WO2012099294A1 - 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법 - Google Patents

광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법 Download PDF

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    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping

Definitions

  • the present invention relates to a polymer optical device, and in particular, an optical alignment integrated large area metal having a large area efficiency by manufacturing a large area stamp in which an optical fiber supporting groove pattern and a PLC (Planar Lightwave Circuit) pattern are integrally formed. It relates to a method for producing a stamp and a method for producing a polymer optical device using the same.
  • the R & P imprint process directly transfers the micropatterns by physically contacting the stamp with the microstructure with the polymer layer, so the process is simple and can be mass-produced at low cost, making it the most suitable process technology for producing polymer PLC devices.
  • the optical waveguide medium should be manufactured with high precision to maintain the efficiency and performance of the polymer PLC device.
  • the stamp of the PLC device of the prior art is produced on a wafer basis through a photolithography and etching process.
  • the manufacturing technique of the stamp through these processes not only can not implement a branched shape of less than 1 ⁇ m, but also has a problem that it is difficult to maintain uniform dimensional accuracy in the entire wafer area, it is difficult to implement a high-efficiency PLC device.
  • a high-precision stamp In order to solve this problem, a high-precision stamp must be manufactured through high-resolution electron beam exposure, but it is very expensive to produce a stamp having a wafer size through an electron beam exposure method, and the exposure time is very long. It has
  • stamp production by a step / repeat method requires equipment in which a precise stage system is built.
  • the pattern is formed by a step / repeat method, it is difficult to maintain the same residual layers between the unit patterns.
  • the size of the large area stamp is also limited in size by the step / repeat exposure system and imprint equipment.
  • the patterning of the polymer PLC device is mainly performed by using an embossed stamp to form an under-clad channel through which light is guided by a thermal imprint method, and then after filling the core material, Covering the clad (upper-clad) and made by the curing method through UV irradiation.
  • the shape of the PLC element has a gap portion of less than a micron, and when the shape is manufactured through the thermal imprint method, the pattern of the PLC element is damaged in the demolding process by sticking, Deformation often has a problem.
  • slab thickness is a factor that determines the leakage loss of light when covering the upper clad and pressurizing the core material for device fabrication, but to maintain adhesion between the clad layers. Therefore, the technique for controlling the slab thickness is very important.
  • the refractive index control is very important for a high-efficiency polymer PLC device, but the method of curing the core in the state covered with the upper clad after forming the lower clad channel has a problem that it is difficult to control the accurate refractive index.
  • the present invention is to solve such a problem in the manufacturing process of the polymer optical device of the prior art, a large area by manufacturing a large area stamp consisting of an integrated optical fiber support groove pattern and a PLC (Planar Lightwave Circuit) pattern It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a light alignment integrated large area metal stamp and a method for manufacturing a polymer optical device using the same.
  • the present invention provides a large-area stamp manufacturing technology in which an optical fiber supporting groove pattern and a PLC pattern are integrated in a low-cost, low-loss, large-area polymer PLC device for data transmission required in optical communication.
  • the purpose is to provide a high efficiency PLC device manufacturing technology using the same.
  • the present invention can maintain the low cost of the PLC device by improving the productivity of the PLC device, minimize the optical loss generated in the PLC device by improving the surface roughness of the integrated pattern including the automatic alignment grooves and high efficiency PLC It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an optical alignment-integrated large-area metal stamp and a method of manufacturing a polymer optical device using the same.
  • the present invention solves the reliability problem of the optical fiber and the PLC device due to the separation of the PLC device due to external impact such as vibration, etc. to improve the economics and performance of the PLC device to enable the commercialization and early realization of the optical communication in the future It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an integrated large area metal stamp and a method for manufacturing a polymer optical device using the same.
  • various different PLC device shapes may be imprinted on one large area stamp, so that an optical alignment integrated large area metal stamp can be provided to provide PLC devices having various shapes through a single imprint process. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing and a method for manufacturing a polymer optical device using the same.
  • the present invention provides a large-area PLC device by UV R & P imprinting technique using a large area nickel stamp without pattern deformation and breakage, and to provide techniques for controlling refractive index and slab thickness. It is an object of the present invention to provide a method for producing an area metal stamp and a method for producing a polymer optical device using the same.
  • the method of manufacturing the optical alignment-integrated large-area metal stamp according to the present invention is to form a unit device PLC mold pattern and manufacture the PLC mold pattern for manufacturing a large-area metal stamp for manufacturing a polymer optical device.
  • a unit PLC device pattern by using a multi-stage imprint method; Heat treatment to minimize scattering loss due to surface roughness; Preparing a groove pattern for supporting the optical fiber; Alignment of the unit PLC device pattern and the groove pattern Manufacturing a unitary PDMS mold for a unit device by repeating replicating the unitary PDMS mold for a unit device to form a large area PDMS pattern, and manufacturing a large area stamp by electroplating using a large area PDMS pattern It characterized in that it comprises a step.
  • the large-area stamp characterized in that the groove pattern that can support the PLC device pattern and the optical fiber is characterized in that the integral form.
  • the forming of the unit PLC device pattern may include forming a unit device PLC mold pattern by forming an intaglio PLC device pattern through an electron beam lithography and etching process on a silicon substrate, and forming the unit device PLC mold pattern on the PMMA sheet which is a thermoplastic resin. And transferring the embossed pattern by a multi-stage imprint process based on the V groove alignment guide pin included in the silicon substrate on which the device PLC mold pattern is formed, to form the unit PLC device pattern.
  • the silicon substrate on which the unit device PLC mold pattern is formed, the guide pins for aligning the V grooves are positioned at the ends of the input and output ends, and the guide key patterns for the basic alignment of the large area stamp of the post process.
  • Key pattern for precise dicing (dicing) of the unit elements manufactured through a large area stamp characterized in that it comprises a guide key patterns for PLC and V groove alignment.
  • the polymer In order to alleviate the residual stress of the polymer due to the damage of the mold and pressurization during the multi-stage imprint process, it is heated at a temperature higher than the glass transition temperature (Tg) of the polymer used as the lower clad, and then the initial pressure is applied.
  • Tg glass transition temperature
  • the imprint it is characterized by applying a holding pressure higher than the initial pressure again and applying the initial pressure again.
  • the manufacturing of the groove pattern may include: coating a silicon substrate on a silicon substrate by a thickness smaller than the height of the groove pattern to form a resist with an imprint resin; and using a manufactured unit device stamp, a line width of the PLC device pattern and the groove.
  • the molded embossed pattern includes a process of leaving only a groove pattern using a key pattern for dicing.
  • the groove pattern may be arranged on the same line as an input / output terminal of the PLC device to reduce an alignment error.
  • the diced PLC device pattern and groove pattern are polished at 45 ° to facilitate alignment, and the PLC device pattern and groove pattern are integrally aligned. And fabricating the indented PDMS mold in which the PLC element pattern and the groove pattern are integrally formed by replica casting the aligned pattern.
  • bubbles are removed in a vacuum atmosphere, and until the insertion loss is removed by using ultrasonic vibration energy, and then cured at a temperature of 60 ° C. for 3 hours, a PDMS pattern imprinted with a PLC device pattern. It characterized in that to form.
  • the forming of the large area PDMS pattern may include copying the PDMS PLC pattern of a unit device by a desired large area stamp size, cutting the duplicate PDMS patterns using a guide key pattern, and PDMS having different heights.
  • the patterns are placed on the same glass plate or substrate as the size of the large area stamp, the liquid PDMS is poured, and thermally cured under the same curing conditions as in unit device curing.
  • the manufacturing of the large area stamp may include: depositing a base layer on the large area PDMS pattern; and forming a large area nickel mold through nickel electroplating; and depositing the base layer upon deposition of the base layer.
  • the deposition temperature and the deposition rate are controlled to prevent cracking and peeling from the substrate by thermal expansion due to the difference in surface temperature between the metals.
  • control of the deposition temperature and deposition rate, to prevent cracking is characterized in that the deposition of the base layer at a deposition rate of 0.8 ⁇ 0.2 ⁇ / sec at a temperature of 90 ⁇ 10 °C.
  • a method of manufacturing a polymer optical device using an optical alignment-integrated large-area metal stamp provides a R & P (using a large-area stamp in which a groove pattern capable of supporting a PLC device pattern and an optical fiber is formed in an integrated form). Roll and Plate) In order to fabricate PLC pattern and groove pattern by imprint method, UV curable resin, which is used as clad material of PLC device, is dropped on the large-area stamp in the amount of pico level at equal intervals.
  • the soft exposure is performed for a first reference time, and after demolding, hard exposure for complete curing is performed for a second reference time longer than the first reference time in a nitrogen atmosphere. It is characterized in that to reduce the defects of the pattern by interlocking at the interface.
  • a method of manufacturing a polymer optical device using an optical alignment-integrated large-area metal stamp according to the present invention in which a groove pattern capable of supporting a PLC device pattern and an optical fiber is formed in one-piece form.
  • Such a method of manufacturing a light alignment integrated large area metal stamp and a method of manufacturing a polymer optical device using the same have the following effects.
  • the UV R & P imprint technique using a large area nickel stamp enables mass production of PLC devices at low cost.
  • groove grooves for supporting the optical fiber and the PLC pattern are simultaneously formed integrally so that the optical connection between the PLC element and the optical fiber can be automatically aligned, thereby increasing the coupling efficiency of the light.
  • groove grooves for supporting the optical fiber and the PLC pattern are integrally formed, reliability can be secured by preventing separation between the optical fiber and the PLC due to external impact such as vibration.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a large-area metal stamp fabrication for manufacturing a PLC device according to an embodiment of the present invention and a high-efficiency polymer PLC device manufacturing method using the same
  • FIG. 2 and 3 is a configuration diagram showing a method for producing a unit polymer PLC pattern by the small-area PLC unit element stamp production and multi-stage imprint process
  • FIG. 10 is a schematic view of the integrated PDMS unit device mold replication process of the PLC pattern and the groove pattern through the alignment of the PLC unit device pattern and the groove pattern
  • FIG. 11 is a schematic drawing of a large area PDMS mold through alignment according to the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic view showing a process for producing a large-area Ni stamp according to the present invention
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing the core pattern fabrication using a large area Ni stamp
  • FIG. 14 is a process flowchart for forming a core and fabricating a device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a large-area metal stamp for the production of a PLC device according to an embodiment of the present invention and a high-efficiency polymer PLC device manufacturing method using the same.
  • stamp production technology and imprint process technology to improve the precision with the designed shape and dimensions for maintaining high efficiency performance
  • the present invention relates to a stamp manufacturing method and a polymer PLC device manufacturing method using the same to meet these requirements.
  • the present invention relates to a nickel stamp fabrication technology for a large area ultra-precision optical alignment integrated PLC suitable for mass production, and a method for fabricating a polymer PLC device using the same.
  • the large-area nickel stamp is formed as an integral form of the PLC pattern and the groove pattern that can support the optical fiber, the molded pattern after imprinting induces automatic alignment of the optical fiber and the PLC element to control insertion loss at the interface portion. Can be.
  • scattering loss in the PLC device can be controlled by providing a stamp having a surface roughness of 10 nm or less through a heat treatment technique of an imprinted thermoplastic resin.
  • the technical configuration included in the present invention is largely composed of a large area stamp manufacturing technology in which an optical fiber supporting groove pattern and a PLC pattern are integrated for an automatic alignment technology with an optical fiber, and a high efficiency PLC device manufacturing technology using the same.
  • the large-area stamp manufacturing technology in which the groove pattern and the PLC pattern are integrated to support the optical fiber, has a surface roughness by removing the scallop shape by pattern formation, groove pattern production, and sub-Tg annealing of a single PLC device. Improvements include large-area PDMS patterns through repeated replica casting and alignment of unit devices, and nickel stamping technology for large-area PLCs by electroplating.
  • technologies for manufacturing high-efficiency polymer PLC devices include lower clad / core pattern forming technology by R & P (Roll and Plate) imprint method using large area stamp, lamination technology for slab thickness control, and refractive index. Techniques for control, and the like.
  • a metal stamp manufacturing process (S100) for a large area PLC device is as follows.
  • a core layer forming step S211 using a large roll and plate imprint method using a large area stamp, and an under clad forming step S212 using UV R & P imprints are performed.
  • the refractive index control step (S213) is performed in the manufacturing step S200 of the high efficiency PLC device.
  • Such an optical alignment-integrated large area metal stamp according to the present invention, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a polymer optical device using the same can be implemented in various forms and are limited to the beam splitter device, which is an embodiment described herein. It does not apply to all cases of PLC devices.
  • FIGS. 2 and 3 are configuration diagrams showing a method for manufacturing a unit polymer PLC pattern by a small area PLC unit element stamp production and a multi-stage imprint process.
  • a PLC device pattern 21 having a unit device intaglio is formed on the silicon substrate through electron beam lithography and etching processes.
  • the stamp formed by electron beam lithography is a unit element small area stamp that has a small contact area and is manufactured precisely.
  • the square pattern 24 for forming the V groove for forming the groove pattern is placed on the input and output ends in addition to the basic PLC device pattern 21.
  • the guide key pattern 25 for the basic alignment of the large area stamp and the key pattern 22 for the precise dicing of the unit elements manufactured by the large area stamp, and the guide key for PLC and V groove alignment Patterns 23 are included.
  • 26 is a small area PLC unit element silicon stamp, and 27 is an imprinted thermoplastic PLC pattern.
  • Thermal imprint is usually made by one press process, but the multi-stage imprint in the present invention is heated at a temperature of Tg + 30 ° C. of the polymer used as the lower clad, and then imprinted at a pressure of 35 bar after 25 bar and initial pressure. In addition, by lowering the pressure to 25 bar again, the residual stress of the polymer due to mold damage and pressure can be alleviated, thereby preventing dimensional deformation and improving dimensional accuracy.
  • the unit device PLC PMMA pattern imprinted using the small area stamp has a rough surface like a scallop shape due to etching during the manufacturing process of the small area stamp.
  • This surface roughness not only causes scattering loss in the PLC device, but also causes sticking problems in mold release after patterning by imprint and R & P techniques.
  • the surface roughness is improved by heat treatment (PMMA: 90 ° C./60 min) below the glass transition temperature (sub-Tg).
  • thermoplastic resins such as PMMA imprinted by imprinting techniques
  • a wide range of molecular movements occur in which carbon-linked segments can be moved around Sub-Tg, and molecules can diffuse, thereby moving from one position to another. It is possible to move.
  • annealing in the vicinity of Sub-Tg by raising the temperature of PMMA enables active movement of the molecules, thereby reducing the viscosity of the polymer.
  • the surface tension is reduced because the activation energy is increased to decrease the force between molecules.
  • the sidewall roughness of the circular PMMA master can be improved by annealing near Sub-Tg (in case of PMMA: 90 ° C).
  • the manufacturing process of the groove pattern for supporting the optical fiber is as follows.
  • 4 to 9 are cross-sectional views of the fabrication process of the optical fiber support groove patterns according to the present invention.
  • a square pattern for manufacturing an imprinted groove is manufactured through a V groove pattern or an RIE technique through anisotropic wet etching.
  • reference numeral 45 denotes a substrate on which a V groove pattern is formed
  • reference numeral 46 denotes a substrate on which a square pattern is formed.
  • the embossed pattern is produced through the UV imprint using the UV resist 47 and the PMMA sheet 48.
  • reference numeral 49 denotes a pattern layer in which a V groove pattern is formed
  • reference numeral 50 denotes a pattern layer in which a square pattern is formed.
  • the groove silicon pattern manufactured as described above is disposed on the same line as the input / output terminals of the PLC device, thereby reducing alignment errors.
  • the steps of manufacturing the intaglio PDMS mold through the alignment of the manufactured PLC pattern and groove pattern are as follows.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an integrated PDMS unit device mold replication process of a PLC pattern and a groove pattern through alignment of the PLC unit device pattern and the groove pattern.
  • the diced PLC device and groove pattern are polished to 45 ° to facilitate alignment.
  • the PLC element and the groove pattern are integrally aligned.
  • An indented PDMS mold is produced in which the aligned pattern is integrated with the PLC pattern and the groove pattern by the replica casting method.
  • bubbles are removed in a vacuum atmosphere for precise replication, and until the insertion loss (entrapped void) is removed by using ultrasonic vibration energy, it is cured for about 3 hours at a temperature of 60 °C to form a PDMS pattern imprinted with a PLC pattern. do.
  • the replicated PDMS thickness is less than 1 cm.
  • the large-area PDMS pattern replication process through repeated replication of a unit device pattern in which a V groove and a PLC pattern with improved surface roughness are described is as follows.
  • FIG. 11 is a schematic of a large area PDMS mold fabrication through alignment in accordance with the present invention.
  • the duplicated PDMS patterns are cut using the guide key pattern.
  • Each PDMS pattern is then placed on a clean glass plate or surface that is the same size as the desired large area stamp.
  • the liquid PDMS is poured onto the cured PDMS to maintain the uniform height of the large area stamp and to produce the unit patterns in the form of a mold. Heat curing under the same curing conditions as
  • the size and shape of the PLC pattern of each unit element used has the advantage that each of the various elements can be included.
  • good adhesion with a glass plate or other substrate does not cause a problem that liquid PDMS enters between patterns.
  • FIG. 12 is a configuration diagram schematically showing a process for producing a large area Ni stamp according to the present invention.
  • Nickel mold is fabricated by deposition of base layer and electroplating pattern on the fabricated large area PDMS master.
  • the base layer is deposited at 0.8 ⁇ 0.2 ⁇ s / sec at a temperature of 90 ⁇ 10 ° C. to control cracking and peeling.
  • a large area nickel mold is produced by nickel electroplating.
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing core pattern fabrication using a large area Ni stamp.
  • the shape of the PLC device is broken or deformed by sticking during the demolding process.
  • the filled resin is molded through two exposures of soft exposure and hard exposure.
  • FIG. 14 is a process flowchart for forming a core and fabricating a device according to the present invention.
  • the core material is dropped at equal intervals on the molded PLC pattern in an amount of pico level that can be filled only in the channel (S901).
  • the sheet of top clad material is covered while pressing through two secondary rollers. It is filled with pushing the flow to the outside while touching the area pressed by the roller first, so that the thickness of the remaining layer of the core can be adjusted first, and then the uniformity of the thickness and thickness depending on the number of presses using the roller. To be controlled (S902).
  • the upper clad and the lower clad are then attached while curing the core through UV exposure.
  • the refractive index of the designed core is primarily controlled through the UV exposure amount (S903).
  • the used UV curable resin for the core may have a low refractive index during heat treatment, so that the secondary refractive index control of the manufactured device may be precisely controlled through a heat treatment (70 ° C.) (S904). )
  • the manufacturing method of the optical alignment integrated large area metal stamp according to the present invention as described above and the manufacturing method of the polymer optical device using the same are fabricated of a large area stamp consisting of an optical fiber support groove pattern and a PLC (Planar Lightwave Circuit) pattern To make it possible.
  • a PLC Planar Lightwave Circuit
  • various different PLC device shapes may be imprinted on one large area stamp, thereby providing PLC devices having various shapes through a single imprint process.
  • a large area PLC device can be manufactured without pattern deformation and breakage by UV R & P imprint technique using a large area nickel stamp, and the refractive index and slab thickness can be controlled.
  • a large-area PLC device can be manufactured without pattern deformation and breakage by the UV R & P imprint technique using a large-area nickel stamp, and the refractive index and slab thickness can be controlled. It can be applied to the development of low loss large area polymer PLC device.

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Abstract

본 발명은 광 파이버와의 자동정렬 기술을 위한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프 의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 대면적 금속 스탬프를 제조하기 위하여, 단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함한다.

Description

광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법
본 발명은 고분자 광소자에 관한 것으로, 구체적으로 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
인터넷 이용 등의 폭발적인 증가에 따른 정보전송 용량의 수요를 만족시키기 위해서 광통신 기술의 채용이 확대되고 있다. 이러한 광통신 기술 발전은 FTTH(Fiber to the Home)의 도입을 촉진시키고 있으며, 이에 따라 고효율의 PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자의 저가격화가 경쟁력의 중요한 요소가 되었다.
종래 기술의 PLC 소자 대부분은 실리카 기반으로 대부분 제작이 되고 있으나, 이는 고온 공정 및 복잡한 생산 공정으로 인하여 가격화에 있어 많은 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 보완하기 위하여 저온(<300℃)공정과 저가 및 대량 생산 공정이 가능한 고분자 기반의 PLC소자 제작에 관련된 연구가 이루어지고 있다.
그 중에서, R&P 임프린트 공정은 미세 구조물을 가진 스탬프를 폴리머 층과 물리적으로 접촉시켜 미세 패턴을 직접 전사시키므로 공정이 단순하여 저가로 대량생산할 수 있어 고분자 PLC 소자 제작에 있어 가장 적합한 공정 기술로 부각된다.
이러한 기법에 의해 제작되는 PLC 소자는 내부에 광도파 매질을 형성하여 광이 통과하도록 제작된 것이므로, 광도파 매질인 광로가 매우 정밀하게 제작되어야 고분자 PLC 소자의 효율 및 성능이 유지된다.
그러므로, 임프린트 공정을 위한 PLC 소자용 대면적 스탬프의 제작 및 대면적 성형 기술은 매우 중요하다.
그리고 종래 기술의 PLC 소자의 스탬프는 포토리소그래피 및 에칭 공정을 통해 웨이퍼 기반으로 제작이 이루어지고 있다. 이러한 공정들을 통한 스탬프의 제작 기술은 1㎛ 이하의 분기형상을 구현할 수 없을 뿐만 아니라, 웨이퍼 전 영역에서의 균일한 치수 정밀도를 유지하기가 어려운 문제점을 가지고 있어 고효율의 PLC 소자를 구현하기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 고 분해능을 가지는 전자빔 노광을 통해 고정밀의 스탬프가 제작이 되어야 하나, 전자빔 노광 방식을 통해 웨이퍼 크기를 가지는 스탬프를 제작하기에는 비용이 매우 크게 소요 될 뿐만 노광시간이 매우 길게 되는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 고정밀의 대면적 스탬프를 스템/리피트(step & repeat) 방식의 노광 기술 및 임프린트 기술을 통해 제작하기 위한 방법들이 제시되었다. 그러나 스텝/리피트 방식에 의한 스탬프 제작은 정밀한 스테이지(stage) 시스템이 구축된 장비가 요구된다. 또한, 스텝/리피트 방식에 의해 패턴이 이루어지므로 단위 패턴들간의 잔류층(residual layer) 들이 동일하게 유지하기가 어려운 문제점을 지니고 있다.
그리고 대면적 스탬프의 크기 역시 스텝/리피트 방식의 노광 시스템 및 임프린트 장비에 의해 크기의 제약이 발생하게 된다.
마지막으로 이러한 공정을 통한 스탬프의 제작은 동일한 형상의 패턴으로만 이루어지는 문제점을 가지고 있다.
고분자 PLC 소자의 패턴성형은 주로 양각의 스템프(stamp)를 이용하여 써멀(thermal) 임프린트 방식으로 광이 도파되는 하부 클래드(under-clad) 채널을 성형하고, 이후 코어(core) 물질을 충진 후에 상부 클래드(upper-clad)를 덮고 UV 조사를 통한 경화 방식으로 이루어졌다.
그러나 PLC 소자의 형상은 미크론 이하의 갭(gap) 부분이 존재하게 되며 이러한 형상을 써멀 임프린트 방식을 통해 제작할 때에는 스티킹(sticking)에 의해 디몰딩(demolding) 공정에서 PLC 소자의 패턴이 파손되거나, 변형이 자주 발생하는 문제점을 지니고 있다.
그리고 소자 제작을 위해 성부 클래드(upper-clad)를 덮고 코어 물질을 가압할 때 슬라브 두께(slab thickness)는 광의 누설 손실을 결정하는 요소이지만, 클래드 층 사이의 접착을 유지하기 위한 요소이다. 따라서, 슬라브 두께를 제어하기 위한 기술은 매우 중요하다.
또한, 고효율의 고분자 PLC 소자를 위해서는 굴절율 제어가 매우 중요하지만, 하부 클래드 채널 성형 후에 상부 클래드를 덮은 상태에서의 코어의 경화 방법은 정확한 굴절율 제어를 하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고분자 광소자 제조 과정에서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프를 제조하는 것에 의해 대면적 고효율을 갖도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 차후 광통신에서 요구되고 있는 데이터 전송에 있어 저가이며, 저손실의 대면적 고분자 PLC 소자 개발에 적용할 수 있도록 한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술과 이를 이용한 고효율의 PLC 소자 제작 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 PLC 소자의 생산성 향상을 통해 PLC 소자의 저가격화를 유지할 수 있고, 자동정렬용 그루브가 포함된 일체형 패턴의 제작 및 표면조도의 개선으로 PLC 소자 내에 발생하는 광손실을 최소화하여 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있도록한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 소자의 분리 등에 의한 PLC 소자의 신뢰성 문제를 해결하여 PLC 소자의 경제성과 성능을 향상시켜 차후 광통신의 상용화 및 조기 실현을 가능하도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 하나의 대면적 스탬프에 여러 가지 다른 PLC 소자 형상들이 각인된 형태로 이루어 질 수 있어, 한번의 임프린트 공정을 통해 다양한 형상을 가지는 PLC 소자들을 제공할 수 있도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있는 기술들을 제공할 수 있도록 한 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법은 고분자 광소자를 제작하기 위한 대면적 금속 스탬프의 제조를 위하여, 단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 대면적 스탬프는,상기 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계는,실리콘 기판에 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴을 형성하여 단위 소자 PLC 금형 패턴을 만드는 공정과,열가소성 수지인 PMMA 시트위에 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판에 포함된 V 그루브 정렬용 가이드 핀을 기준으로 한 다단 임프린트 공정으로 양각의 패턴을 전사하여 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판은,상기 V 그루브 정렬용 가이드 핀이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 위치하고,후 공정의 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 다단 임프린트 공정 진행시에 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키기 위하여,하부클래드로 사용되는 고분자의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에서 가열된 후, 초기 압력을 인가후 임프린트시에 다시 초기 압력보다 높은 보압을 인가하고 다시 초기 압력을 인가하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계에서,상기 단위 PLC 소자 패턴 형성 물질의 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리 공정으로 에칭 공정상에서 발생한 스캘럽 형상(scallop shape)이 없어지도록 진행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 그루브 패턴을 제작하는 단계는,실리콘 기판위에 임프린트 레진으로 레지스트를 형성하고자 하는 그루브 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅하는 공정과,제작된 단위 소자용 스탬프를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴을 한 번에 임프린트하는 공정과,상기 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작하는 공정과,음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트와 PMMA 시트를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하는 공정과,성형된 양각의 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남기는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 그루브 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치되도록 하여 정렬 오차를 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계는,다이싱 된 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하는 공정과,상기 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 정렬하고, 정렬된 패턴을 복제 주조 방식으로 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형을 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 복제 주조 공정에서,진공 분위기속에서 기포가 제거되도록 하고, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 경화하여 PLC 소자 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 대면적 PDMS 패턴을 형성하는 단계는,단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르는 공정과,각각의 높이가 다른 PDMS 패턴들을 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 기판에 놓고, 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 대면적 스탬프를 제작하는 단계는,상기 대면적 PDMS 패턴에 기지층을 증착하는 공정과,니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형을 형성하는 공정을 포함하고,상기 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리를 막기 위하여 증착 온도 및 증착 속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 증착 온도 및 증착 속도의 제어는,크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec의 증착 속도로 기지층을 증착하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식으로 PLC 패턴 및 그루브 패턴을 제작하기 위하여,상기 대면적 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키는 단계;히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 기판 온도를 높여 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키는 단계;1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진하는 공정과,가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키는 단계;소프트 노광(soft exposure) 와 하드노광(hard exposure)의 두 번의 노광으로 충진된 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 소프트 노광(soft exposure)을 제 1 기준 시간 동안 진행하고, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 제 1 기준 시간보다 긴 제 2 기준 시간 동안 진행하여 계면에서의 인터록킹(interlocking)에 의한 패턴의 결함을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 광소자의 제조에 있어서,제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시키는 단계;상기 코어 물질의 유동성을 증가시키면서 상부 클래드 물질의 시트를 롤러로 가압하면서 덮어 코어 물질의 두께를 1차 조절하는 단계;상기 롤러로 상부 클래드 물질을 가압하는 과정을 반복하여 코어 물질의 두께를 2차 조절하는 단계;상기 코어 물질의 굴절율을 1차 제어되도록 UV 노광으로 경화시면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시키는 단계;열처리 공정으로 상기 코어 물질의 굴절율을 2차 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있다.
둘째, 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 PLC 소자를 저가로 대량 생산할 수 있다.
셋째, 임프린트를 통해 광 파이버 지지를 위한 그루브 홈과 PLC 패턴을 일체형으로 동시에 형성함으로써 PLC 소자와 광 파이버의 광 연결을 자동 정렬하게 할 수 있어 광의 결합효율을 높일 수 있다.
넷째, 광 파이버 지지를 위한 그루브 홈과 PLC 패턴이 일체형으로 이루어지므로 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 간의 분리를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있다.
다섯째, 다양한 형상 및 높이를 가지는 PLC 소자용 스템프를 간단하게 제작할 수 있고, 이를 이용하여 한 번의 공정을 통해 다양한 PLC 소자를 제작할 수 있다.
여섯째, 열처리에 의한 표면조도 개선, 증복 UV 노광(two UV exposure)을 통한 대면적 패터닝 및 굴절율 제어에 의해 광손실을 최소화한 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 소자 제작용 대면적 금속 스탬프 제작 및 이를 이용한 고효율의 고분자 PLC 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도
도 2와 도 3은 소면적 PLC 단위 소자 스탬프 제작 및 다단 임프린트 공정에 의한 단위 고분자 PLC 패턴의 제작 방법을 나타낸 구성도
도 4내지 도 9는 본 발명에 따른 광 파이버 지지용 그루브 패턴들의 제작 공정 단면도
도 10은 PLC 단위 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬을 통한 PLC 패턴과 그루브 패턴의 일체형 PDMS 단위 소자 금형 복제 공정 개략도
도 11은 본 발명에 따른 정렬을 통한 대면적 PDMS 금형 제작 개략도
도 12는 본 발명에 따른 대면적 Ni 스탬프 제작을 위한 공정을 개략적으로 나타낸 구성도
도 13은 대면적 Ni 스탬프를 이용한 코어 패턴 제작을 나타낸 구성도
도 14는 본 발명에 따른 코어 형성 및 소자 제작을 위한 공정 흐름도
이하, 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 소자 제작용 대면적 금속 스탬프 제작 및 이를 이용한 고효율의 고분자 PLC 소자 제작 방법을 나타낸 흐름도이다.
현재 연구되고 있는 고분자 PLC 소자 제작 방법은 포토리소그래피(Photolithography)와 RIE(Reactive Ion Etching), Laser ablation, 임프린트 방법 등의 공정에 의해 이루어지고 있다. 그 중에서 임프린트 공정은 미세 구조물을 가진 스탬프를 폴리머 층과 물리적으로 접촉시켜 미세 패턴을 직접 전사시키므로 공정이 단순하여 저가로 대량생산할 수 있으므로 최근 polymeric PLC 소자 제작을 위한 적합한 공정기술로 부각되고 있다.
이러한 임프린트 방법을 통한 고효율의 고분자 PLC 소자를 제작하기 위해서는 다음의 조건이 요구된다.
첫째, 고효율의 성능 유지를 위한 설계된 형상 및 치수와의 정밀도 향상을 위한 스탬프 제작 기술 및 임프린트 공정 기술,
둘째, 생산성 향상을 위한 내구성이 뛰어난 대면적 스탬프 제작 기술 및 이를 이용한 임프린트 공정 기술,
셋째, 광 파이버와의 인터피에스부에서의 삽입손실 제어 및 정렬 기술,
넷째, 진동 등의 외부적 충격에 의한 광 파이버와 PLC 소자의 분리 등의 신뢰성 문제,
다섯째, 표면조도에 의한 산란 손실 제어 기술,
여섯째, 슬라브 두께(Slab thickness) 제어 기술 및 굴절율 제어 기술 등의 조건이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 요구조건을 충족시키기 위한 스탬프 제작 방법 및 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 대량생산에 적합한 대면적 초정밀 광 정렬 일체형 PLC용 니켈 스탬프 제작 기술, 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법에 관한 것이다.
대면적 니켈 스탬프는 PLC 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴의 일체형 형태로 이루어지므로, 임프린트 후 성형된 패턴은 광 파이버와 PLC 소자의 자동 정렬을 유도하여 인터페이스부에서의 삽입 손실을 제어할 수 있다.
또한, 현재 가장 문제가 되고 있는 PLC 소자의 진동 등의 외부적 충격에 의한 PLC 소자와 광 파이버의 분리 등에 의한 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.
그리고 임프린트된 열가소성 수지의 열처리 기법을 통해 표면조도가 10nm 이하로 제어된 스탬프를 제공함으로 PLC 소자내의 산란손실을 제어할 수 있다.
이하에서 이러한 요구조건을 충족시키기 위한 스탬프 제작 방법 및 이를 이용한 고분자 PLC 소자 제작 방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 포함된 기술적 구성은 크게 광 파이버와의 자동정렬 기술을 위한 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술과 이를 이용한 고효율의 PLC 소자 제작 기술로 구성된다.
먼저, 광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴과 PLC 패턴이 일체형으로 되어 있는 대면적 스탬프 제조기술은 단일 PLC 소자의 패턴 형성, 그루브 패턴 제작, Sub-Tg 어닐링에 의한 스캘럽(scallop) 형상 제거를 통한 표면조도 개선, 단위 소자의 반복 복제 주조 및 정렬을 통한 대면적 PDMS 패턴 제작, 전주도금에 의한 대면적 PLC용 니켈 스탬프 제작 기술 등이 포함된다.
또한, 고효율 고분자 PLC 소자 제작을 위한 기술은 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식에 의한 하부 클래드/코어 패턴 성형 기술, 슬라브 두께(slab thickness) 제어를 위한 라미네이션(lamination) 기술, 굴절율 제어를 위한 기술 등이 포함된다.
이러한 기법들을 이용하여 생산성이 뛰어나고 저렴한 비용으로 고효율의PLC 소자의 제작이 가능할 것이며, PLC내의 광의 결합손실을 줄이고 광출력을 증대할 수 있을 것으로 기대된다.
먼저, 대면적 PLC 소자용 금속 스탬프 제작(S100) 과정은 다음과 같다.
도 1에서와 같이, 전자빔 리소그래피에 의한 단위 소자 PLC 패턴 및 그루브 패턴 제작 단계(S111), 서멀 임프린트를 통한 열가소성 수지위의 PLC 및 그루브 패턴 제작 단계(S112), 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위한 Sub-Tg 열처리 단계(S113) 및 에칭에 의한 그루브 제작 단계(S114), PLC 패턴 및 그루브 정렬 단계(S115), PLC 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 단위 소자 PDMS(polydimethylsiloxane) 금형 제작 단계(S116), 정해진 횟수 만큼 반복하여(S118) 레플리카 몰딩(Replica molding)에 의한 단위 소자 패턴을 복제하는 단계(S117), 정렬을 통한 대면적 니켈 PDMS 금형을 제작하는 단계(S119) 그리고 전주 도금에 의한 대면적 니켈 스탬프 제작 단계(S120)을 포함한다.
그리고 고효율 PLC 소자의 제작 단계(S200)는 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식에 의한 코어층 형성 단계(S211), UV R&P 임프린트에 의한 하부 클래드(Under-clad) 형성 단계(S212), 굴절율 제어 단계(S213)를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프 및 그의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예인 빔 스플리터(beam splitter) 소자에 한정되지 않으며, PLC 소자의 모든 경우에 대해서 적용된다.
본 발명의 실시예에 따른 대면적 스탬프 제조 방법을 각 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2와 도 3은 소면적 PLC 단위 소자 스탬프 제작 및 다단 임프린트 공정에 의한 단위 고분자 PLC 패턴의 제작 방법을 나타낸 구성도이다.
도 2에서와 같이 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴(21)을 실리콘 기판 위에 마련한다. 전자빔 리소그래피에 의해 형성된 스탬프는 그 접촉 면적이 작으며 정밀하게 제작된 단위 소자 소면적 스탬프이다.
여기서, 제작된 스탬프는 기본적인 PLC 소자 패턴(21) 이외에 그루브 패턴 성형을 위한 V 그루브 제작을 위한 사각 패턴(24)이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 놓이게 된다.
또한, 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴(25) 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴(22) 그리고, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴(23)들이 포함된다.
그리고 제작된 소면적 스탬프(28)를 이용하여 도 3에서와 같이 열가소성 수지인 PMMA 시트(sheet)(30) 위에 V 그루브 정렬용 가이드 핀(29)을 기준으로 한 다단 임프린트 공법을 이용하여 양각의 패턴을 매우 정밀하게 패턴을 전사한다.
도 3에서 도면 부호(26)은 소면적 PLC 단위 소자 실리콘 스탬프이고, (27)은 임프린트된 열가소성 PLC 패턴이다.
써멀 임프린트는 보통 한번의 가압공정으로 이루어지나, 본 발명에서의 다단 임프린트는 하부클래드로 사용되는 고분자의 Tg+30 ℃의 온도에서 가열된 후, 25bar와 초기압력 후, 35bar의 보압을 임프린트시 주고, 25bar압력으로 다시 낮춤으로서 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키므로 치수 변형을 방지할 수 있어 치수 정밀도를 높일 수 있다.
이와 같이 소면적 스탬프를 이용하여 임프린트된 단위 소자 PLC PMMA 패턴은 소면적 스탬프의 제작 공정시 에칭에 의한 스캘럽 형상(scallop shape)과 같이 표면 거칠기가 거칠게 나타난다.
이러한 표면거칠기는 PLC 소자내의 산란손실을 유발할 뿐 만 아니라, 임프린트 및 R&P 기법에 의한 패턴 제작 후 이형에 있어 스티킹(sticking) 문제를 유발하게 된다.
본 발명에서는 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리(PMMA:90℃/60min)에 의해 이러한 표면 거칠기를 개선하는 것이다.
임프린트 기법에 의해 패턴이 각인된 PMMA와 같은 열가소성 수지의 경우는 Sub-Tg 근방에서 탄소가 연결된 분절의 운동이 가능한 광범위한 분자운동이 일어나며, 국지적으로 분자들은 확산이 가능하여 한 위치에서 다른 위치로의 이동이 가능하다.
따라서, PMMA의 온도를 상승시켜 Sub-Tg 근방에서의 어닐링은 분자들의 활발한 운동을 가능하게 함으로서 고분자의 점도가 감소하게 된다. 또한, 활성화 에너지가 증가하여 분자 사이에 힘이 줄어들기 때문에 표면장력을 감소시키게 된다.
이러한 이유로 인해 Sub-Tg 근방(PMMA인 경우: 90℃)에서의 어닐링을 통해 원형 PMMA 마스터의 측벽 조도(sidewall roughness)를 개선할 수 있다.
광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴의 제작 과정은 다음과 같다.
도 4내지 도 9는 본 발명에 따른 광 파이버 지지용 그루브 패턴들의 제작 공정 단면도이다.
먼저, 그루브 패턴의 제작시 PLC 소자 패턴과의 정렬이 중요하다.
이를 위하여, 본 발명에서는 도 4에서와 같이, 실리콘 기판(41) 위에 임프린트 레진으로 레지스트(42)를 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅한 후, 도 5에서와 같이, 제작된 단위소자용 스탬프(44)를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴(43)을 한 번에 임프린트 한다.
이후, 도 6에서와 같이, 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작한다.
도 7에서 (45)는 V 그루브 패턴이 형성된 기판이고, (46)은 사각 패턴이 형성된 기판이다.
그리고 도 8에서와 같이, 음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트(47)와 PMMA 시트(48)를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하게 된다.
이후, 도 9에서와 같이, 성형된 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남긴다. 도 9에서 (49)는 V 그루브 패턴이 형성된 패턴층이고, (50)은 사각 패턴이 형성된 패턴층이다.
이와 같이 제작된 그루브 실리콘 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치 되므로 정렬 오차를 줄일 수 있게 된다.
그리고 제작된 PLC 패턴 및 그루브 패턴의 정렬을 통한 음각의 PDMS 금형 제작 단계를 설명하면 다음과 같다.
도 10은 PLC 단위 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬을 통한 PLC 패턴과 그루브 패턴의 일체형 PDMS 단위 소자 금형 복제 공정 개략도이다.
먼저, 다이싱 된 PLC 소자와 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하게 된다.
이후 도 10과 같이 PLC 소자와 그루브 패턴이 일체형으로 정렬된다. 정렬된 패턴을 복제 주조 방식에 의한 PLC 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형이 제작된다.
이때, 정밀 복제를 위하여 진공 분위기속에서 기포가 제거되며, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 정도 경화하여 PLC 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성한다.
여기서, 복제된 PDMS 두께는 1cm 미만으로 한다.
표면조도가 개선된 V 그루브와 PLC 패턴이 복합된 단위 소자 패턴의 반복 복제를 통한 대면적 PDMS 패턴 복제 공정에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 11은 본 발명에 따른 정렬을 통한 대면적 PDMS 금형 제작 개략도이다.
단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르게 된다.
이때 각각의 PDMS 패턴은 원하는 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 표면이 깨끗한 기판 위에 놓이게 된다. 각각의 복제된 단위 소자의 경우에 높이가 다르게 제작이 되므로, 대면적 스탬프의 균일한 높이 유지와 단위 패턴들을 하나의 금형의 형태로 제작하기 위해 경화된 PDMS 위에 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시킨다.
여기서, 사용된 각각의 단위 소자의 PLC 패턴의 크기 및 형상은 각각 다양한 소자들이 포함될 수 있는 장점을 지닌다. PDMS 의 경우, 유리판 또는 다른 기판과의 밀착성이 좋아 액체의 PDMS가 패턴들 사이로 들어가는 문제점은 발생하지 않는다.
그리고 제작된 대면적 PDMS를 이용하여 전주 도금에 의한 대면적 니켈 스탬프 제작에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 12는 본 발명에 따른 대면적 Ni 스탬프 제작을 위한 공정을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
제작된 대면적 PDMS 마스터의 패턴에 기지층의 증착과 전해도금을 통해 니켈 금형을 제작한다.
여기서, 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리가 발생하게 된다. 따라서, 크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec으로 기지층을 증착하여 크랙 및 박리를 제어하게 된다. 기지층의 증착후 니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형이 제작된다.
그리고 이와 같이 제작된 대면적 니켈 스탬프를 이용하여 R&P 임프린트 기법에 의한 PLC 패턴 및 그루브 패턴의 제작 공정은 다음과 같이 이루어진다.
도 13은 대면적 Ni 스탬프를 이용한 코어 패턴 제작을 나타낸 구성도이다.
먼저, 대면적 니켈 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키고, 히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 약 60 ℃의 기판 온도를 유지한다.
이는 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키게 된다.
또한, 대면적의 패턴 성형시 전 영역에서의 두께를 균일하게 할 뿐만 아니라, 성형 압력을 낮게 유지할 수 있다. 이후, 1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진을 도모한다. 이후, 두 개의 가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키게 한다.
여기서, 미크론 이하의 갭이 존재하는 PLC 소자의 UV 성형시에는 디몰딩(demolding) 공정시 스트킹(sticking)에 의해 PLC 소자의 형상이 파손되거나, 변형이 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 충진된 레진은 소프트 노광(soft exposure) 와 하드 노광(hard exposure)의 두 번의 노광을 통해 성형되어진다.
우선, 계면에서의 인터록킹(interlocking)이 심하지 않으면서 패턴의 형상이 유지될 수 있는 소프트 노광(soft exposure)을 40초간 수행 후, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 2분간 수행하게 된다. 이런 공정들을 통해 하부 클래드 패턴 및 그루브 패턴을 결함 없이 매우 정밀하게 제작할 수 있다.
그리고 코어 형성 과정 및 PLC 소자 제작 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 14는 본 발명에 따른 코어 형성 및 소자 제작을 위한 공정 흐름도이다.
먼저, 제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해서 채널에만 충진이 가능한 피코레벨의 양으로 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시킨다.(S901)
그리고 유동성을 증가시키기 위해 60℃의 온도로 가열한다. 상부 클래드 물질의 시트를 2개의 2차 롤러를 통해 가압하면서 덮게 된다. 이는 롤러에 의해 가압되는 부위부터 먼저 닿으면서 유동을 바깥쪽으로 밀게 되면서 충진이 되므로 코어의 잔류층의 두께를 1차적으로 조절 할 수 있으며, 이후, 롤러를 이용한 가압 횟수에 따라 두께 및 두께에 대한 균일도가 조절 되어 질 수 있도록 한다.(S902)
이후 UV 노광을 통해 코어를 경화시키면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시킨다. 설계된 코어의 굴절율은 1차적으로 UV 노광량을 통해 제어된다.(S903)
그리고 사용된 코어용 UV 큐어블 레진은 열처리 동안에 굴절율이 미세하게 낮아지게 되는 특징을 이용하여 이후 제작된 소자의 2차 굴절율 제어는 열처리(70℃)를 통해 정밀한 굴절율 제어가 가능할 수 있다.(S904)
이상에서와 같은 본 발명에 따른 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법 그리고 그를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법은 광 파이버 지지용 그루브 패턴과 PLC(Planar Lightwave Circuit) 패턴이 일체형으로 이루어진 대면적 스탬프의 제작을 가능하도록 한 것이다.
그리고 자동정렬용 그루브가 포함된 일체형 패턴의 제작 및 표면조도의 개선으로 PLC 소자 내에 발생하는 광손실을 최소화하여 고효율의 PLC 소자를 제작할 수 있도록한 것이다.
그리고 하나의 대면적 스탬프에 여러 가지 다른 PLC 소자 형상들이 각인된 형태로 이루어 질 수 있어, 한번의 임프린트 공정을 통해 다양한 형상을 가지는 PLC 소자들을 제공할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 대면적 니켈 스탬프를 이용한 UV R&P 임프린트 기법에 의해 대면적의 PLC 소자를 패턴 변형 및 파손 없이 제작이 가능하고 굴절율 및 슬라브 두께를 제어 할 수 있어, 광통신에서 요구되고 있는 데이터 전송에 있어 저가이며, 저손실의 대면적 고분자 PLC 소자 개발에 적용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 고분자 광소자를 제작하기 위한 대면적 금속 스탬프의 제조를 위하여,
    단위 소자 PLC 금형 패턴을 형성하고 상기 PLC 금형 패턴을 이용한 다단 임프린트 방법으로 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계;
    표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계;
    광 파이버 지지를 위한 그루브 패턴을 제작하는 단계;
    상기 단위 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴의 정렬에 의한 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계;
    상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 반복 복제를 하여 대면적 PDMS 패턴을 형성하고, 대면적 PDMS 패턴을 이용하여 전주도금에 의한 대면적 스탬프를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 대면적 스탬프는,
    상기 PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 단계는,
    실리콘 기판에 전자빔 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 단위 소자 음각의 PLC 소자 패턴을 형성하여 단위 소자 PLC 금형 패턴을 만드는 공정과,
    열가소성 수지인 PMMA 시트위에 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판에 포함된 V 그루브 정렬용 가이드 핀을 기준으로 한 다단 임프린트 공정으로 양각의 패턴을 전사하여 상기 단위 PLC 소자 패턴을 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단위 소자 PLC 금형 패턴이 형성된 실리콘 기판은,
    상기 V 그루브 정렬용 가이드 핀이 인풋(input)단과 아웃풋(output)단의 끝에 위치하고,
    후 공정의 대면적 스탬프의 기본 정렬을 위해 가이드 키 패턴 및 대면적 스탬프를 통해 제작된 단위 소자들의 정밀한 다이싱(dicing)을 위한 키 패턴, PLC와 V 그루브 정렬용 가이드 키 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 다단 임프린트 공정 진행시에 금형의 손상 및 가압에 의한 폴리머의 잔류응력을 완화시키기 위하여,
    하부클래드로 사용되는 고분자의 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도에서 가열된 후, 초기 압력을 인가후 임프린트시에 다시 초기 압력보다 높은 보압을 인가하고 다시 초기 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 표면조도에 의한 산란손실을 최소화하기 위해 열처리하는 단계에서,
    상기 단위 PLC 소자 패턴 형성 물질의 유리 전이 온도 이하(sub-Tg)의 열처리 공정으로 에칭 공정상에서 발생한 스캘럽 형상(scallop shape)이 없어지도록 진행하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 그루브 패턴을 제작하는 단계는,
    실리콘 기판위에 임프린트 레진으로 레지스트를 형성하고자 하는 그루브 패턴의 높이보다 작은 두께만큼 코팅하는 공정과,
    제작된 단위 소자용 스탬프를 이용하여 PLC 소자 패턴과 그루브의 선폭과 같은 사각 패턴을 한 번에 임프린트하는 공정과,
    상기 임프린트된 그루브 제작을 위한 사각 패턴을 이방성 습식식각을 통해 V 그루브 패턴 또는 RIE 기법을 통해 사각 패턴을 제작하는 공정과,
    음각의 PDMS 금형을 제작하기 위해 UV 레지스트와 PMMA 시트를 이용한 UV 임프린트를 통해 양각의 패턴을 제작하는 공정과,
    성형된 양각의 패턴은 다이싱을 위한 키 패턴을 이용하여 그루브 패턴만 남기는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 그루브 패턴은 PLC 소자의 인풋/아웃풋(input/output)단과 동일한 선상에 배치되도록 하여 정렬 오차를 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 소자용 일체형 PDMS 금형을 제작하는 단계는,
    다이싱 된 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴은 정렬을 용이하게 하기 위해 45°폴리싱을 하는 공정과,
    상기 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 정렬하고, 정렬된 패턴을 복제 주조 방식으로 PLC 소자 패턴과 그루브 패턴이 일체형으로 된 음각의 PDMS 금형을 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 복제 주조 공정에서,
    진공 분위기속에서 기포가 제거되도록 하고, 초음파 진동 에너지를 이용하여 삽입 손실(entrapped void)까지 제거 후, 60℃의 온도에서 3시간 경화하여 PLC 소자 패턴이 각인된 PDMS 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 대면적 PDMS 패턴을 형성하는 단계는,
    단위 소자의 PDMS PLC 패턴을 원하는 대면적 스탬프 크기만큼 복제 한 후, 가이드 키 패턴을 이용하여 복제된 PDMS 패턴들을 자르는 공정과,
    각각의 높이가 다른 PDMS 패턴들을 대면적 스탬프의 크기와 동일한 유리판 또는 기판에 놓고, 액체 PDMS를 붓고, 단위소자 경화에서와 동일한 경화조건으로 열 경화시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 대면적 스탬프를 제작하는 단계는,
    상기 대면적 PDMS 패턴에 기지층을 증착하는 공정과,
    니켈 전해도금을 통해 대면적 니켈 금형을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 기지층의 증착시 증착되는 금속간의 표면온도차이에 의한 열팽창에 의해 크랙(crack) 및 기판과의 박리를 막기 위하여 증착 온도 및 증착 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 증착 온도 및 증착 속도의 제어는,
    크랙 방지를 위해 90±10℃의 온도에서 0.8±0.2 Å/sec의 증착 속도로 기지층을 증착하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프의 제조 방법.
  14. PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 R&P(Roll and Plate) 임프린트 방식으로 PLC 패턴 및 그루브 패턴을 제작하기 위하여,
    상기 대면적 스탬프 위에 PLC 소자의 클래드 물질로 사용되는 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 같은 간격으로 피코 레벨의 양으로 드롭 시키는 단계;
    히팅 코일(heating coil)이 내재된 기판을 통해 기판 온도를 높여 상기 UV 큐어블 레진의 점도 감소를 통한 유동성을 증가시키는 단계;
    1차 롤러의 높이를 조절한 후, 레진을 평탄화 시키고 충진하는 공정과,
    가압용 2차 롤러를 통해 스퀴즈 플로우(squeeze flow)를 유발시켜 채널의 패턴에 정밀하게 충진 시키는 단계;
    소프트 노광(soft exposure) 와 하드노광(hard exposure)의 두 번의 노광으로 충진된 UV 큐어블 레진(UV curable resin)을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 소프트 노광(soft exposure)을 제 1 기준 시간 동안 진행하고, 디몰딩(demolding) 후에 완전 경화를 위한 하드 노광(hard exposure)을 질소 분위기에서 제 1 기준 시간보다 긴 제 2 기준 시간 동안 진행하여 계면에서의 인터록킹(interlocking)에 의한 패턴의 결함을 감소시키는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.
  16. PLC 소자 패턴과 광 파이버를 지지할 수 있는 그루브 패턴이 일체형 형태로 이루어진 대면적 스탬프를 이용한 광소자의 제조에 있어서,
    제작된 하부 클래드 패턴에 코어를 충진하기 위해 코어 물질을 성형된 PLC 패턴 위에 같은 간격으로 드롭시키는 단계;
    상기 코어 물질의 유동성을 증가시키면서 상부 클래드 물질의 시트를 롤러로 가압하면서 덮어 코어 물질의 두께를 1차 조절하는 단계;
    상기 롤러로 상부 클래드 물질을 가압하는 과정을 반복하여 코어 물질의 두께를 2차 조절하는 단계;
    상기 코어 물질의 굴절율을 1차 제어되도록 UV 노광으로 경화시면서 상부 클래드와 하부 클래드를 부착시키는 단계;
    열처리 공정으로 상기 코어 물질의 굴절율을 2차 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광정렬 일체형 대면적 금속 스탬프를 이용한 고분자 광소자의 제조 방법.
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