 테라헤르츠파의 펄스폭은 1ps 이하로써 범용인 30fs 이상의 레이저 펄스를 사용하여 광 여기시킬 경우, 퓨리에(Fourier) 변환하여 얻게 되는 스펙트럼은 0 ~ 수 테라헤르츠파까지의 넓은 스펙트럼을 갖게 된다.
이와 같이 기판 표면에서 테라헤르츠파가 방사되기 위해서는 펨토초 레이저 펄스를 집속 렌즈(Focusing Lens)를 통해 광전도 안테나(100)에 집속시켜 주파수 영역으로 변환한 후 다시 실리콘 볼렌즈를 통해 소정 영역에 집속시켜야 한다.
하지만, 종래에는 집속 렌즈, 광전도 안테나, 실리콘 볼 렌즈 등의 소자들을 한꺼번에 광학 테이블에 실장 및 정렬하여 테라헤르츠파 송수신 모듈을 제작하기 때문에, 이들을 정밀하게 면 접속시키기 위해서는 고정도 정렬 기술이 수반되어야 하는 문제가 있다.
특히, 광전도 안테나와 반구형의 실리콘 볼렌즈를 면 접속시키는 경우, 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 표면에 스크래치가 발생할 수 있고, 정렬 오차의 문제가 발생할 수 있으며, 더욱이 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 정렬 상태를 계속적으로 유지하기 위한 별도의 고정 수단이 필요로 되는 문제점이 있다.
또한, 발생된 테라헤르츠파의 특성 테스트를 위해서는 전도성 접착제나 인듐 접합을 이용하여 광전도 안테나에 전선을 직접 연결하고, 테스트가 완료된 후에 다시 전도성 접착제나 인듐 접합을 이용하여 전선을 제거해야 하므로, 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 정렬 상태를 그대로 유지하면서 테라헤르츠파의 특성을 테스하기가 매우 번거롭고 까다롭다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 간단하게 제작이 가능하면서 테라헤르츠파의 발생 및 측정이 용이한 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현하는 것이다.
보다 구체적으로 설명하면, 실리콘 볼렌즈를 광전도 안테나에 일체화시키고 실리콘 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나에 집속 렌즈를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현함으로써, 테라헤르츠파를 용이하게 발생시키거나 측정할 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈은, 실리콘 볼렌즈가 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈가 정렬되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 실리콘 볼렌즈는 상기 광전도 안테나에 아노딕 본딩으로 접합된 실리콘 웨이퍼의 가공에 의해 5mm 내지 25mm의 직경을 갖도록 형성되며, 상기 광전도 안테나는 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와, 상기 금속 평행 전송선로의 양단에 형성된 전극 패드를 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법은, (a) 기판 하부에 실리콘 옥사이드막을 소정 두께로 성장시킨 후, 상기 실리콘 옥사이드막을 사이에 두고 상기 기판과 상기 실리콘 웨이퍼를 아노딕 본딩(Anodic Bonding)으로 접합하는 단계; (b) 상기 기판 상에 다수의 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성하는 단계; (c) 소정 크기의 실리콘 웨이퍼상에 하나의 광전도 안테나가 위치하도록 상기 (b) 단계를 통해 얻어진 전체 구조물을 소정 크기로 절단하는 단계; (d) 상기 소정 크기로 절단된 실리콘 웨이퍼의 측면을 연마하여 반구형의 실리콘 볼렌즈를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 (a) 단계에서, 상기 실리콘 옥사이드막은 0.1㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성되며, 상기 실리콘 웨이퍼는 5mm 내지 30mm의 두께를 갖는다.
상기 (b) 단계에서, 상기 기판 상에 광전도성 박막을 증착한 후 상기 광전도성 박막을 패터닝하여 다수의 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성하되, 상기 광전도성 박막을 패터닝할 때 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와 상기 금속 평행 전송선로의 양단에 전극 패드가 형성된 형태로 패터닝한다.
상기 (b) 단계 이후 및 상기 (c) 단계 이전에, 상기 광전도 안테나의 상부에 보호막을 형성할 수 있으며, 이러한 경우 상기 (e) 단계에서 상기 보호막을 제거한 후 상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결한다. 그리고, 상기 (e) 단계 이후에 상기 실리콘 볼렌즈가 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈를 정렬시킨다.
본 발명에 따르면, 실리콘 볼렌즈를 광전도 안테나에 일체화시키고 실리콘 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스용 집속 렌즈를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현할 수 있다.
따라서, 종래에 비하여 보다 간단한 구조로 테라헤르츠파를 용이하게 발생시키거나 측정할 수 있으며, 이에 따라 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 구축에 소요되는 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 단순화 및 소형화를 도모할 수 있다.
더욱이, 테라헤르츠파의 특성 측정이 필요한 경우, 광전도 안테나에 연결된 연결선에 외부 단자를 연결하여 광전도 안테나에서 발생된 테라헤르츠파의 특성을 간단하게 측정할 수 있으므로, 종래와 같이 특성 테스트를 위해 전도성 접착제나 인듐 접합 작업을 수행할 필요가 없어져 보다 용이하고 간편하게 테스트를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 테스트 시간 및 비용도 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)이 적용된 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)은 실리콘 볼렌즈(230)가 일체화된 광전도 안테나(240)에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈(250)가 정렬된 구조를 갖는다.
전술한 바와 같이 종래에는 실리콘 볼렌즈(230)와 광전도 안테나(240)를 정밀하게 면 접속시키기 위해 고정밀도의 정렬 기술이 수반되어야 한다.
그러나, 본 발명에서는 실리콘 볼렌즈(230)와 광전도 안테나(240)가 일체화되어 있으므로 고정밀도의 정렬 기술을 사용하지 않아도 된다.
즉, 실리콘 볼렌즈(230)가 일체화된 광전도 안테나(240)에 집속 렌즈(250)를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)을 간단하게 구현할 수 있으므로, 종래에 비하여 보다 간단한 구조로 테라헤르츠파를 용이하게 발생시키거나 측정할 수 있다.
따라서, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 구축에 소요되는 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 단순화 및 소형화를 도모할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로, 실리콘 볼렌즈(230)를 광전도 안테나(240)에 일체화하는 방법을 위주로 설명한다.
먼저, 도 4a와 같이 GaAs 기판(210) 하부에 화학기상증착법(CVD)에 의해 실리콘 옥사이드막(220)을 0.1㎛ 내지 10㎛의 두께로 성장시킨다.
이어서, 상기 성장된 실리콘 옥사이드막(220)이 소정 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼(230a)의 상면을 향하도록 배치한 후, 상기 GaAs 기판(210)과 상기 실리콘 웨이퍼(230a)를 아노딕 본딩(Anodic Bonding)으로 접합한다. 즉, 상기 실리콘 옥사이드막(220)을 사이에 두고 상기 GaAs 기판(210)과 소정 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼(230a)를 아노딕 본딩으로 접합한다.
여기에서, 상기 실리콘 웨이퍼(230a)는 이후에 실리콘 볼렌즈가 될 부분으로, 5mm 내지 30mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4b와 같이 상기 GaAs 기판(210) 상에 광전도성 박막(240a)을 증착한 후, 상기 광전도성 박막(240a)을 패터닝하여 다수의 광전도 안테나(240)를 어레이 정렬 구조로 형성한다.
이 때, 상기 광전도 안테나(240)는 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로(241)와 상기 금속 평행 전송선로(241)의 양단에 형성된 전극 패드(243)를 포함하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 GaAs 기판(210) 상에 다수의 광전도 안테나(240)를 어레이 정렬 구조로 형성하는 이유는 한번의 공정으로 여러개의 테라헤르츠파 송수신 모듈을 동시에 제작하기 위해서이다.
다음으로, 도 4c와 같이 상기 광전도 안테나(240)를 보호하기 위해 상기 광전도 안테나(240)의 상부에 보호막(245)을 형성한 후, 소정 크기의 실리콘 웨이퍼(230a)상에 하나의 광전도 안테나(240)가 위치하도록 전체 구조물을 소정 크기로 블록화한다.
그 다음, 도 4d와 같이 소잉(Sawing) 공정을 통해 블록화된 크기로 절단한다.
다음으로, 도 4e와 같이 소정 크기로 절단된 실리콘 웨이퍼(230a)의 측면을 연마하여 반구형의 실리콘 볼렌즈(230)를 형성한다.
여기에서, 상기 반구형의 실리콘 볼렌즈(230)는 5mm내지 25mm의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 4f와 같이 상기 보호막(245)을 제거한 후, 상기 광전도 안테나(240)의 전극 패드(243)에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선(L)을 연결한다.
이렇게 상기 광전도 안테나(240)의 전극 패드(243)에 신호선(L)이 연결됨에 따라 테라헤르츠파의 특성 테스트시 상기 신호선(L)을 테스트 시스템에 연결하기만 하면 되므로, 상기 광전도 안테나(240)에서 발생된 테라헤르츠파를 용이하게 측정할 수 있다.
상기와 같은 일련의 공정을 통해 실리콘 볼렌즈(230)가 일체화된 광전도 안 테나(240)를 다량으로 제작할 수 있으며, 이렇게 제작이 완료된 광전도 안테나(240)에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈(250)를 정렬시키면 테라헤르츠파 송수신 모듈이 완성된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 펨토초 레이저를 광전도 안테나에 조사하여 펄스형 테라헤르츠파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 테라헤르츠파 송수신 모듈이 적용된 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 종래의 광전도 안테나
110 : GaAs 기판
120 : 광전도성 박막
130 : 금속 평행 전송선로
200 : 본 발명의 테라헤르츠파 송수신 모듈
210 : GaAs 기판
220 : 실리콘 옥사이드막
230a : 실리콘 웨이퍼
230 : 실리콘 볼렌즈
240a : 광전도성 박막
240 : 광전도 안테나
241 : 금속 평행 전송선로
243 : 전극 패드
245 : 보호막
250 : 집속 렌즈
Claims (13)
- 실리콘 볼렌즈가 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈가 정렬되어 이루어진 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 볼렌즈는 상기 광전도 안테나에 아노딕 본딩으로 접합된 실리콘 웨이퍼의 가공에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 광전도 안테나는, 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와, 상기 금속 평행 전송선로의 양단에 형성된 전극 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 볼렌즈는 5mm 내지 25mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈.
- (a) 기판 하부에 실리콘 옥사이드막을 소정 두께로 성장시킨 후, 상기 실리콘 옥사이드막을 사이에 두고 상기 기판과 상기 실리콘 웨이퍼를 아노딕 본딩(Anodic Bonding)으로 접합하는 단계;(b) 상기 기판 상에 다수의 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성하는 단계;(c) 소정 크기의 실리콘 웨이퍼상에 하나의 광전도 안테나가 위치하도록 상기 (b) 단계를 통해 얻어진 전체 구조물을 소정 크기로 절단하는 단계;(d) 상기 소정 크기로 절단된 실리콘 웨이퍼의 측면을 연마하여 반구형의 실리콘 볼렌즈를 형성하는 단계; 및(e) 상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,상기 실리콘 옥사이드막은 0.1㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 실리콘 웨이퍼는 5mm 내지 30mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,상기 기판 상에 광전도성 박막을 증착한 후 상기 광전도성 박막을 패터닝하여 다수의 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,상기 광전도성 박막을 패터닝할 때, 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와 상기 금속 평행 전송선로의 양단에 전극 패드가 형성된 형태로 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,소정 크기의 실리콘 웨이퍼상에 하나의 광전도 안테나가 위치하도록 상기 (b) 단계를 통해 얻어진 전체 구조물을 소정 크기로 블록화한 후, 소잉 공정을 통해 블록화된 크기로 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후 및 상기 (c) 단계 이전에,상기 광전도 안테나의 상부에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 (e) 단계에서,상기 보호막을 제거한 후 상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후에,상기 실리콘 볼렌즈가 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈를 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
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