KR20120125928A - 파장 가변 필터의 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필터에 입사하는 빛 중에서 투과 또는 일부투과/일부반사하는 빛의 파장을 선택하는 파장 선택성 필터에 관한 것으로, 특히 선택되는 파장을 액정(liquid crystal)을 이용하여 조절할 수 있도로 하는 파장 가변 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파장 가변 필터는 반도체 기판(100) 위에 결정 성장이나 증착을 통해 반사막(115)을 형성하는 단계와; 상기 반사막(115) 위에 스페이스층(130)을 형성하는 단계와; 상기 스페이스층(130)의 일부를 식각하여 유체가 포함될 수 있는 공간을 형성하는 단계와; 상기 반사막(115)과 스페이스층(130)이 형성된 두 개의 반도체 기판(100)을 스페이스층(130)이 맞대지도록 접합하는 단계;를 포함하여 이루어짐으로써, 2차원으로 배열된 여러 개의 파장 가변 필를 일괄 제작할 수 있어 제작 비용이 적게 소요되고 제작이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 파장 가변 필터는 반도체 기판(100) 위에 결정 성장이나 증착을 통해 반사막(115)을 형성하는 단계와; 상기 반사막(115) 위에 스페이스층(130)을 형성하는 단계와; 상기 스페이스층(130)의 일부를 식각하여 유체가 포함될 수 있는 공간을 형성하는 단계와; 상기 반사막(115)과 스페이스층(130)이 형성된 두 개의 반도체 기판(100)을 스페이스층(130)이 맞대지도록 접합하는 단계;를 포함하여 이루어짐으로써, 2차원으로 배열된 여러 개의 파장 가변 필를 일괄 제작할 수 있어 제작 비용이 적게 소요되고 제작이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있다.
Description
본 발명은 필터에 입사하는 빛 중에서 투과 또는 일부투과/일부반사하는 빛의 파장을 선택하는 파장 선택성 필터의 제작 방법에 관한 것으로, 특히 선택되는 파장을 액정(liquid crystal)을 이용하여 조절할 수 있도로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법에 관한 것이다.
현재 대량의 정보를 수송하는 방법으로써 광통신이 널리 사용되고 있다. 광통신은 국가간의 정보통신뿐만 아니라, FTTH(Fiber To The Home), FTTP(Fiber To The Pole) 등의 방식으로 가정에 집적 광 중계를 통한 대용량의 정보가 소통되는 상황에 이르고 있다. 이러한 대량 정보 유통을 위한 광통신은, 광통신에 사용되는 빛을 만드는 소자인 발광소자와, 광신호를 전달하는 매체로인 광섬유와, 전달된 광신호를 전기신호로 바꾸어 주는 수광소자를 필수적으로 필요로 하게 된다. 이 중 광통신에 이용되는 빛을 만드는 발광소자로 반도체 소자 제조 기법을 사용하는 레이저 다이오드가 사용된다. 이 레이저 다이오드는 전기 신호를 빛(광) 신호로 바꾸어주는 소자이다.
반도체 레이저 다이오드에는 전기를 빛으로 만들어주는 이득 매질에 빛의 방향성을 결정하여 주는 광도파로가 설정되고, 빛을 피드백(Feedback) 시킬 수 있는 반사거울이 조합된다. 가장 간단한 반도체 레이저 다이오드는 Fabry-Perot (FP) 형의 레이저 다이오드로써, 이득 매질의 양 끝단이 반사거울로 작용하는 구조가 된다. 빛이 반사하여 공진되는 부분을 공진기라 하며 통상의 반도체 레이저 다이오드 칩은 반도체 레이저 다이오드 칩의 양 단면 사이에서 빛이 공진하므로 이 양단면이 공진기를 형성하게 된다. 이러한 Fabry-Perot 형 레이저 다이오드에서 레이저 발진하는 빛의 파장은 레이저 다이오드 칩의 양 끝단을 빛이 왕복할 때 빛의 위상이 2π(360도) 바뀌는 조건인 Bragg law를 만족하는 빛 중에서 레이저 다이오드의 이득 분포내에 있는 파장들로 구성된다. 통상적으로 반도체 레이저 다이오드 칩의 길이가 300um 정도일 때 Bragg law에 의한 허용 파장들의 간격은 대략 0.8nm에 해당한다. 그러므로 1550nm 대역의 광통신용 레이저 다이오드를 기준으로 할 때 Fabry-Perot(FP) 발진 모드는 파장 간격이 0.8nm인 수 많은 모드들이 허용된다. 이러한 허용 모드들에서 반도체 이득 매질의 이득 특성과 일치하는 파장의 빛들이 실질적으로 Fabry-Perot 형의 발진 모드로 발진하게 된다. 통상적으로 FP형 레이저 다이오드 칩에서는 10개 정도의 모드가 동시에 발진한다. 즉 FP형 레이저 다이오드 칩의 총 발진 선폭은 10개의 발진 모드 넓이의 절반인 5nm 정도의 발진 선폭을 가지게 된다.
근래에는 레이저 다이오드 칩의 적어도 하나의 단면을 5％ 이하의 반사율(바람직하게는 1％ 이하의 반사율)을 가지게 하여 FP 모드 발진을 억제 한 상황에서 레이저 다이오드 칩의 외부에서 특정하게 선택된 파장의 빛만 레이저 다이오드 칩으로 피드백시켜 레이저 동작이 일어나게 하는 단일 모드 외부 공진기형 레이저가 많이 연구되고 있으며, 또한 사용되고 있다. 특히 외부에서 파장을 선택할 때 선택되는 파장을 조절할 수 있는 기능을 가진 필터를 파장 가변 필터라 부른다.
도 1은 에탈론 필터라고 부르는 종래 파장 선택 필터의 한 예를 보여준다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가장 간단한 파장 선택 필터인 에탈론 필터는 유리 등 고려되는 빛에 대해 투명하며 평평한 기판의 양면에 일정한 반사율을 갖도록 유전체 박막 등을 증착하는 구조로 제작된다. 에탈론 필터로 입사한 빛(λ)이 에탈론 필터 내부에서 여러번 반사 및 투과를 하게하고, 그 반사 또는 투과 된 빛들의 간섭 현상에 의해 특정한 파장(λ0)만 선택되어 투과한다. 이때 투과하지 못하는 파장(λ-λ0)은 에탈론 필터에서 반사된다. 즉, 에탈론 필터는 넓은 파장폭으로 주어지는 입사광 중에서 특정한 파장만을 선택하여 투과시키고 나머지 파장은 필터에서 반사시킨다.
종래의 에탈론 필터에서 투과가 결정되는 파장은 에탈론 필터의 반사 거울 사이의 거리에 의해 결정되므로, 이러한 도 1의 구조를 가지는 에탈론 필터를 이용하여 외부에서 에탈론 필터의 투과 파장을 조절하기는 매우 어렵다. 이에 따라 에탈론 필터를 사용하되 외부에서 에탈론 필터의 투과 파장을 조절하는 기능을 가지도록 하는 투과 파장 조절형 에탈론 필터의 제작에 관한 여러 가지 시도가 있었다. 그 중에 에탈론 필터의 두 반사막 사이에 액정(liquid cryatal)을 채우고, 액정의 굴절률이 온도 또는 액정에 가해지는 전압의 변화에 따라 바뀌도록 하여 에탈론 필터에 의해 선택되는 빛의 파장을 바꾸는 방법의 에탈론 필터가 시도되었다.
도 2는 이러한 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터의 단면을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터는 먼저 유리 기판의 일측면에 고려되는 파장의 빛에 대해 미리 정해진 반사율을 가지는 반사막이 증착된다. 유리 기판에 일정한 반사율을 가지도록 반사막이 증착되는 방법은 매우 널리 사용되고 있는 방법으로 유리 기판에 굴절률이 높고 낮은 복수의 유전체 박막층을 증착함으로써 이루어진다. 이렇게 제작된 반사막 위에, 액정에 전기장을 가하기 위한 투명 금속층을 증착한다. 액정은 가해지는 전기장의 세기에 따라 굴절률이 달라지며, 이에 따라 액정을 포함하는 에탈론 필터를 투과하는 빛의 파장이 바뀌게 된다. 이러한 전극은 빛을 투과시켜야하므로 투명전극으로 만들어지는 것이 일반적이다. 이렇게 투명전극이 증착된 기판 두장을 일정한 간격을 두고 마주보게 배치하는데, 이때 에폭시 등을 이용하여 기판 사이에 액정을 담을 공간을 마련하게 된다. 두 장의 기판 사이에 삽입되어 에탈론 필터의 두 반사막을 일정한 거리를 이격시키는 역할을 하는 간격재는 통상적으로 도 3과 같이 에탈론 필터 기판의 3면은 밀봉하여 접합하고 1면은 열려있는 구조를 가지게 제작된 다. 이후 간격재의 열려있는 면을 통하여 액정을 에탈론 필터의 기판 사이에 주입하고, 열려있는 스페이서 부분을 에폭시 등의 봉지재로 밀봉함으로써 액정이 에탈론 필터 사이에 밀봉되는 구조로 이루어지는 액정을 이용한 에탈론 필터가 제작된다.
그러나 이러한 종래의 액정을 이용한 에탈론 필터는 제작 상에 몇가지 문제가 있어 왔는데, 종래 액정을 이용한 에탈론 필터의 제작에 있어서 나타나는 문제점은 다음과 같다.
첫째, 종래의 액정을 이용한 에탈론 필터는 에탈론 필터의 반사막 사이의 간격을 유지하는 간격재 부분을 통하여 액정이 주입되므로, 에탈론 필터를 2차원 배열로 제작하지 못하고 선형 배열을 가지는 에탈론 필터를 제작하거나 또는 에탈론 필터를 각각 개별적으로 제작하게 되어 여러 개의 에탈론 필터를 2차원 배열의 일괄 제작 방법으로 제작할 수 없음으로 인해 제작 비용이 높아지는 문제점이 있다.
둘째, 종래의 액정을 이용한 에탈론 필터는 반사막이 증착되는 기판의 소재가 유리 등의 비전도성 물질이고, 이로 인하여 액정에 충분한 전기장을 가해주기 위해서 액정과 인접하는 기판 표면에 전기장을 가하는 전극을 만들어야 하며, 이러한 전극을 외부 전원과 연결하여야 한다. 따라서, 도 2와 같이 전극을 외부와 용이하게 연결하기 위하여 전극이 외부로 돌출될 수 있도록 에탈론 필터의 기판들을 서로 어긋나게 제작하게 된다. 그러므로 이렇게 어긋나는 형태로 접합되는 에탈론 필터의 기판 형태로 인해 에탈론 필터를 2차원적인 배열(array) 형태로 제작하는 것이 불가능하다.
셋쩨, 종래의 액정을 이용한 에탈론 필터는 통상적으로 유리기판 위에 굴절률이 높고, 낮은 복수의 유전체 박막을 증착하여 반사막을 형성하게 된다. 굴절률이 높고, 낮은 유전체 박막으로는 SiO2, TiO2, Ta2O5 등의 유전체 물질이 사용되는데 이러한 유전체 물질은 열팽창률이 유리 등 에탈론 필터의 기판과 달라, 기판의 두께가 얇을 경우 유전체 박막을 증착한 후에 유리 기판이 휘어지게 되는 현상이 발생한다. 이러한 기판의 휘어짐을 최소화 하기 위해서는 두께 1mm 정도의 두꺼운 기판을 사용하는 것이 필요하다. 에탈론 필터는 두 장의 반사막이 증착된 기판을 붙이는 형태로 제작되므로 에탈론 필터의 두께가 2mm에 달하게 되며, 이러한 두께는 에탈론 필터의 활용성을 상당히 제한하게 된다.
넷째, 종래의 액정을 이용하는 에탈론 필터에서 에탈론 필터에 의해 투과가 결정되는 파장은 에탈론 필터의 두 반사막 사이 거리의 함수로 주어지게 된다. 그러나 종래의 방법에서는 두 반사막 사이의 간격을 유지하는 방법이 두 반사막 사이에 직경이 일정한 글라스 비드(glass bead)를 뿌려주는 방법으로 제어된다. 이렇게 글라스 비드(glass bead)를 뿌려주는 방법으로 반사막 사이의 거리를 결정하는 방법으로는 반사막 기판 사이 거리를 대략 10％ 정도의 오차를 가지는 정도의 정밀도를 가지고 있다. 그러나 파장 선택을 위한 에탈론 필터에서는 5％ 이내의 매우 정밀한 반사막 사이 거리를 제어 할 필요가 있으며, 더욱 바람직하게는 2％ 이내의 정밀한 거리 조절이 필요하다. 이러한 높은 정밀도는 기존의 글라스 비드(glass bead) 방법으로는 제어하기가 매우 곤란한 수준이다.
본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼(wafer) 크기의 공정을 통해 2차원 배열 형태로 에탈론 필터의 틀을 형성하고, 이렇게 제작된 복수 개의 에탈론 필터에 한꺼 번에 액정을 주입하여 봉입한 후 각각의 에탈론 필터로 분리하는 방법으로 제작되어 에탈론 제작 비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 하는 파장 가변 필터의 제작 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에탈론 필터의 외주면에 전극을 형성하여 에탈론 필터를 외부 전원에 용이하게 연결되도록 하고, 에탈론 필터의 반사막 증착이 에탈론 필터의 기판에 스트레스를 가하지 않는 방법으로 이루어지도록 함으로써 얇은 기판을 이용하여 에탈론 필터의 제작이 용이하도록 하며, 또한 반사막 사이의 거리를 매우 정밀하게 조절하게 할 수 있도록 하는 파장 가변 필터의 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파장 가변 필터의 제작 방법은 반도체 기판 위에 결정 성장이나 증착을 통해 반사막을 형성하는 단계와; 상기 반사막 위에 스페이스층을 형성하는 단계와; 상기 스페이스층의 일부를 식각하여 유체가 포함될 수 있는 공간을 형성하는 단계와; 상기 반사막과 스페이스층이 형성된 두 개의 반도체 기판을 스페이스층이 맞대지도록 접합하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 반도체 기판은 n형 또는 p형으로 도핑된 GaAs, InP, Si 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사막은 GaAs와 AlGaAs를 교대로 적층하거나 조성비율이 다른 Al(x)Ga(1-x)As과 Al(y)Ga(1-y)As가 교대로 적층되어 형성될 수 있으며, InP와 InGaAsP를 교대로 적층하거나 조성 비율이 서로 다른 InGaAsP층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판은 GaAs 또는 InP 재질을 포함하여 이루어지며, 상기 스페이서층은 상기 반도체 기판과 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 반사막과 스페이서층 사이에는 선택 식각을 용이하게 하는 식각정지층이 더 형성될 수 있으며, 상기 일측 상부에 반사막이 형성된 반도체 기판의 타측 상부에는 금속 전극이 더 증착되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 파장 가변 필터의 제작 방법은 반도체 기판 위에 반사막을 형성하는 단계와; 상기 반사막이 형성된 적어도 어느 하나의 반도체 기판에 반도체 기판을 관통하는 관통공을 형성하는 단계와; 상기 관통공이 형성된 반도체 기판과 관통공이 형성되지 않은 반도체 기판을 맞붙혀 내측에 공간이 형성된 몸체 외형을 형성하는 단계와; 상기 관통공을 통하여 온도, 전기장, 자기장 중 어느 하나를 포함하는 외부 요인에 의해 굴절률이 변화하는 유체를 몸체 내부로 주입하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 유체는 액정이거나, 에폭시를 포함하는 고분자 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 접합되는 두 개의 반도체 기판의 스페이스층은 금속 용융에 의한 접합, 고분자 재료에 의해 접합, 스페이스층의 직접 접합 방식 중 어느 하나의 방식을 통하여 접합되게 되는데, 상기 금속 용융에 의한 접합에 이용되는 금속은 Au 또는 AuSn을 주성분으로 하는 금속인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 파장 가변 필터의 제작 방법은 2차원으로 배열된 여러 개의 에탈론 필터로 일괄 제작할 수 있어 종래에 비해 제작 비용이 저렴해지는 장점이 있으며, 결정 성장 방식으로 반사막 사이의 거리를 조절하므로 매우 정밀한 에탈론 필터의 공진기 길이를 조절 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 반도체 기판과 격자 상수가 일치하는 반도체 물질을 이용하여 반사막을 성장할 경우 반사막에 의해 기판에 가해지는 스트레스가 최소화 될 수 있으므로 기판의 두께를 얇게 제작할 수 있어 소형의 에탈론 필터 제작에 유리하며, 전기 전도성이 있는 반도체 기판을 사용하므로 에탈론 필터의 기판 외부면에서 전기 전극을 형성할 수 있어 에탈론 필터의 제작이 용이해지는 효과가 있다.
도 1은 종래 파장 선택 필터의 일례,
도 2는 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터의 단면도,
도 3은 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터에서 에탈론 필터 내부로 액정을 주입하는 모습을 보여주는 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 반사막과 식각정지층 및 스페이서층이 증착된 반도체 기판의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 액정을 담을 수 있는 공간을 확보하기 위해 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 에탈론 필터 외형 완성 후 액정을 주입하기 위해 관통공이 형성된 반도체 기판의 단면도,
도 8은 본 발명에 따라 반도체 기판에 액정을 담을수 있도록 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판과 관통공이 형성된 반도체 기판의 스페이서층을 접합시켜 에탈론 필터의 외형을 완성하는 과정을 나타낸 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 반도체 기판을 통과하는 관통공이 형성된 2차원 배열의 형태로 제작된 에탈론 필터의 사시도,
도 10은 본 발명에 따라 두 기판을 접합하기 위한 Au/AuSn 접합 금속과 외부 전극과의 전기적 연결을 위해 전극이 형성된 에탈론 필터의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터의 단면도,
도 3은 종래 액정을 이용하는 에탈론 필터에서 에탈론 필터 내부로 액정을 주입하는 모습을 보여주는 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 반사막과 식각정지층 및 스페이서층이 증착된 반도체 기판의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 액정을 담을 수 있는 공간을 확보하기 위해 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 에탈론 필터 외형 완성 후 액정을 주입하기 위해 관통공이 형성된 반도체 기판의 단면도,
도 8은 본 발명에 따라 반도체 기판에 액정을 담을수 있도록 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판과 관통공이 형성된 반도체 기판의 스페이서층을 접합시켜 에탈론 필터의 외형을 완성하는 과정을 나타낸 개념도,
도 9는 본 발명에 따른 반도체 기판을 통과하는 관통공이 형성된 2차원 배열의 형태로 제작된 에탈론 필터의 사시도,
도 10은 본 발명에 따라 두 기판을 접합하기 위한 Au/AuSn 접합 금속과 외부 전극과의 전기적 연결을 위해 전극이 형성된 에탈론 필터의 단면도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 한정하지 않는 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 파장 가변 필터는 에탈론 필터인 것을 실시예로 들어 설명하기로 하는데, 이에 따라 본 발명의 실시예에서 명칭되는 에탈론 필터는 파장 가변 필터를 의미한다.
도 4는 본 발명이 실시예에 따른 DBR 형식의 반사막과 식각정지층 및 스페이서층이 증착된 반도체 기판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파장 가변 필터인 에탈론 필터를 제작하기 위하여 먼저 반도체 기판(100)에 박사막(115)과 식각정치층(120) 및 스페이서층(130)을 형성하게 된다. 이를 보다 상세히 설명하면, 먼저 GaAs 반도체 기판(100)의 일측 상부에 AlGaAs(110)층과 GaAs 층(111)을 교대로 성장하여 GaAs/AlGaAs DBR(distributed Bragg reflector) 구조의 반사막(115)을 성장한 후, GaAs와 선택 식각이 용이한 반도체 물질, 예를 들면 InGaP 등의 식각정지층(120)을 성장하고, 그 위에 GaAs 스페이서(spascer ; 간격재)층(130)을 성장하게 된다.
도 4에서와 같이, 본 발명의 실시예에서는 GaAs 반도체 기판(100)을 이용한 반도체 성장을 예로 들어 설명하였지만, 이는 다른 반도체 기판이 적용될 수 있는데, 예로 들면 InP 기판을 사용하며, InP와 InGaAsP 물질 등을 결정 성장하는 방법도 적용 가능하다. 이러한 본 발명의 실시예에 있어서 반도체 기판이 n-type 또는 p-type 도전성 특성을 가지는 것이 바람직하다.
상기 GaAs/AlGaAs DBR 구조의 반사막(115)을 구성하는 GaAs는 반도체 기판 GaAs와 동일한 물질이므로 반도체 결정 성장시 DBR 구성 물질과 반도체 기판 사이에 격자 상수 차이에 의한 스트레스가 없다. 또한, AlGaAs 물질의 경우 Al과 Ga의 원자 크기가 매우 유사하여 DBR의 AlGaAs 구성 물질 또한 GaAs 반도체 기판과의 격자 상수 차이가 무시할 수 있을 정도로 작아 GaAs/AlGaAs DBR을 GaAs 반도체 기판에 성장할 경우 DBR과 GaAs 기판과의 격자 상수 차이에 의한 스트레스로 인하여 기판 자체가 휘는 현상이 발생하지 않는다. 그러므로 웨이퍼(wafer) 상태로 GaAs/AlGaAs DBR 구조를 GaAs 기판 위에 성장하여도 DBR 구조가 포함된 기판 구조가 휘어지지 않으므로 2장의 웨이퍼를 접합시켜 에탈론 필터를 제작하기가 매우 용이하여진다. 본 발명의 실시예에서는 설명을 간단하게 하기 위해 GaAs/AlGaAs 반도체층을 이용한 DBR 구조를 설명하였지만, 이는 Al(x)Ga(1-x)As/Al(y)Ga(1-y)As 등 Al과 Ga의 조성 비율이 다른 물질을 교대로 적층하는 것도 가능하다
상기 GaAs/AlGaAs DBR 반사막(115) 위에는 GaAs와 선택적 식각이 용이한 층이 삽입될 수 있으며, 바람직하게는 GaAs에 격자 정합된 InGaP 층을 삽입한 후 스페이서층(130)으로 사용될 GaAs 층을 성장 한다. 선택 식각이 용이하게 하는 물질을 식각정지층(120)으로 부르기로 한다. 상기 스페이서층(130)은 꼭 GaAs 층으로 국한 될 필요는 없으나, GaAs 기판(100)과 동일한 물질이므로 성장이 용이한 장점이 있다.
한편, 상기 InGaP 선택식각층(120)은 습식 식각 방식으로 GaAs 스페이서층(130)을 식각할 때 식각 정지를 위한 층으로 삽입되나, DBR 반사막(115)과 스페이서층(130)이 식각 속도가 차이가 나는 습식 식각 용액을 사용할 경우에는 생략하여도 무방한 층이다.
상기 GaAs 등의 반도체 기판(100)위에 GaAs/AlGaAs DBR 반사막(115)과 스페이서층(130)의 성장에는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(Molecular beam epitaxy), VPE(Vapor phase epitaxy), LPE(Liquid Phase Epitaxy)등의 결정 성장 방법 등을 이용 할 수 있다. 상기 GaAs 기판(100)은 n 또는 p형 반도체 기판인 것이 바람직하며 도핑 농도는 1E18이상인 것이 바람직하며, 반도체 기판에 성장되는 DBR 반사막(115), 스페이서층(130) 등은 도핑하지 않은 물질이 바람직하며, 배경 도핑 농도가 1E16 이하인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액정을 담을 수 있는 공간을 확보하기 위해 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 단면도이고, 도 6은 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판의 사시도를 나타낸 것이다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 도 4의 방법으로 제작된 GaAs/AlGaAs DBR 반사막(115)과 스페이서층(130)이 성장된 반도체 기판(100)에서, 액정이 담겨질 수 있도록 습식 식각 방법을 이용하여 스페이서층(130) 일부가 제거된다.
상기 스페이서층(130)층의 식각은 통상적인 photo-lithography 방법을 사용 할 수 있다. 이때, 상기 스페이서층(130)의 테두리는 식각하지 않고 남겨두는 형태로 제작되어, 이렇게 제작된 2장의 반사막 코팅 반도체 기판(100)을 서로 마주보게 접합하면 테두리에 남겨진 스페이서층(130)이 접합하여 스페이서층(130)이 식각된 부분이 빈 공간으로 남겨진 상태로 에탈론 필터가 조립되게 된다. 이때 스페이서층(130)의 두께를 더한 길이가 에탈론 필터의 공진기 길이가 되는데, 이 스페이서층(130)의 두께는 통상의 결정 성장 방식에서 5％ 이하, 더욱 정밀하게는 1％ 정도의 두께를 정밀 조절할 수 있어 에탈론 필터의 공진기 길이를 매우 정밀하게 조절 할 수 있다.
한편, 두 장의 반사막이 증착된 반도체 기판을 바로 접합하게 되면 액정을 주입 할 공간이 없으므로 2장의 반도체 기판 중 한 장의 기판에는 액정을 주입하기 위한 관통공(200)을 형성하는 것이 바람직하다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 에탈론 필터 외형 완성 후 액정을 주입하기 위해 관통공이 형성된 반도체 기판의 단면도를 나타낸 것으로, 이러한 액정 주입용 관통공(200)은 습식 식각, 건식 식각, 레이저 천공 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 반도체 기판에 액정을 담을수 있도록 스페이서층의 일부가 식각된 반도체 기판과 관통공이 형성된 반도체 기판의 스페이서층을 접합시켜 에탈론 필터의 외형을 완성하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 관통공(200)이 형성된 반사막이 증착된 반도체 기판과 관통공이 형성되지 않은 반도체 기판을, 식각되지 않은 스페이서층(130)을 맞대기 방식으로 접착시켜 에탈론 필터의 외형을 완성한다. 스페이서층(130)을 맞대기 방식으로 직접 부착하는 방법으로 결합시키는 것이 가능하며, 또한 에폭시 등을 매개로 하여 2장의 기판을 붙이는 방법도 가능하며, Au 및 AuSn을 남겨진 스페이서층(130) 위에 증착 한 후 AuSn eutetic bonding에 의해 2장의 기판을 결합하는 것도 가능하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 기판을 통과하는 관통공이 형성된 2차원 배열의 형태로 제작된 에탈론 필터의 사시도를 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 도 8의 방법으로 외형이 완성된 에탈론 필터가 2차원으로 배열되어 제작되는데, 에탈론 필터의 기판쪽으로 형성된 관통공(200)을 통하여 에탈론 필터의 외형이 완성된 이후에 액정을 주입할 수 있으므로 에탈론 필터의 외형을 2차원 배열의 형태로 일괄 제작 한 후, 액정 주입과 관통공(200) 밀봉 이후에 에탈론 필터를 2차원 배열에서 분리해 냄으로써 하나의 개별 에탈론 필터의 제작이 완성된다. 그러므로 본 발명에 의한 에탈론 필터는 에탈론 필터의 외형이 2차원 배열의 형태로 완성되므로 제작 비용이 매우 절감될 수 있으로, 제작이 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 두 기판을 접합하기 위한 Au/AuSn 접합 금속과 외부 전극과의 전기적 연결을 위해 전극이 형성된 에탈론 필터의 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따라 제작되는 에탈론 필터는 n형 또는 p형으로 도핑된 반도체 기판을 사용하므로 기판 자체가 도전성을 가진다. 이에 비해 DBR 반사막(115) 및 GaAs 스페이서층(130)은 도핑을 하지 않은 상태로 성장시킴으로써 전기 저항이 매우 높아지는 특성을 가지고 있다. 그러므로 두 장의 기판을 맞대기 형태로 접합하여도 접합 부위를 통한 전기 누설은 매우 적다.
따라서, 도 10과 같이 기판의 외부에 전극(300)을 형성하고 전압을 가하여도 이러한 전압이 기판의 접합 부위를 통하여 누설 전류로 작용하지 않는다. 그러므로 본 발명에 의한 에탈론 필터의 전극(300)은 에탈론 필터의 외주면에 형성할 수 있으며, 이에따라 종래의 액정을 이용하는 에탈론 필터가 기판에서 액정과 인접한 면에 전극을 형성해야만 하는 방법에 비해 외형 모습이 단순하여 사용이 용이해지며, 또한 2차원 배열의 형태로 에탈론 필터를 제작하는 것이 가능하게 된다. 도 10에서 도면부호 400은 두 기판을 접합하기 위한 Au/AuSn 접합 금속을 나타낸다.
상술한 본 발명의 실시예에 있어서 굴절률이 변화하는 매질로 액정을 예시하고 있지만 이는 하나의 예시일 뿐으로 굴절률이 온도 또는 전압, 자기장 등의 세기에 따라 변화하는 어떠한 액체 성분의 매질도 적용될 수 있다. 또한 관통공을 통하여 외부에서 주입되는 시점에서 유체이면 유체가 에탈론 필터 내부로 주입 된 이후에는 고체화하여도 에탈론 필터를 제작하는데 문제가 없으므로, 에폭시 등의 액체를 에탈론 필터 내부로 주입 한 후 에폭시 경화 과정을 거쳐도 에탈론 필터의 제작이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에서느 반도체 기판은 GaAs를 예로 들었지만, InP를 반도체 기판으로 하고, InP 및 InGaAsP를 DBR 물질로 사용하며, InP를 스페이서층으로 활용하는 방법도 가능하다. 또한, Si 기판을 사용하고 Si에 SiO2/TiO2등의 유전체 박막을 증착하여 반사막을 형성한 후 Si 등으로 스페이서층을 형성하는 방법도 가능하다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에서는 반도체 기판을 이용하여 파장 가변 필터를 제작하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이는 반도체 기판이 아닌 다른 재질의 기판을 적용하여 파장 가변 필터를 제작할 수도 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 기판을 관통하여 관통공을 형성하고, 적어도 하나의 기판에 관통공이 형성된 두 장의 기판을 맞붙이는 형태로 제작되는 에탈론 필터에 있어서, 기판이 꼭 반도체 기판이 아니어도, 2차원 배열의 형태로 일괄적으로 에탈론 필터의 틀을 형성하는데 있어서 관통공을 이용하는 방법이 적용 가능하다.
즉, 반도체 기판이 아닌 유리나 석영(quartz) 등의 재질로 이루어진 기판에 유전체 박막을 이용하여 반사막을 형성하고, 적어도 기판의 어느 한 쪽에 기판을 관통하는 관통공을 형성한 후, 두장의 기판을 적절하게 간격을 유지할 수 있는 스페이서를 삽입하여 부착시켜 에탈론 필터의 몸체 외형을 완성 한 후, 기판에 뚫려 있는 관통공을 이용하여 유체를 삽입시키는 방법의 에탈론 필터의 제작이 가능하다. 그러므로 기판을 관통하는 관통공을 이용하여 유체를 유입시키는 방법은 꼭 반도체 기판이 아니어도 적용이 가능한 독립적인 특성을 가진다. 상술한 실시예에서 기판이 반도체이어야 하는 것은 기판 외부면에 전극을 부착 할 경우에 적절히 활용되는 방법이며, 에탈론 필터 내부 굴절률 변화 물질의 굴절률 변화 방법이 전기적 방법이 아닐 경우에는 이와 같이 반도체 기판 이외의 다른 재질로 이루어진 기판이 사용되어도 무방하다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : GaAs 반도체 기판 110 : AlGaAs 층
111 : GaAs 층
115 : GaAs/AlGaAs DBR(Distributed Bragg Reflector) 반사막
120 : InGaP 식각정지층 130 : GaAs 스페이서층
200 : 액정 주입용 관통공 300 : 금속 전극
400 : Au/AuSn 접합 금속
111 : GaAs 층
115 : GaAs/AlGaAs DBR(Distributed Bragg Reflector) 반사막
120 : InGaP 식각정지층 130 : GaAs 스페이서층
200 : 액정 주입용 관통공 300 : 금속 전극
400 : Au/AuSn 접합 금속
Claims (13)
- (a) 반도체 기판(100) 위에 결정 성장이나 증착을 통해 반사막(115)을 형성하는 단계와;
(b) 상기 반사막(115) 위에 스페이스층(130)을 형성하는 단계와;
(c) 상기 스페이스층(130)의 일부를 식각하여 유체가 포함될 수 있는 공간을 형성하는 단계와;
(d) 상기 반사막(115)과 스페이스층(130)이 형성된 두 개의 반도체 기판(100)을 스페이스층(130)이 맞대지도록 접합하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 반도체 기판(100)은 n형 또는 p형으로 도핑된 GaAs, InP, Si 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 반사막(115)은 GaAs와 AlGaAs가 교대로 적층되거나, 조성비율이 다른 Al(x)Ga(1-x)As과 Al(y)Ga(1-y)As가 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 반사막(115)은 InP와 InGaAsP가 교대로 적층되거나, 조성 비율이 서로 다른 InGaAsP층이 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 반도체 기판(100)은 GaAs 또는 InP 재질을 포함하여 이루어지며, 상기 스페이서층(130)은 상기 반도체 기판(100)과 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 반사막(115)과 스페이서층(130) 사이에는 선택 식각을 용이하게 하는 식각정지층(120)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 접합되는 두 개의 반도체 기판(100)의 스페이스층(130)은 금속 용융에 의한 접합, 고분자 재료에 의해 접합, 스페이스층의 직접 접합 방식 중 어느 하나의 방식을 통하여 접합되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 금속 용융에 의한 접합에 이용되는 금속은 Au 또는 AuSn을 주성분으로 하는 금속인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 일측 상부에 반사막(115)이 형성된 반도체 기판(100)의 타측 상부에는 금속 전극(300)이 더 증착되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - (a) 기판 위에 반사막을 형성하는 단계와;
(b) 상기 반사막이 형성된 적어도 어느 하나의 기판에 기판을 관통하는 관통공을 형성하는 단계와;
(c) 상기 관통공이 형성된 기판과 관통공이 형성되지 않은 기판을 맞붙혀 내측에 공간이 형성된 몸체 외형을 형성하는 단계와;
(d) 상기 관통공을 통하여 온도, 전기장, 자기장 중 어느 하나를 포함하는 외부 요인에 의해 굴절률이 변화하는 유체를 몸체 내부로 주입하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1 또는 청구항 10에 있어서,
상기 유체는 액정인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1 또는 청구항 10에 있어서,
상기 유체는 에폭시를 포함하는 고분자 재료인 것을 특징으로 하는 파장 가변 필터의 제작 방법. - 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 하나의 방법으로 제작된 파장 가변 필터.
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