WO2018034511A1 - C4f8 가스 중합을 이용한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법 - Google Patents

C4f8 가스 중합을 이용한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법 Download PDF

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etching
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    • G02B6/3885—Multicore or multichannel optical connectors, i.e. one single ferrule containing more than one fibre, e.g. ribbon type

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a groove for a silica fiber array using C4F8 gas polymerization, and more specifically, using a silica substrate as a substrate, and dry etching using C 4 F 8 gas polymerization to provide high-precision inclined etching surfaces.
  • the present invention relates to a method for producing a groove for a silica fiber array, which can be formed as well as having an excellent core pitch showing the performance of the fiber array.
  • a fiber array is a block for transmitting light together with an optical fiber, and is used for splitters, AWGs, data modules, switches, and the like.
  • the fiber array block aligns the optical waveguide with the waveguide of the flat optical device.
  • the optical fiber is mounted on a v-groove or a u-groove and covered with lead glass.
  • Conventional methods for manufacturing fiber array grooves include a method using a wet process and a method using machining.
  • the method using the wet process is a method of forming a groove by patterning the photolithography process and using a property such as KOH to etch the silicon (Si) crystal plane.
  • the method using the wet process has an advantage of low manufacturing cost, but there is a problem in that light loss is difficult due to different types of substrates and difficult light alignment.
  • Machining is the most commonly used method, and individual grooves are processed using v-cut blades.
  • the method using the machining process is simple because the v-groove is manufactured using the machining equipment without the photolithography process, and the manufacturing cost in the low channel (less than 8 channels) is low.
  • the high channel of 16 channels or more there is a problem that it is difficult to implement the ultra-precision performance due to the polishing problem of the v-cut blade, and in the case of more than 32 channels of the optical splitter, expensive high precision equipment is required.
  • Core pitch is an important optical measurement result that determines the performance of such a fiber array.
  • the core pitch represents the difference in alignment distance between the waveguide center and the ribbon fiber core center in the multi-channel splitter.
  • the core pitch has a critical effect on the optical loss according to the distance difference, and generally requires a performance within 0.5 ⁇ m of the core pitch.
  • the present inventors completed the present invention by using a silica substrate as a substrate and dry etching using C 4 F 8 gas polymerization as a result of research efforts to solve this problem.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing a groove for a silica fiber array having excellent core pitch showing the performance of the fiber array.
  • the present invention to achieve the above object is a first step of preparing a silica (SiO 2 ) substrate; Forming a metal mask on the silica substrate; And a third step of forming a plurality of grooves by oblique etching by dry etching through C 4 F 8 gas injection.
  • the third step is to adjust the inclination angle of the groove by adjusting the flow rate of the C 4 F 8 gas is injected.
  • the C 4 F 8 gas is injected at a constant flow rate in the range of 20 to 80 sccm, the inclined etch surface of the groove is formed at a predetermined inclination angle in the range of 59 to 67 °.
  • the third step is to further inject at least one gas selected from the group consisting of CF 4 , CHF 3 and Ar as an auxiliary gas, and to control the flow rate of the injected C 4 F 8 gas and the auxiliary gas Through adjusting the inclination angle of the groove, the etching rate and the selectivity means the etching ratio of the metal mask and silica.
  • element F when the C 4 F 8 gas and the auxiliary gas is injected, element F reacts with Si element to increase the etch rate, while element C forms gradient etching by generating CFx polymer.
  • the second step is a step 2-1 to form an adhesive layer made of Ti on the silica substrate; Forming a seed layer made of Cu on the adhesive layer; Forming a photoresist pattern on the seed layer; Step 2-4 of electroplating Cu on the seed layer to form a plating layer; And 2-5 removing the photoresist pattern and etching the seed layer.
  • the adhesive layer is removed in the dry etching process of the third step.
  • the metal mask is made of a Cu component.
  • the silica substrate is 1mm thick
  • the adhesive layer is 500 ⁇
  • the seed layer is 3000 ⁇
  • the photoresist pattern is 10 ⁇ m
  • the plating layer is formed to a thickness of 8 ⁇ m.
  • the present invention has the following excellent effects.
  • a groove for a silica fiber array of the present invention there is an advantage that a groove for a silica fiber array having excellent core pitch showing the performance of the fiber array can be manufactured.
  • FIGS. 1A to 1G are views for explaining a method of manufacturing a groove for a silica fiber array according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a process of forming a groove of the inclined etching surface according to an embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are graphs showing the inclination angle, etching rate, and selectivity of grooves according to flow rates of C 4 F 8 gas and auxiliary gas.
  • Figure 4 is a SEM photograph of the groove formed in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1A to 1G are views for explaining a method of manufacturing a groove for a silica fiber array according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a groove for a silica fiber array includes a first step of preparing a silica (SiO 2 ) substrate, a second step of forming a metal mask on the silica substrate, and a C 4 F 8 gas. It comprises a third step of forming a plurality of grooves by oblique etching by dry etching through the injection, using a silica (quartz, SiO 2 ) substrate rather than a silicon (Si) substrate, C 4 F 8 gas Dry etching using polymerization can form a groove having a highly accurate inclined etch surface.
  • the first step is to prepare a silica (quartz, SiO 2 ) substrate 110 as a substrate, to prepare a silica substrate having a thickness of about 1mm. Fiber arrays are used in splitters, etc.
  • the same silica substrate as the substrate used for the splitter substrate is used to facilitate light alignment, thereby minimizing light loss.
  • the second step is to form a metal mask (M) on the silica substrate 110, the metal mask (M) is made of a Cu component.
  • the groove for the silica fiber array according to the embodiment of the present invention requires a solid pattern to withstand deep etching of 60 ⁇ m or more, that is, high density plasma (HDP).
  • HDP high density plasma
  • Cr is mainly used in the sputtering method, which is a method of manufacturing a semiconductor and an optical device, and when the deposition thickness is increased for the selectivity and the deep etching, cracks occur due to the increase of thin film stress and the substrate is bent.
  • a metal mask (M) consisting of a Cu component.
  • the selectivity refers to an etching ratio between the metal mask M and the silica substrate 110.
  • the second step will be described in more detail with reference to FIGS. 1A to 1E.
  • an adhesive layer 120 is formed on the silica substrate 110 (step 2-1).
  • the adhesive layer 120 is a layer that helps the Cu seed layer 130 deposited thereafter to adhere well to the silica substrate 110.
  • the adhesive layer 120 may be formed by using a method such as thermal evaporation. It is formed to a thickness of about 500 ⁇ .
  • the seed layer 130 is formed on the adhesive layer 120 (step 2-2).
  • the seed layer 130 is formed to be used as a seed of the Cu plating layer 150 to be formed thereafter.
  • the Cu component may be formed to a thickness of about 3000 kPa using a method such as thermal evaporation. Form.
  • a photoresist pattern 140 is formed on the seed layer 130 (steps 2-3).
  • the photoresist pattern 140 is formed to manufacture the metal mask M.
  • the photoresist pattern 140 has a profile of 90 ° using a photolithography process. Form.
  • the photoresist pattern 140 is formed to a thickness of about 10 ⁇ m, which is a metal mast (M) of more than 8 ⁇ m considering the selectivity of the metal mask (M) and the silica substrate 110, since In consideration of the plating layer (thickness of about 8 ⁇ m) to be formed, it is formed to 10 ⁇ m or more.
  • the plating layer 150 is formed by electroplating Cu on the seed layer (steps 2-4).
  • the plating layer 150 is the main layer constituting the metal mask (M), a method of reducing the thin film stress and increase the thickness to solve the problem of the selectivity of the metal mask (M) and the silica substrate 110 well Phosphorous electroplating was selected and formed.
  • the seed layer 130 is etched (steps 2-5).
  • a region exposed to the seed layer 130 may be formed.
  • the seed layer 130 is etched using the plating layer 150 as a mask.
  • the plating layer 150 is also made of a Cu component and etched by an etching material, the seed layer 130 is formed to be about 3000 kPa thin, so the effect on the plating layer 150 is small.
  • the adhesive layer 120 made of a Ti component is formed to be thin enough to 500 ⁇ can be easily removed by a dry etching process to be performed later, there is no need to proceed a separate removal process.
  • the groove 100 is formed on the silica substrate 110 by oblique etching by dry etching (step 3).
  • the silica substrate 110 Dry etching method was used for etching, and C 4 F 8 as the main gas. The gas was used to form a sloped etch surface.
  • the inclination angle ⁇ of the groove 100 may be adjusted by adjusting the flow rate of the injected C 4 F 8 gas.
  • the C 4 F 8 gas is injected at a constant flow rate in the range of 20 to 40 sccm, and the inclination angle ⁇ of the groove 100 formed thereby may be formed at a predetermined inclination angle in the range of 59 to 67 °.
  • the third step may further inject any one or more of CF 4 , CHF 3 and Ar as an auxiliary gas in addition to the C 4 F 8 gas, which is the main gas, and the injected C 4 F 8 gas and the auxiliary gas.
  • the element F reacts with the Si element of the silica substrate 110 to increase the etching rate, while the element C induces the formation of the inclined etching by generating the CFx polymer. do.
  • the selectivity refers to an etching ratio between the metal mask M and the silica substrate 110 that is an etched material.
  • the silica substrate 110 may have an etching rate of 10 ⁇ m. If the micron is etched, the selectivity is 1:10. This selectivity is important in determining the thickness of the metal mask material.
  • the selectivity is 9.8, the silica substrate 110 may be etched up to 78.4 ⁇ m with a metal mask having a thickness of about 8 ⁇ m.
  • the silica substrate 110 was etched to a depth of about 60.22 ⁇ m, the impact of the edge portion due to the ion bombardment (ion bombardment) with the selectivity increases, thereby increasing the line width
  • the thickness of the metal mask (M) was selected to about 8 ⁇ m.
  • the metal mask M is removed to complete the formation of the grooves 100 for the silica fiber array.
  • all of the Cu seed layer, Cu plating layer, and Ti adhesive layer remaining on the silica substrate 110 were removed using SPM cleaning (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ).
  • the groove 100 for the silky fiber array formed according to the embodiment of the present invention was formed to have an inclination angle ⁇ of about 66.0 ° at a depth of about 60.22 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a view showing a process of forming a groove of the inclined etching surface according to an embodiment of the present invention.
  • the silica fiber array grooves have a great effect on the performance because the vertical movement of the fibers increases and the core center is greatly deviated.
  • grooves having low pressure, low power, and low inclination angle ( ⁇ ) formed by the production of a large amount of CFx polymer are improved in the assembling and stability of the fiber, but the processing time is long, and the high density plasma is long lasting. May not be able to withstand the metal mask. Therefore, it is very important to have a high etching rate and a low inclination angle ( ⁇ ), in the embodiment of the present invention was adjusted to have an inclination angle of 65 to 67 ° to stably set the fiber.
  • the groove 100 is formed on the silica substrate 110 to have an inclined etching surface.
  • C 4 F 8 gas was used as the main gas, and since the C 4 F 8 gas shows high deposition rate and deposition characteristics of high CFx polymer during etching, it is very important gas for controlling the inclination angle ( ⁇ ). .
  • the CF 4 , CHF 3, and Ar gas were injected to control the inclination angle, the etching rate, and the selection ratio.
  • the element of F (Fluorine) series reacts with Si of the silica substrate 110 to have a large influence on etching, and the more F, the higher the etching rate.
  • elements of the C (Carbon) series in C 4 F 8 affect the production of the CFx polymer. Partly formed CFx 112 is pumped out due to the high vacuum and exits to the outside. It is deposited on the inclined etching surface and the substrate 110 and the metal mask 140.
  • a small amount of CFx polymer deposition during conventional 90 ° etching protects the sidewalls and induces vertical etching, but as the amount of CFx polymer increases, the thickness of the sidewalls that protects the sidewalls becomes thicker to form a slope. Therefore, the rapid etching due to the F element is also important for the formation of the inclined etching surface, but the polymer polymerization of CFx is also important, so it is necessary to control the formation.
  • 3A and 3B are graphs showing the inclination angle, etching rate, and selectivity of grooves according to flow rates of C 4 F 8 gas and auxiliary gas. This will analyze the etching tendency of the gases before the detailed process conditions test.
  • an etching rate and a selectivity according to auxiliary gas injected in addition to the main gas may be known.
  • the flow rate of injected gas is C 4 F 8 50sccm, CF 4 40sccm, CHF 3 40sccm, O 2 5sccm respectively.
  • O 2 is added as an auxiliary gas
  • the etching rate is very high, but the selectivity is low, so it is not suitable for use. It can be seen that, when injecting C 4 F 8 And CF 4 It can be seen that showing a high etching rate and selectivity.
  • the injection flow rate of C 4 F 8 gas was used at 40 sccm in order to obtain a high etching rate.
  • CF 4 and Ar as a secondary gas was mixed to confirm the etch rate, tilt angle and selectivity with Cu as a mask material.
  • Example 1 Example 2 Example 3
  • Example 4 Example 5 C4F8 20sccm 40sccm 60 sccm 80sccm 20sccm CF4 40sccm 40sccm 40sccm 40sccm O2 5sccm Ar 50sccm 50sccm 50sccm 50sccm Etch Depth ( ⁇ m) 54.1 60.22 45.85 40.30 76.2 Tilt angle (°) 64 66.0 61 59 70.6 Selectivity 8.2 9.8 9 6.7
  • Main gas C 4 F 8 The etch rate of CF4 as gas and auxiliary gas was compared with the selectivity and etch rate according to the flow rate when CF4 and O 2 were injected as auxiliary gas.
  • Example 2 it can be seen that the C 4 F 8 40sccm and CF 4 40sccm gas mixture exhibits a high etching rate of 6022 ⁇ / min, and was formed at a selectivity of 9.8 at an inclination angle of 66 °, which is excellent. .
  • Ar was used to activate plasma ions and the same amount of 50sccm was injected.
  • the inclination angle and the etch rate tended to decrease as the flow rate of the injected C 4 F 8 increased, and since the CFx polymer deposition was performed simultaneously with the etching due to the characteristics of the C4F8 gas, the change of the inclination angle showed a nonlinear result.
  • the inclined etching of the silica substrate according to the embodiment of the present invention proceeds to dry etching by selecting a flow angle of 40 ° cm C 4 F 8 and a flow rate 40 sccm of CF 4 showing the appropriate etch rate and the angle of inclination 66 ° to the fiber can be stably placed It is desirable to.
  • Figure 4 is a SEM photograph of the groove formed in accordance with an embodiment of the present invention.
  • grooves having a slanted etched surface are formed on the silica substrate, and have a cutting depth of 60.22 ⁇ m, left and right angles of 65.3 °, and 66.0 °.
  • a high-precision inclined etching surface can be formed by using a silica substrate and dry etching using C 4 F 8 gas polymerization.
  • the high-precision oblique etching surface forming method can be applied even in high channels, and it is possible to manufacture grooves for high-channel (16-channel, 32-channel or more) silica fiber arrays having excellent core pitches indicating the performance of the fiber array.
  • the core pitch is an important measurement that determines the performance of the fiber array.
  • the optical characteristics indicate the difference in alignment distance between the waveguide center and the ribbon fiber core center in a multichannel splitter. This distance difference has a decisive influence on the optical loss, the specification of the commercialized core pitch is 0.5 ⁇ m, if the groove is formed using a dry etching method according to an embodiment of the present invention can be produced within 0.3 ⁇ m core pitch Light loss can be reduced.
  • a high-precision inclined etching surface can be formed even in a high channel, and a silica fiber having excellent core pitch showing the performance of a fiber array is provided. Grooves for arrays can be prepared and applied.

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Abstract

본 발명은 C4F8 가스 중합을 이용한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 기판으로서 실리카 기판을 사용하고, C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 의하면, 실리카 기판을 사용하고 C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고채널에서도 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 의하면, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

C4F8 가스 중합을 이용한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법
본 발명은 C4F8 가스 중합을 이용한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 기판으로서 실리카 기판을 사용하고, C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조하는 방법에 관한 것이다.
파이버 어레이(fiber array)는 광파이버와 함께 광을 전송하기 위한 블록으서, 스플리터(splitter), AWG, Data module, Switch 등에 사용된다. 이러한 파이버 어레이 블록은 평판형 광소자의 도파로와 광파이버를 정렬시켜주는데, 일반적으로 v-groove 또는 u-groove에 광파이버를 안착시키고 리드글라스로 덮어 제작한다.
종래의 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에는 습식공정을 이용하는 방법과 기계가공을 이용하는 방법 등이 있다.
습식공정을 이용하는 방법은 포토리소그래피 공정으로 패터닝한 후 KOH와 같은 용액을 이용하여 실리콘(Si) 결정면에 따라 식각되는 특성을 이용함으로써 그루브를 형성하는 방법이다. 이러한 습식공정을 이용한 방법은 제조비용이 낮다는 장점이 있으나, 기판의 종류가 서로 달라 광정렬이 어려워 광 손실이 발생하는 문제점이 있다.
기계가공을 이용하는 방법은 가장 많이 사용되고 있는 상용화된 방법으로서, v-cut blade를 이용하여 개별적으로 그루브를 가공하는 방법이다. 이러한 기계가공을 이용한 방법은 포토리소그래피 공정 없이 기계 가공 장비를 이용하여 v-groove를 제작하기 때문에 공정이 단순하며, 저채널(8채널 이하)에서의 제조비용이 낮다는 장점이 있다. 그러나 16채널 이상의 고채널에서는 v-cut blade의 폴리싱 문제로 인하여 초정밀 성능을 구현하기 어렵다는 문제점이 있으며, 광분배기 32채널 이상인 경우에는 고가의 고정밀 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
한편, 광소자 모듈 제작시 도파로 정렬은 손실값을 결정하는 매우 중요한 역할을 하는데, 코어피치는 이러한 파이버 어레이의 성능을 결정하는 중요한 광학적 측정 결과치이다. 이러한 코어피치는 다채널 스플리터에서 도파로 중심과 리본 파이버 코어 중심의 정렬 거리차를 나타내며, 거리차에 따라 광 손실에 결정적인 영향을 미치는데, 일반적으로 코어피치 0.5㎛ 이내의 성능을 요구하고 있다.
따라서 고채널에서도 우수한 정밀도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 코어피치가 우수한 새로운 파이버 어레이용 그루브의 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과 기판으로서 실리카 기판을 사용하고 C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 고채널에서도 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 실리카(SiO2) 기판을 준비하는 제1단계; 상기 실리카 기판상에 메탈마스크를 형성하는 제2단계; 및 C4F8 가스 주입을 통한 건식식각으로 경사 식각하여 복수개의 그루브를 형성하는 제3단계;를 포함하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제3단계는 주입되는 상기 C4F8 가스의 유량 조절을 통해 그루브의 경사각을 조절한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 C4F8 가스는 20 내지 80sccm 범위의 일정 유량으로 주입되며, 상기 그루브의 경사식각면은 59 내지 67°범위의 일정 경사각으로 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제3단계는 보조가스로서 CF4, CHF3 및 Ar으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 더 주입하며, 주입되는 상기 C4F8 가스와 상기 보조가스의 유량 조절을 통해 그루브의 경사각, 식각률 및 메탈마스크와 실리카의 식각비를 의미하는 선택비를 조절한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 C4F8 가스 및 보조가스가 주입되면 F원소는 Si원소와 반응하여 식각률을 증가시키는 한편, C원소는 CFx폴리머를 생성함으로써 경사 식각을 형성한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2단계는 상기 실리카 기판상에 Ti으로 이루어진 접착층을 형성하는 2-1단계; 상기 접착층 상에 Cu로 이루어진 시드층(seed layer)를 형성하는 2-2단계; 상기 시드층 상에 포토레지스트패턴을 형성하는 2-3단계; 상기 시드층 상에 Cu를 전기도금을 하여 도금층을 형성하는 2-4단계; 및 상기 포토레지스트패턴을 제거한 후, 상기 시드층을 식각하는 2-5단계;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 접착층은 상기 제3단계의 건식식각 과정에서 제거된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 메탈마스크는 Cu 성분으로 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 실리카 기판은 1㎜의 두께이며, 상기 접착층은 500Å, 상기 시드층은 3000Å, 상기 포토레지스트패턴은 10㎛, 상기 도금층은 8㎛의 두께로 형성된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명의 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 의하면, 실리카 기판을 사용하고 C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고채널에서도 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 의하면, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 경사 식각면의 그루브가 형성되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 C4F8 가스와 보조가스의 유량에 따른 그루브의 경사각, 식각률 및 선택비를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 그루브의 SEM사진이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법은 크게 실리카(SiO2) 기판을 준비하는 제1단계와, 상기 실리카 기판상에 메탈마스크를 형성하는 제2단계 및 C4F8 가스 주입을 통한 건식식각으로 경사 식각하여 복수개의 그루브를 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어지는데, 기판으로서 실리콘(Si) 기판이 아닌 실리카(quartz, SiO2) 기판을 사용하였으며, C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고정밀의 경사식각면을 갖는 그루브(groove)를 형성할 수 있다.
상기 제1단계는 기판으로서 실리카(quartz, SiO2) 기판(110)을 준비하는 단계이며, 1㎜ 정도 두께의 실리카 기판을 준비한다. 파이버 어레이는 스플리터(splitter) 등에 사용되는데, 본 발명의 실시예에서는 스플리터의 기판에 사용되는 기판과 동일한 실리카 기판을 사용함으로써 광정렬을 용이하게 하여 광 손실을 최소화하였다.
상기 제2단계는 상기 실리카 기판(110)상에 메탈마스크(M)를 형성하는 단계이며, 상기 메탈마스크(M)는 Cu 성분으로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 실리카 파이버 어레이용 그루브는 60㎛ 이상의 깊은 식각 즉, 고밀도 플라즈마(HDP: High Density Plasma)를 견디기 위한 견고한 패턴이 필요하다. 한편, 일반적인 반도체 및 광소자의 제조방법인 스퍼터링 방법에서는 Cr이 주로 사용되는데, 이러한 크롬은 선택비 및 깊은 식각을 위해 증착 두께를 증가시키면 박막 스트레스의 증가로 인하여 크랙이 발생하게 되고, 기판이 휘어지는 문제로 인하여 적합하지 않다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 Cu 성분으로 이루어진 메탈마스크(M)를 사용하였다. 여기서, 선택비(selectivity)는 상기 메탈마스크(M)와 실리카 기판(110)의 식각비를 의미한다.
상기 제2단계는 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1a를 참조하면, 먼저 상기 실리카 기판(110) 상에 접착층(120)을 형성한다(2-1단계). 상기 접착층(120)은 이후 증착되는 Cu 시드층(130)이 상기 실리카 기판(110)에 잘 접착할 수 있도록 도와주는 층으로서, Ti 성분을 진공열증착(thermal evaporation) 등의 방법을 사용하여 약 500Å 정도의 두께로 형성한다.
이어서, 상기 접착층(120) 상에 시드층(130)을 형성한다(2-2단계). 상기 시드층(130)은 이후 형성되는 Cu 도금층(150)의 시드(seed)로 사용되도록 형성하는 층으로서, Cu 성분을 진공열증착(thermal evaporation) 등의 방법을 사용하여 약 3000Å 정도의 두께로 형성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 시드층(130) 상에 포토레지스트패턴(140)을 형성한다(2-3단계). 상기 포토레지스트패턴(140)은 메탈마스크(M)를 제조하기 위해 형성하는 것으로서, 이후 수행되는 전기도금에 적합한 포토레지스트를 도포한 후 포토리소그래피 공정을 사용하여 90°의 프로파일(profile)을 가지도록 형성한다.
여기서, 상기 포토레지스트패턴(140)은 약 10㎛ 정도 두께로 형성되는데, 이는 메탈마스크(M)와 실리카 기판(110)의 선택비를 고려하면 8㎛이상의 메탈마스트(M)가 필요한바, 이후 형성되는 도금층(약 8㎛ 정도의 두께)을 고려하여 10㎛ 이상으로 형성한다.
도 1c를 참조하면, 상기 시드층 상에 Cu를 전기도금을 하여 도금층(150)을 형성한다(2-4단계). 상기 도금층(150)은 상기 메탈마스크(M)를 이루는 주요 층으로서, 상기 메탈마스크(M)와 상기 실리카 기판(110)의 선택비를 문제를 잘 해결할 수 있도록 박막스트레스를 줄이고 두께를 증가하는 방법인 전기도금법을 선택하여 형성하였다.
즉, 상기 도금층(150)에 전기를 인가하고 Cu 용액을 이용하여 전기도금을 실시하였으며, 두께는 상기 포토레지스트패턴(140)의 두께보다 낮은 약 8㎛의 두께로 형성되도록 하였다.
도 1d 및 도 1e를 참조하면, 상기 포토레지스트패턴(140)을 제거한 후, 상기 시드층(130)을 식각한다(2-5단계). 상기 포토레지스트패턴(140)을 제거하면 상기 시드층(130)에 노출되는 영역이 형성됨을 알 수 있다.
상기 도금층(150)을 마스크로 하여 상기 시드층(130)을 식각한다. 여기서, 상기 도금층(150) 역시 Cu 성분으로 이루어져 있어 식각물질에 의해 식각되기는 하지만, 상기 시드층(130)이 약 3000Å 정도로 얇게 형성되어 있기 때문에 상기 도금층(150)에 미치는 영향은 적다.
한편, Ti 성분으로 이루어진 상기 접착층(120)은 500Å 정도로 얇게 형성되어 이후 수행되는 건식식각 공정에 의해 쉽게 제거될 수 있으므로 별도의 제거 공정은 진행하지 않아도 된다.
도 1f 및 도 1g를 참조하면, 건식식각으로 경사 식각하여 상기 실리카 기판(110)에 그루브(100)를 형성한다(제3단계). 본 발명의 실시예에서는 상기 실리카 기판(110)을 식각함에 있어서 건식식각 방법을 사용하였으며, 메인 가스로서 C4F8 가스를 사용하여 경사 식각면을 형성하였다.
여기서, 주입되는 상기 C4F8 가스의 유량 조절을 통해 상기 그루브(100)의 경사각(θ)을 조절할 수 있다. 상기 C4F8 가스는 20 내지 40sccm 범위의 일정 유량으로 주입되며, 이로써 형성되는 상기 그루브(100)의 경사각(θ)은 59 내지 67°범위의 일정 경사각으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제3단계는 메인가스인 C4F8 가스 이외에 보조가스로서 CF4, CHF3 및 Ar 중 어느 하나 이상의 가스를 더 주입할 수 있으며, 주입되는 상기 C4F8 가스와 상기 보조가스의 유량 조절을 통해 그루브의 경사각, 식각률 및 선택비를 조절할 수 있다.
이때, 상기 C4F8 가스 및 보조가스가 주입되면 F원소는 상기 실리키 기판(110)의 Si원소와 반응하여 식각률을 증가시키는 한편, C원소는 CFx폴리머를 생성함으로써 경사 식각을 형성하도록 유도한다.
상기 선택비는 상기 메탈마스크(M)와 피식각물질인 상기 실리카 기판(110)의 식각비를 의미하는 것으로서, 건식 식각 공정시 Cu 메탈마스크가 1㎛ 식각될 때 상기 실리카 기판(110)이 10㎛ 식각된다면 선택비는 1:10이 된다. 이러한 선택비는 메탈마스크 물질의 두께를 결정하는데 있어서 중요하며, 선택비가 9.8인 경우 약 8㎛ 정도 두께의 메탈마스크로 78.4㎛까지 실리카 기판(110)의 식각이 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 상기 실리카 기판(110)을 약 60.22㎛ 정도의 깊이로 식각하였는데, 선택비와 함께 이온충격(ion bombardment)으로 인하여 모서리 부분의 충격이 많아지고, 이로 인해 선폭이 증가하는 현상을 고려하여 상기 메탈마스크(M)의 두께를 약 8㎛로 선택하였다.
마지막으로, 상기 메탈마스크(M)를 제거하여 실리카 파이버 어레이용 그루브(100)의 형성을 완성한다. 본 발명의 실시예에서는 SPM 클리닝(H2SO4 + H2O2)을 이용하여 상기 실리카 기판(110) 상에 남아있는 Cu 시드층, Cu 도금층 및 Ti 접착층을 모두 제거하였다.
본 발명의 실시예에 따라 형성된 실리키 파이버 어레이용 그루브(100)는 약 60.22㎛ 정도의 깊이에 약 66.0°의 경사각(θ)을 갖도록 형성되었다.
상기 제3단계의 건식식각 과정은 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 경사 식각면의 그루브가 형성되는 과정을 보여주는 도면이다.
실리카 파이버 어레이 그루브는 경사각(θ)이 클수록 파이버 어레이 조립시 파이버 안착의 안정성이 떨어지게 되며, 파이버의 상하 움직임이 커질 뿐만 아니라 코어 중심이 크게 벗어나기 때문에 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
또한, 낮은 압력과 낮은 파워 그리고 CFx 폴리머가 많이 생성되어 형성된 낮은 경사각(θ)을 갖는 그루브는 파이버의 조립과 안정성에 있어서는 좋아지지만, 공정 시간이 길어지게 되고, 장시간 지속되는 고밀도 플라즈마(high density plasma)를 메탈마스크가 견디지 못할 수 있다. 따라서 높은 식각률과 낮은 경사각(θ)을 갖도록 하는 것이 매우 중요한바, 본 발명의 실시예에서는 파이버를 안정적으로 안착할 수 있는 65 내지 67°의 경사각을 갖도록 조절하였다.
도 2를 참조하면, 상기 실리카 기판(110)에 그루브(100)가 형성되는데 경사 식각면을 갖도록 형성되는 것을 알 수 있다. 여기서 C4F8 가스를 메인가스로 사용하였는데, 상기 C4F8 가스는 높은 식각률과 함께, 식각 중 높은 CFx 폴리머의 증착 특성을 보이기 때문에 경사각(θ) 조절을 위해서 매우 중요한 가스임을 알 수 있다.
그리고 경사각 조절, 식각률 및 선택비의 조절을 위해 메인가스인 상기 C4F8 가스 이외에도 보조가스로서 CF4, CHF3 및 Ar 가스 중 어느 하나 이상의 가스를 주입하였다.
메인가스인 상기 C4F8에서 F(Fluorine)계열의 원소는 상기 실리카 기판(110)의 Si와 반응하여 식각에 큰 영향을 미치게 되는데, F가 많을수록 식각률은 높아지게 된다. 그리고, C4F8에서 C(Carbon)계열의 원소는 CFx 폴리머의 생성에 영향을 미치게 되는데, 일부 형성되는 CFx(112)는 고진공으로 인하여 펌핑되어 외부로 빠져나가며, 일부는 부산물(111)로 경사 식각면과 기판(110) 및 메탈마스크(140)에 증착된다. 일반적인 90°식각 시 소량의 CFx 폴리머 증착은 측벽을 보호하며 수직 식각을 유도하지만, CFx 폴리머의 양이 많아질수록 측벽을 보호하는 두께가 두꺼워져 경사면을 형성하게 된다. 따라서 경사 식각면의 형성을 위해서는 F원소로 인한 빠른 식각도 중요하지만, CFx의 폴리머 중합(Polymerization)도 중요하므로 이를 잘 조절하여 형성할 필요가 있다.
도 3a 및 도 3b는 C4F8 가스와 보조가스의 유량에 따른 그루브의 경사각, 식각률 및 선택비를 보여주는 그래프이다. 이는 세부 공정 조건실험 전 가스들의 식각 경향성을 분석하기 것이다.
도 3a를 참조하면, 주입되는 C4F8가스의 유량에 따른 식각률 및 경사각을 알 수 있는데, 유량의 증가에 따는 식각률 및 경사각이 선형적이지 않은 이유는 C4F8 가스 특성상 식각을 수행하는 F계열과 폴리머가 증착되는 CFx 계열이 함께 존재하기 때문에 특정 유량까지는 식각률 및 경사각이 증가하다가 그 이상의 유량에서는 비선형적으로 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다.
도 3b를 참조하면, 메인가스 이외에 주입되는 보조가스에 따른 식각률 및 선택비를 알 수 있다. (주입되는 가스의 유량은 각각 C4F8 50sccm, CF4 40sccm, CHF3 40sccm, O2 5sccm임) 보조가스로서 O2를 첨가하는 경우 식각률은 매우 높아지지만 선택비가 낮아져서 사용에 적절하지 않음을 알 수 있으며, C4F8 및 CF4를 주입하는 경우 높은 식각률 및 선택비를 보여주는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 식각률이 높은 공정조건을 잡기 위해 C4F8 가스의 주입 유량를 40sccm로 사용하였다. 그리고 보조가스로서 CF4와 Ar를 혼합하여 식각률, 경사각 및 마스크물질인 Cu와의 선택비를 확인하였다.
아래 [표 1]에서는 C4F8 가스와 보조가스의 유량 조절을 통한 식각 깊이, 경사각(θ), 식각률 및 선택비를 정리하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
C4F8 20sccm 40sccm 60sccm 80sccm 20sccm
CF4 40sccm 40sccm 40sccm 40sccm 40sccm
O2 5sccm
Ar 50sccm 50sccm 50sccm 50sccm 50sccm
식각깊이(㎛) 54.1 60.22 45.85 40.30 76.2
경사각(°) 64 66.0 61 59 70.6
선택비 8.2 9.8 9 6.7
(본 발명의 실시예에 따른 다양한 건식식각 공정은 upper RF power 1500W, lower RF power 2000W, 압력 30mTorr, 시간 100min의 조건하에서 실시됨)
메인가스인 C4F8 가스와 보조가스로서 CF4를 주입한 경우의 식각률은 보조가스로서 CF4와 O2를 주입한 경우의 유량에 따른 선택비와 식각률을 비교하였다.
실시예 2를 참조하면, C4F8 40sccm와 CF4 40sccm 가스 혼합일 경우 6022 Å/min 으로 높은 식각률을 보이고 있음을 알 수 있으며, 선택비 9.8에 경사각도 66°로 형성되어 우수함을 보여주었다. 혼합가스 외에 Ar은 플라즈마 이온의 활성화를 위하여 사용하였으며 동일하게 50sccm 주입하였다.
반면, 보조가스로서 O2가 더 첨가한 경우 식각률은 7620 Å/min까지 급격히 증가하지만 Cu 메탈마스크(M)와 실리카 기판(110)의 선택비가 급격히 낮아져 메탈마스크가 견디지 못하였음을 확인하였다.
즉, 주입되는 C4F8의 유량 증가에 따라 경사각과 식각률이 낮아지는 경향을 보였고, C4F8 가스 특성상 식각과 동시에 CFx 폴리머 증착이 이루어지기 때문에 경사각의 변화가 비선형 결과가 나타났음을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 실리카 기판의 경사식각은 파이버가 안정적으로 안착할 수 있는 경사각 66° 및 적절한 식각률을 보여주는 C4F8의 유량 40sccm과 CF4의 유량 40sccm을 선택하여 건식식각을 진행하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 그루브의 SEM사진이다.
도 4를 참조하면, 실리카 기판에 경사식각면을 갖는 그루브가 형성되었음을 알 수 있는데, 경삭깊이 60.22㎛, 좌우 경삭각 65.3°및 66.0°으로 형성되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법에 의하면, 실리카 기판을 사용하고 C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있다. 이러한 고정밀의 경사식각면 형성 방법은 고채널에서도 적용할 수 있는데, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 고채널(16채널, 32채널 이상) 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예를 적용하면 상용화된 방법인 습식시각공정과 기계가공 공정에 비해 정밀한 성능의 고채널 실리카 파이버어레이을 제조할 수 있으며, 약 30% 이상의 원가절감 및 대량생산이 가능한 장점이 있다.
코어피치는 파이버 어레이의 성능을 결정하는 중요한 측정 결과치인데, 광학적 특성으로 다채널 스플리터에서 도파로 중심과 리본 파이버 코어 중심의 정렬 거리차를 나타내다. 이러한 거리차는 광 손실에 결정적인 영향을 미치게 되는데, 상용화된 코어피치의 스펙은 0.5㎛이며, 본 발명의 실시예에 따른 건식식각 방법을 사용하여 그루브를 형성하면 코어피치 0.3㎛ 이내로 제조할 수 있는바 광손실을 줄일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명에 의하면 실리카 기판을 사용하고 C4F8 가스 중합을 이용하여 건식식각함으로써 고채널에서도 고정밀의 경사식각면을 형성할 수 있다는 효과가 있으며, 파이버 어레이의 성능을 나타내는 코어피치가 우수한 실리카 파이버 어레이용 그루브를 제조하여 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 실리카(SiO2) 기판을 준비하는 제1단계;
    상기 실리카 기판상에 메탈마스크를 형성하는 제2단계; 및
    C4F8 가스 주입을 통한 건식식각으로 경사 식각하여 복수개의 그루브를 형성하는 제3단계;를 포함하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3단계는 주입되는 상기 C4F8 가스의 유량 조절을 통해 그루브의 경사각을 조절하는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 C4F8 가스는 20 내지 80sccm 범위의 일정 유량으로 주입되며, 상기 그루브의 경사식각면은 59 내지 67°범위의 일정 경사각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제3단계는 보조가스로서 CF4, CHF3, 및 Ar으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 가스를 더 주입하며,
    주입되는 상기 C4F8 가스와 상기 보조가스의 유량 조절을 통해 그루브의 경사각, 식각률 및 메탈마스크와 실리카의 식각비를 의미하는 선택비를 조절하는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 C4F8 가스 및 보조가스가 주입되면 F원소는 Si원소와 반응하여 식각률을 증가시키는 한편, C원소는 CFx폴리머를 생성함으로써 경사 식각을 형성하는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2단계는
    상기 실리카 기판상에 Ti으로 이루어진 접착층을 형성하는 2-1단계;
    상기 접착층 상에 Cu로 이루어진 시드층(seed layer)를 형성하는 2-2단계;
    상기 시드층 상에 포토레지스트패턴을 형성하는 2-3단계;
    상기 시드층 상에 Cu를 전기도금을 하여 도금층을 형성하는 2-4단계; 및
    상기 포토레지스트패턴을 제거한 후, 상기 시드층을 식각하는 2-5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 제3단계의 건식식각 과정에서 제거되는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메탈마스크는 Cu 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리카 기판은 1㎜의 두께이며, 상기 접착층은 500Å, 상기 시드층은 3000Å, 상기 포토레지스트패턴은 10㎛, 상기 도금층은 8㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리카 파이버 어레이용 그루브의 제조방법.
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