KR20130069138A - 굴절율 의사상변화 및 식각을 이용한 광소자의 파장가변 방법 - Google Patents

굴절율 의사상변화 및 식각을 이용한 광소자의 파장가변 방법 Download PDF

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Abstract

광소자의 파장 가변 방법이 제공된다. 이 방법은 기판 상에 코어 패턴을 형성하는 단계, 코어 패턴을 덮는 유전체층을 형성하는 단계, 및 유전체층을 열처리하여 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계를 포함하되, 유전체층은 실리콘 산질화막(SiON)이다.

Description

굴절율 의사상변화 및 식각을 이용한 광소자의 파장가변 방법{Method for tuning Wavelength of Optical devices using Refractive index Quasi-phase change and etching}
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴절율 의사상변화 및 식각을 이용한 광소자의 파장가변 방법에 관한 것이다.
광통신 기술의 필수적인 광소자는 광원과 광 검출기 외에 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터 등이 있다. 실리카 광소자는 광섬유 통신에 사용되는 광분배기 및 파장 분할 소자등에 주요 소자로 사용되고 있으며, 폴리머 광소자 역시 상기 실리카 광소자와 함께 화합물 반도체의 광원 및 광센서에 주요 소자로 사용되고 있다.
상기 광스위치, 광변조기, MUX/DEMUX 필터와 같은 광소자는 그 기능과 역할이 다르지만, 기본적인 기술 내용을 공유하거나 같은 소자를 다르게 응용한 경우가 많다. 이와 같은 광소자는 공통적으로 빛의 특정한 파장에서만 정상적으로 동작하는 파장 의존성을 갖고 있다. 즉, 광도파로로 이용되는 코어층 및 유전체층은 특정한 파장 영역대의 광을 도파시키는 역할을 수행한다.
일반적인 광소자는 한번 제작되면, 그 광소자의 광 파장 영역대가 특정되어 이를 가변시킬 수 없어, 다른 기능과 역할을 하는 여러 종류의 광소자로 응용할 수 없는 어려움이 있다. 따라서, 주변 온도변화, 소자 제작 공정, 사용하고자 하는 광원 등에 따라 광소자의 동작 파장을 변화시킬 수 있는 광소자의 제조 방법 및 파장 가변 방법의 필요성이 제기된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 광소자의 동작 파장 영역대를 변화시킬 수 있는 광소자의 파장가변 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법은 기판 상에 코어 패턴 및 상기 코어 패턴을 덮는 유전체층을 포함하는 광소자를 형성하는 단계 및 상기 광소자를 열처리하여 상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계를 포함하되, 상기 유전체층은 실리콘 산화질화막(SiON)일 수 있다.
상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 유전체층의 증착 온도에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 유전체층을 열처리하여 상기 유전체층 내에 포함된 산소 또는 질소를 부분적으로 승화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 광소자의 일부를 부분적으로 열처리하여 상기 유전체층의 특정 영역의 굴절율을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코어 패턴은 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 하프늄 산화막(HfO2), 및 도핑된 실리콘 산화막(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광소자를 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 코어 패턴의 상면 또는 상기 코어 패턴의 상면 및 측면을 덮도록 상기 유전체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 기판 및 상기 코어 패턴 사이에 개재되는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 하부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다. 상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 유전체층을 덮는 상부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 상부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 폴리머일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법은 기판 상에 코어 패턴, 상기 코어 패턴을 덮는 유전체층, 및 상기 유전체층을 덮는 클래드층을 포함하는 광소자를 형성하는 단계 및 상기 클래드층의 전부 또는 일부를 식각하여 상기 클래드층의 굴절율을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클래드층의 굴절율을 감소시키는 단계는 상기 유전체층이 노출되도록 상기 클래드층을 식각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체층의 일부를 식각하여 상기 유전체층의 굴절률을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 코어 패턴은 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 하프늄 산화막(HfO2), 및 도핑된 실리콘 산화막(SiO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 유전체층은 실리콘 산화질화막(SiON)일 수 있으며, 상기 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 폴리머일 수 있다.
상기 광소자를 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 코어 패턴의 상면 또는 상기 코어 패턴의 상면 및 측면을 덮도록 상기 유전체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 기판 및 상기 코어 패턴 사이에 개재되는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 하부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광소자의 유전체층을 열처리함으로써, 상기 유전체층의 굴절률을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 유전체층 및 코어 패턴을 지나는 광의 파장을 증가시킬 수 있다. 이로써, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
또한, 광소자의 클래드층의 일부를 식각함으로써, 상기 클래드층의 굴절률을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 유전체층 및 코어 패턴을 지나는 광의 파장을 감소시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a 및 도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 링공진기를 400oC에서 열처리하였을 때, 시간에 따른 링공진기의 공진 파장의 변화를 나타낸 투과 스펙트럼이다.
도 5b는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 링공진기를 열처리하였을 때, 각각의 온도에 따른 링공진기의 파장 변화 정도를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 링공진기를 특정 온도로 열처리하였을 때, 시간에 따른 링공진기의 파장 변화를 나타낸 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명자들이 행한 연구와 실험에서 다음과 같은 중요한 현상을 발견을 하였고 광소자의 파장 튜닝 문제를 풀 수 있는 중요한 열쇠가 될 수 있을 것으로 판단된다.
본 발명은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비로 특정한 온도에서 증착한 실리콘 산화질화막(Oxynitride, SiOxNy)을 추후 가열하여 온도를 증가시킬 경우 굴절률 의사 상변화(refractive index quasi-phase change) 현상을 관측한 것이다. 여기서, 굴절률 의사 상변화란 증착 온도 아래에서는 굴절률 변화가 거의 없거나 매우 낮은데 비해, 증착 온도 이상에서는 굴절률이 매우 크게 증가하는 현상을 말한다. 이는 실리콘 산화질화막을 도파로의 상부클래딩층에 삽입할 경우 링 공진기의 공진파장을 쉽고 정밀하게 변화시킬 수 있음을 의미한다.
이는 증착한 실리콘 산화질화막의 승화 현상과 관련이 있는 것으로 판단된다. 실리콘과 질소 (Si-N)간의 결합력과 실리콘과 산소(Si-O)간의 결합력이 달라서 승화 온도가 상이 한 것으로 판단되며 굴절률이 증가하는 것으로 보아 산소가 질소 보다 낮은 온도에서 승화 하는 것으로 보인다. 실리콘 산화막(SiO2)의 굴절률은 약 1.45이고 실리콘 질화막(Si3N4)의 굴절율은 약 2.0이며 실리콘 산화질화막 (SiOxNy)의 굴절률은 산소와 질소의 비율에 따라 1.45 ~2.0의 어느 값이든 취할 수 있다. 실리콘 산화질화막은 증착온도 근처에서 승화(phase change)가 일어나고 승화온도가 산소와 질소에 대해 서로 상이하여 굴절율이 증착온도 근처에서 급격하게 변화하는 의사 상변화(refractive index quasi-phase change)가 발생한다. 이를 이하에서 더 구체적으로 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(1) 상에 하부 클래드층(3)을 형성할 수 있다. 상기 기판(1)은 실리콘(Si) 기판, SOI 기판 또는 글래스(glass) 기판일 수 있다. 상기 하부 클래드층(3)은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다. 상기 하부 클래드층(3)의 두께에는 제한이 없으며, 이용하는 광소자의 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 일례로, 상기 하부 클래드층(3)은 외부로부터 유입되는 불순물을 차단하고, 대략 100nm 이상의 두께로 형성되는 광도파로에 영향을 주지 않기 위하여, 대략 5000nm(or 5um)이하로 형성될 수 있다.
상기 하부 클래드층(3)은 후속 공정인 코어 패턴(5)의 형성 공정 진행시에 상기 코어 패턴(5) 내부의 불순물이 상기 하부 클래드층(3)으로 외부확산(Out diffusion)되는 것을 방지해 주는 기능을 할 수 있으며, 코어층(5a)을 식각할 때 식각저지막으로서 기능할 수 있다.
상기 하부 클래드층(3) 상에 코어층(5a)을 형성할 수 있다. 상기 코어층(5a)은 상기 하부 클래드층(3)보다 굴절률이 큰 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 코어층(5a)은 실리콘(Si), 도핑된 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 및 하프늄 산화막(HfO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 하부 클래드층(3) 및 상기 코어층(5a)은 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 상기 하부 클래드층(3) 및 상기 코어층(5a)은 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition) 방법 또는 LPCVD(Low Pressure CVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이와는 달리, 상기 기판(1)은 상기 하부 클래드층(3) 및 상기 코어층(5a)을 포함하는 SOI(Silicon on Insulator) 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 하부 클래드층(3)은 실리콘 산화막일 수 있으며, 상기 코어층(5a)은 실리콘일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 코어층(5a)을 식각하여 코어 패턴(5)을 형성할 수 있다. 상기 코어 패턴(5)을 형성하는 것은 포토레지스트를 노광 및 현상하여 상기 코어 패턴(5)을 형성할 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 식각 공정을 수행하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거함으로써 상기 코어 패턴(5)을 형성할 수 있다. 상기 코어 패턴(5)은 광소자의 광이 지나가는 광도파로로 이용될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 코어 패턴(5)이 형성된 상기 기판(1) 상에 보조 유전체층(7)을 형성할 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 실리콘 산화질화막(SiON)일 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD 방법 또는 LPCVD 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 일례로, 상기 보조 유전체층(7)은 상기 하부 클래드층(3)의 두께와 동일한 두께로 형성될 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 상기 코어 패턴(5)을 덮도록 형성되어, 상기 코어 패턴(5)을 보호하는 기능을 할 수 있다. 상기 보조 유전체층(7)은 상기 코어 패턴(5)과 함께 광도파로로 이용될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 보조 유전체층(7) 상에 상부 클래드층(9)을 형성할 수 있다. 상기 상부 클래드층(9)은 굴절률의 분포가 일정하고, 상기 코어 패턴(5)보다 굴절률이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 상기 상부 클래드층(9)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 이미드, 아크릴레이트와 같은 폴리머일 수 있다.
상기 상부 클래드층(9)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD 방법, LPCVD 방법, 또는 APCVD(Atmospheric pressure CVD) 방법으로 형성될 수 있으며, 상기 증착 공정 후에 고온 처리를 함으로써 상기 상부 클래드층(9)이 일정한 굴절률 분포를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 하부 및 상부 클래드층(3, 9)은 동일한 굴절률을 갖도록 동일한 물질로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 광소자의 구조는 실리콘 링공진기 뿐만 아니라 AWG, Echelle gating과 같은 소자에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명은 상기 보조 유전체층(7)을 상기 코어 패턴(5)을 덮도록 실리콘 산화질화막으로 형성함으로써, 광소자의 광 파장을 가변시키는 기능을 할 수 있다. 이를 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 2a 내지 도2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 따라 제조된 광소자의 상기 코어 패턴(5)의 파장을 증가시키기 위하여, 상기 광소자를 열처리할 수 있다.
상기 광소자를 열처리하여 온도를 증가시킬 경우, 상기 보조 유전체층(7)에서 굴절률 의사 상변화(refractive index quasi-phase change) 현상이 유도될 수 있다. 상기 굴절률 의사 상변화란, 특정 물질을 그 물질의 증착 온도 아래에서 열처리할 경우 그 물질의 굴절률은 변화가 거의 없거나 매우 낮은데 비해, 증착 온도 이상으로 열처리할 경우 그 물질의 굴절률이 크게 증가하는 현상을 말한다.
즉, 실리콘 산화질화막으로 형성된 상기 보조 유전체층(7)을 열처리하여 증착 온도 근처에서 승화(phase change)가 일어나면, 상기 보조 유전체층(7) 내에 포함된 산소와 질소의 승화온도가 서로 상이하여 증착 온도 근처에서 굴절률이 급격하게 변화하는 의사상변화(refractive index quasi-phase change) 현상이 발생할 수 있다. 상기 증착 온도는 대략 400oC일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 실리콘 산화질화막(SiON)으로 제공되는 상기 보조 유전체층(7)을 그 증착 온도 이상으로 열처리하면, 실리콘과 질소(Si-N) 간의 결합력과 실리콘과 산소(Si-O)간의 결합력이 달라, 그에 따라 질소와 산소가 상이한 온도에서 승화될 수 있다. 일례로, 상기 실리콘과 산소(Si-O) 간의 결합력은 상기 실리콘과 질소(Si-N) 간의 결합력보다 약해, 산소는 질소보다 낮은 온도에서 승화될 수 있다. 실리콘 질화막의 굴절률은 실리콘 산화막의 굴절률보다 크므로, 산소가 질소보다 먼저 승화됨에 따라, 상기 보조 유전체층(7)의 굴절률은 증가할 수 있다.
상기 실리콘 산화막(SiO2)의 굴절률은 대략 1.45이고, 상기 실리콘 질화막(Si3N4)의 굴절율은 대략 2.0이며, 상기 실리콘 산질화막(SiOxNy)의 굴절률은 산소와 질소의 비율에 따라 대략 1.45 내지 2.0 사이의 값을 가질 수 있다.
상기 보조 유전체층(7)을 열처리함으로써, 상기 보조 유전체층(7)의 굴절률을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 보조 유전체층(7) 및 상기 코어 패턴(5)을 지나는 광의 파장을 증가시킬 수 있다. 이로써, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 따라 제조된 광소자의 광 파장을 감소시키기 위하여, 상기 상부 클래드층(9a)을 식각할 수 있다.
상기 상부 클래드층(도2a의 9)은 전체적으로 식각되어, 도 2b에 도시된 바와 같이 두께가 얇은 상부 클래드층(9a)을 형성할 수 있다. 상기 상부 클래드층(9a)은 건식 또는 습식 식각 공정을 이용하여 식각될 수 있다. 일례로, 상기 건식 식각 공정은 Reactive ion etching(RIE)를 포함할 수 있으며, 상기 습식 식각 공정은 HF용액을 이용한 식각 공정을 포함할 수 있다.
상기 상부 클래드층(9a)이 식각됨으로써 두께가 얇아지면, 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있다. 일례로, 상기 상부 클래드층(9a)은 대략 1.45의 굴절률을 갖는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있으며, 상기 보조 유전체층(7)은 대략 1.45 내지 2.0의 굴절률을 갖는 실리콘 산질화막으로 형성될 수 있다. 상기 상부 클래드층(9a)의 외부인 공기의 굴절률은 1.0이므로, 상기 상부 클래드층(9a)이 식각되어 두께가 얇아짐으로써 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있다.
상기 상부 클래드층(9a)을 식각함으로써, 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 보조 유전체층(7) 및 상기 코어 패턴(5)을 지나는 광의 파장을 감소시킬 수 있다. 이로써, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
상기 상부 클래드층(9a)의 두께에는 제한이 없으며, 상기 식각 공정을 수행하여 형성되는 상기 상부 클래드층(9a)의 모양은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 상기 상부 클래트층(9a)의 두께 및 모양은 이를 이용하는 광소자의 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 상부 클래드층(9b)은 부분적으로 식각될 수 있다. 상기 식각 공정은 건식 또는 습식 식각 공정을 포함할 수 있으며, 상기 상부 클래드층(9b)을 부분적으로 식각함으로써, 상기 광소자의 굴절률을 조절할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 상부 클래드층(9c)은 상기 보조 유전체층(7)의 상부면이 노출되도록 식각될 수 있다. 이 경우, 상기 보조 유전체층(7)의 상부면이 함께 식각될 수도 있다. 일례로, 상기 보조 유전체층(7)은 대략 1.45 내지 2.0의 굴절률을 갖는 실리콘 산질화막으로 형성될 수 있으며, 상기 보조 유전체층(7)의 외부인 공기의 굴절률은 1.0이므로, 상기 보조 유전체층(7)이 식각되어 두께가 얇아짐으로써 상기 광소자의 굴절률을 더욱 감소시킬 수 있다.
이로써, 상기 상부 클래드층(9c) 및 상기 보조 유전체층(7)을 식각함으로써, 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 보조 유전체층(7) 및 상기 코어 패턴(5)을 지나는 광의 파장을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
도 3a 및 도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(10a) 상에 하부 클래드층(10b), 코어층(10c) 및 보조 유전체막(11a)을 차례로 형성할 수 있다. 상기 기판(10a)은 실리콘(Si) 기판 또는 글래스(glass) 기판일 수 있다. 상기 하부 클래드층(10b)은 실리콘 산화막(SiO2) 일 수 있다. 상기 코어층(10c)은 실리콘(Si), 도핑된 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 및 하프늄 산화막(HfO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 하부 클래드층(10b) 및 상기 코어층(10c)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition) 방법 또는 LPCVD(Low Pressure CVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
이와는 달리, 상기 기판(10a)은 상기 하부 클래드층(10b) 및 상기 코어층(10c)을 포함하는 SOI(Silicon on Insulator) 기판일 수 있으며, 이 경우 상기 하부 클래드층(10b)은 실리콘 산화막일 수 있고, 상기 코어층(10c)은 실리콘일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 유전체층(11a)이 형성된 상기 기판(10a) 상에 포토레지스트를 노광 및 현상하여 코어 패턴을 형성할 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성할 수 있으며, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 식각 공정을 수행하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하여 코어 패턴(13) 및 보조 유전체 패턴(11)을 형성할 수 있다. 상기 보조 유전체 패턴(11)은 상기 코어 패턴(13)의 상부면을 덮도록 형성될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 코어 패턴(13) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)을 덮는 상부 클래드층(12)을 형성할 수 있다. 상기 상부 클래드층(12)은 상기 코어 패턴(13) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)의 전면을 덮도록 형성될 수 있다.
상기 상부 클래드층(12)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD(Plasma Enhanced Vapor Deposition) 방법 또는 LPCVD(Low Pressure CVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
다른 예로, 도 3d를 참조하면, 상기 기판(10) 상에 보조 유전체막을 형성하고, 이를 식각하여 상기 기판(10)의 돌출부(10d) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)을 형성할 수 있다.
도 3e를 참조하면, 상기 기판(10)을 열산화시켜 클래드층(12)을 형성하여, 상기 기판(10)과 이격된 코어 패턴(13) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)을 형성할 수 있다. 그 후, 상기 클래드층(12)을 더 증착하여, 상기 클래드층(12)이 상기 코어 패턴(13) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)의 전면을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 보조 유전체 패턴(11)은 상기 코어 패턴(13)과 함께 광도파로로 이용될 수 있다.
본 실시예에 따른 광소자는 상기 보조 유전체 패턴(11)이 상기 코어 패턴(13)의 상부면을 덮도록 실리콘 산질화막으로 형성함으로써, 광소자의 광 파장을 가변시키는 기능을 할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광소자의 파장 가변 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 도 3a 내지 도 3e에 따라 제조된 광소자의 상기 코어 패턴(13)의 파장을 증가시키기 위하여, 상기 광소자를 열처리할 수 있다. 도 4a 내지 도 4d는 도 3e에 따라 형성된 광소자를 예로 들어 도시하였으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다.
상기 광소자를 열처리하여 온도를 증가시킬 경우, 상기 보조 유전체 패턴(11)에서 굴절률 의사 상변화(refractive index quasi-phase change) 현상이 유도될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 실리콘 산질화막(SiON)으로 제공되는 상기 보조 유전체 패턴(11)을 그 증착 온도 이상으로 열처리하면, 실리콘과 질소(Si-N) 간의 결합력과 실리콘과 산소(Si-O)간의 결합력이 달라, 그에 따라 질소와 산소가 상이한 온도에서 승화될 수 있다. 일례로, 상기 실리콘과 산소(Si-O) 간의 결합력은 상기 실리콘과 질소(Si-N) 간의 결합력보다 약해, 산소는 질소보다 낮은 온도에서 승화될 수 있다. 실리콘 질화막의 굴절률은 실리콘 산화막의 굴절률보다 크므로, 산소가 질소보다 먼저 승화됨에 따라, 상기 보조 유전체 패턴(11)의 굴절률은 증가할 수 있다. 상기 열처리 온도는 상기 보조 유전체 패턴(11)의 증착 온도에 의해 결정될 수 있으며, 대략 400oC일 수 있다.
상기 보조 유전체 패턴(11)을 열처리함으로써, 상기 보조 유전체 패턴(11)의 굴절률을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 보조 유전체 패턴(11) 및 상기 코어 패턴(13)을 지나는 광의 파장을 증가시킬 수 있다. 이로써, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 3a 내지 도 3e에 따라 제조된 광소자의 광 파장을 감소시키기 위하여, 상기 클래드층(12)을 식각할 수 있다.
상기 클래드층(12)은 전체적으로 식각되어, 도 4b에 도시된 바와 같이 두께가 얇은 클래드층(12a)을 형성할 수 있다. 상기 클래드층(12a)은 건식 또는 습식 식각 공정을 이용하여 식각될 수 있다. 일례로, 상기 건식 식각 공정은 Reactive ion etching(RIE)를 포함할 수 있으며, 상기 습식 식각 공정은 HF용액을 이용한 식각 공정을 포함할 수 있다.
상기 클래드층(12a)이 식각됨으로써 두께가 얇아지면, 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있다. 일례로, 상기 클래드층(12a)은 대략 1.45의 굴절률을 갖는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있으며, 상기 보조 유전체 패턴(11)은 대략 1.45 내지 2.0의 굴절률을 갖는 실리콘 산질화막으로 형성될 수 있다. 상기 클래드층(12a)의 외부인 공기의 굴절률은 1.0이므로, 상기 클래드층(12a)이 식각되어 두께가 얇아짐으로써 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있다.
상기 클래드층(12a)의 두께에는 제한이 없으며, 상기 식각 공정을 수행하여 형성되는 상기 클래드층(12a)의 모양은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 상기 클래드층(12a)의 두께 및 모양은 이를 이용하는 광소자의 특성에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 클래드층(12b)은 부분적으로 식각될 수 있다. 상기 식각 공정은 건식 또는 습식 식각 공정을 포함할 수 있으며, 상기 상부 클래드층(12b)을 부분적으로 식각함으로써, 상기 광소자의 굴절률을 조절할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상기 클래드층(12c)은 상기 보조 유전체 패턴(11)의 상부면이 노출되도록 식각될 수 있다. 이 경우, 상기 보조 유전체 패턴(11)의 상부면이 함께 식각될 수도 있다. 일례로, 상기 보조 유전체 패턴(11)은 대략 1.45 내지 2.0의 굴절률을 갖는 실리콘 산질화막으로 형성될 수 있으며, 상기 보조 유전체 패턴(11)의 외부인 공기의 굴절률은 1.0이므로, 상기 보조 유전체 패턴(11)이 식각되어 두께가 얇아짐으로써 상기 광소자의 굴절률을 더욱 감소시킬 수 있다.
이로써, 상기 상부 클래드층(12c) 및 상기 보조 유전체 패턴(11)을 식각함으로써, 상기 광소자의 굴절률을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 보조 유전체 패턴(11) 및 상기 코어 패턴(13)을 지나는 광의 파장을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 특정 파장에서 동작하는 광소자에 적용함에 있어, 동작 파장을 쉽게 변화시킬 수 있어 고신뢰성의 광소자를 구현할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 광소자를, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 가변 방법에 따라 열처리하였을 때, 상기 광소자의 파장 변화의 정도를 나타내는 그래프들이다.
도 5a 내지 도 5c에 나타난 그래프들은 도 2a에 도시된 광소자의 구조를 이용한 링공진기를 이용한 실험 데이터이다. 본 실험은, 상기 코어 패턴(5)의 폭은 1000nm, 높이는 190nm이고, 상기 유전체 패턴(7)의 두께는 1000nm이고, 상기 상부 클래드층(9)의 두께는 1000nm인 광소자를 형성하여 진행되었다. (도 2a 참조)
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 링공진기를 400oC에서 열처리하였을 때, 시간에 따른 링공진기의 공진 파장의 변화를 나타낸 투과 스펙트럼이다. 도 5a를 참조하면, 상기 광소자를 400oC에서 열처리하는 시간이 길어짐에 따라, 상기 링공진기의 공진 파장이 증가함을 알 수 있다.
도 5b는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 링공진기를 열처리하였을 때, 각각의 온도에 따른 링공진기의 파장 변화 정도를 나타낸 그래프이다. 도 5b를 참조하면, 각각의 온도에서 2, 4, 6시간 동안 열처리하였을 때의 파장변화를 볼 수 있다. 그래프에 나타난 바와 같이, 대략 340oC 이하에서는 열처리 시간에 관계없이 파장이 거의 변화하지 않으며, 상기 유전체 패턴의 증착 온도인 400oC 근처에서 파장이 급격하게 변화하는 것을 볼 수 있다. 또한, 열처리 시간이 길어질수록 파장의 변화가 커짐을 알 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 링공진기를 특정 온도로 열처리하였을 때, 시간에 따른 링공진기의 파장 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5c를 참조하면, 상기 링공진기를 415oC에서 열처리하였을 때, 시간에 따라 파장 변화 정도를 알 수 있다. 즉, 상기 링공진기의 파장은 열처리 초기인 대략 2시간까지 빠르게 변화하고, 이후 변화의 크기가 작아짐을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 링공진기를 열처리하면 상기 링공진기의 공진 파장이 증가할 수 있다. 이는 실리콘 산질화막으로 제공된 상기 유전체 패턴(도 2a의 7)을 그 증착 온도 이상으로 열처리함으로써, 상기 유전체 패턴의 굴절률이 증가하여 상기 링공진기의 공진 파장이 증가할 수 있다.
본 명세서에서 설명한 실시예들은 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 사상이 포함된 다른 실시 형태를 모두 포함한다.

Claims (16)

  1. 기판 상에 코어 패턴 및 상기 코어 패턴을 덮는 유전체층을 포함하는 광소자를 형성하는 단계; 및
    상기 광소자를 열처리하여 상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계를 포함하되,
    상기 유전체층은 실리콘 산화질화막(SiON)인 광소자의 파장 가변 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 유전체층의 증착 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 유전체층을 열처리하여 상기 유전체층 내에 포함된 산소 또는 질소를 부분적으로 승화시키는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층의 굴절율을 증가시키는 단계는 상기 광소자의 일부를 부분적으로 열처리하여 상기 유전체층의 특정 영역의 굴절율을 증가시키는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 패턴은 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 하프늄 산화막(HfO2), 및 도핑된 실리콘 산화막(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광소자를 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 코어 패턴의 상면 또는 상기 코어 패턴의 상면 및 측면을 덮도록 상기 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 기판 및 상기 코어 패턴 사이에 개재되는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 하부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2)인 광소자의 파장 가변 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 유전체층을 덮는 상부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 상부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 폴리머인 광소자의 파장 가변 방법.
  9. 기판 상에 코어 패턴, 상기 코어 패턴을 덮는 유전체층, 및 상기 유전체층을 덮는 클래드층을 포함하는 광소자를 형성하는 단계; 및
    상기 클래드층의 전부 또는 일부를 식각하여 상기 클래드층의 굴절율을 감소시키는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 클래드층의 굴절율을 감소시키는 단계는 상기 유전체층이 노출되도록 상기 클래드층을 식각하는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유전체층의 일부를 식각하여 상기 유전체층의 굴절률을 감소시키는 단계를 더 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 코어 패턴은 실리콘(Si), 실리콘 질화막(Si3N4), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 하프늄 산화막(HfO2), 및 도핑된 실리콘 산화막(SiO2) 중 적어도 하나를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 유전체층은 실리콘 산화질화막(SiON)인 광소자의 파장 가변 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 폴리머인 광소자의 파장 가변 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 광소자를 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 코어 패턴의 상면 또는 상기 코어 패턴의 상면 및 측면을 덮도록 상기 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 광소자의 파장 가변 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 광소자를 형성하는 단계는 상기 기판 및 상기 코어 패턴 사이에 개재되는 하부 클래드층을 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 하부 클래드층은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 폴리머인 광소자의 파장 가변 방법.
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