KR100450935B1 - 테이퍼형 광도파로 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크기가 서로 다른 광도파로가 광학적으로 연결된 테이퍼형 광도파로 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 테이퍼형 광도파로 제조방법은 그레이 스케일 마스크(gray scale mask)를 이용하여 코어층 상부에 경사진 프로파일의 포토레지스트 패턴을 형성하며, 포토레지스트 패턴의 프로파일과 포토레지스트 패턴 및 코어층의 식각선택비를 제어함으로써 간단한 공정을 통해 테이퍼형 광도파로의 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있다.

Description

테이퍼형 광도파로 제조방법{METHOD FOR FABRICATING TAPERED WAVEGUIDE}

본 발명은 광도파로 제조방법에 관한 것으로, 특히 크기가 서로 다른 광도파로가 광학적으로 연결된 테이퍼형 광도파로(tapered waveguide) 제조방법에 관한 것이다.

광도파로는 초고속 광 통신망에서 집적광학 소자를 이루는 필수적인 소자로써 광 분배기, 광 결합기, 모듈레이터, 간섭계형 스위치, 반도체 레이저 및 평면형 고밀도 파장분할 다중화(Dense Wavelength Division Multiplexing: DWDM) 통신용 소자 등에 폭넓게 이용되고 있다.

도 1은 도파로열격자(Arranged Waveguide Grating; AWG)를 이용한 파장분할 다중화기의 개략도로써, 입/출력 도파로(11a,11b)와 두 개의 평면 도파로(13a,13b) 및 도파로열 격자(15)로 구성된다. 이때, 도 1에서 점선원으로 표현된 부분 즉, 소자 내 도파로의 폭이 급격히 변하는 부분들은 반드시 도파로의 변화가 필요하다. 만일, 구조가 서로 다른 도파로를 직접 연결할 경우 도파로 폭의 차이는 광 손실을 유발시키고, 급격한 구조 변화로 인해 광신호가 도파로를 따라 도파 되지 않고 복사(radiation)되는 현상이 초래된다. 이로 인해 전체 광 소자의 추가 손실이 발생하고 노이즈가 생겨나게 되어 서로 다른 채널간의 간섭(cross talk)을 유발시킨다.

이와 같은 문제점을 보완하기 위해 폭이 다른 두 도파로 사이에 새로운 도파로를 삽입하여 광학적으로 연결해 주는 테이퍼형 도파로(taped waveguide)가 주로 사용되고 있다.

도 2는 일반적인 선형 테이퍼형 도파로(linear tapered waveguide)의 개략 도면으로써, 도시된 바와 같이 테이퍼형 도파로는 시작 도파로(21)의 폭에서 목표 도파로(23) 폭으로 테이퍼형 도파로(22)의 폭을 선형적으로 늘려주거나 줄여주는 구조를 갖는다.

이러한 테이퍼형 도파로를 형성하기 위한 종래 방법으로는 쉐도우마스크(shadow mask)를 이용하여 두께 프로파일(profile)을 갖는 박막 증착 후 식각공정을 통해 광도파로를 제조하는 방법, 균일한 두께의 박막을 쉐도우 마스크를 이용하여 식각 깊이를 조절함으로써 두께 프로파일을 만든 후 2차 식각공정을 통해 광도파로를 제조하는 방법이 있다.

그러나, 쉐도우 마스크를 이용하는 방법은 기판 위에 쉐도우 마스크를 장착해야 하므로 테이퍼의 위치, 기울기, 형태(shape) 등을 제어(control)하기 어려우며 양산에 문제가 있다.

종래의 다른 방법으로는 단차가 존재하는 기판에 박막을 증착한 후 평탄화 공정을 통해 두께 프로파일을 만든 후 식각공정을 통해 광도파로를 제조하는 방법이 있다.

그러나, 상기 단차가 있는 기판 위에 박막을 증착하는 방법은 테이퍼의 기울기 및 형태 제어가 어려우며 평탄화 공정이 필요하다.

종래의 또 다른 방법인 도파로 형성 후 국부적인 열을 가해주어 도파로의 일정 부분을 확대시키는 방법은 정밀한 제어가 불가능한 문제점이 있다.

전술한 바와 같이 종래기술들은 공정이 복잡하고, 종방향 테이퍼 프로파일 제어에 한계가 있으며 대량생산에 적용하기 어려운 문제점이 따른다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 간단한 제조공정을 통해 횡방향, 종방향의 테이퍼 구조를 갖는 테이퍼형 광도파로 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조방법은 기판 위에 언더클래드층, 코어층을 차례로 증착하는 단계; 상기 코어층 위에 그레이 스케일 마스크를 이용하여 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴 및 코어층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 코어층을 형성하는 단계; 상기 코어층 위에 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 평면 프로파일을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 코어층을 식각하는 단계; 및 상기 코어층 위에 오버클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 코어층 위에 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계는 상기 그레이 스케일 마스크의 자외선 투과율을 조절함으로써 포토레지스트 패턴의 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 포토레지스트 패턴 및 코어층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 코어층을 형성하는 단계는 상기 포토레지스트 패턴과 코어층의 식각선택비를 제어함으로써 코어층의 기울기를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조방법은 기판 위에 언더클래드층을 증착하는 단계; 상기 언더클래드층 위에 그레이 스케일 마스크를 이용하여 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 패턴 및 언더클래드층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 언더클래드층을 형성하는 단계; 상기 언더클래드층 위에 코어층을 증착한 다음 평탄화하는 단계; 상기 코어층 위에 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 평면 프로파일을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 코어층을 식각하는 단계; 및 상기 코어층 위에 오버클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 도파로열 격자 다중화기의 개략도,

도 2은 일반적인 선형 테이퍼형 도파로의 구조를 나타내는 도면,

도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조과정을 나타내는 공정도,

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 테이퍼형 광도파로를 나타내는 사시도,

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조과정을 나타내는 공정 단면도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조과정을 나타내는 공정 단면도로써, 코어층에 종방향 및 횡방향으로 경사진 프로파일을 형성하는 과정을 나타낸다. 참고로, 종방향으로 경사진이란 표현은 정단면에서 오른쪽 또는 왼쪽으로 진행하면서 기울기를 달리하는 것을 의미하고, 횡방향으로 경사진이란 표현은 평면에서 오른쪽 또는 왼쪽으로 진행하면서 기울기를 달리하는것을 의미한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 기판(31) 위에 언더클래드층(32), 코어층(33)을 차례로 증착한다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 코어층(33) 위에 포토레지스트(34)를 도포한 후 그레이 스케일 마스크(gray scale mask)(100)를 이용하여 노광한다. 이때, 그레이 스케일 마스크(100)의 자외선(UV) 투과율을 점진적으로 증가 또는 감소시켜 조절함으로써 원하는 형태의 포토레지스트 프로파일을 얻을 수 있도록 한다.

도 3c는 그레이 스케일 마스크(100)를 이용하여 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(34')을 형성한 상태를 나타낸다. 이와 같이 포토레지스트의 노광 정도에 따라 제거되는 포토레지스트의 깊이가 달라져 경사진 프로파일을 얻을 수 있다.

계속해서, 도 3d에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(34') 및 코어층을 건식식각 공정으로 식각하여 코어층 패턴(33')을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(34')의 형태(shape)가 코어층으로 전사되며, 포토레지스트와 코어층의 식각선택비에 따라 전사되는 정도가 달라진다. 만일, 포토레지스트와 코어층의 식각선택비가 1:1이면 포토레지스트 패턴(34')의 프로파일이 그대로 코어층에 전사된다. 따라서 원하는 코어층 패턴을 얻기 위해서는 포토레지스트 패턴(34')의 프로파일과 식각선택비를 동시에 고려해야 한다.

이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이 종방향의 테이퍼가 형성된 코어층(33') 위에 포토레지스트를 도포한 다음, 일반적인 리소그래피(lithography) 공정을 통해 횡방향의 테이퍼를 갖는 도파로 형성을 위한 포토레지스트 마스크 패턴(35)을 형성한다.

도 3f는 도 3e의 평면도로써, 횡방향의 테이퍼 형성을 위한 포토레지스트 마스크 패턴(35)의 모양을 쉽게 알 수 있다.

끝으로, 도 3g에 도시된 바와 같이 상기 포토레지스트 마스크 패턴(35)을 마스크로 이용한 식각공정을 통해 하부의 코어층을 식각하여 도파로(33')를 형성한 다음, 오버클래드층(36)을 증착한다. 이때, 포토레지스트 마스크 패턴(35)이 식각마스크로서의 역할을 하며 필요에 따라 하드 에칭 마스크(hard etching mask)를 이용할 수도 있다. 즉, 마스크 패턴 형성용 포토레지스트를 도포하기 이전에 코어층 위에 하드 마스크 역할을 할 수 있는 금속 또는 무기물질을 증착하고, 그 위에 리소그래피 공정을 통해 포토레지스트 마스크 패턴을 형성한다. 이렇게 형성된 포토레지스트 마스크 패턴으로 하부의 금속 또는 무기물질을 식각하여 하드 마스크 패턴을 형성한 다음 이를 식각마스크로 이용하여 코어층을 식각할 수 있다.

도 4는 전술한 도 3a 내지 도 3g의 공정을 통해 하부클래드층 위에 종방향(정단면) 및 횡방향(평면)으로 테이퍼진 코어층을 형성한 상태를 나타내는 사시도이다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 테이퍼형 광도파로 제조과정을 나타내는 공정 단면도로써, 언더클래드층에 경사진 프로파일을 형성하여 테이퍼형 도파로를 제조하는 과정을 나타낸다.

먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(51) 위에 언더클래드층(52)을 증착한다.

이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이 언더클래드층(52) 위에 포토레지스트(54)를 도포한 후 그레이 스케일 마스크(gray scale mask)(100)를 이용하여 노광한다. 이때, 그레이 스케일 마스크(100)의 자외선(UV) 투과율을 점진적으로 증가 또는 감소시켜 조절함으로써 원하는 형태의 포토레지스트 프로파일을 얻을 수 있도록 한다.

도 5c는 그레이 스케일 마스크(100)를 이용하여 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(54')을 형성한 상태를 나타낸다. 이와 같이 포토레지스트의 노광 정도에 따라 제거되는 포토레지스트의 깊이가 달라져 경사진 프로파일을 얻을 수 있다.

계속해서, 도 5d에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(54')을 식각마스크로 이용한 건식식각 공정으로 언더클래드층을 식각하여 경사진 프로파일(52')을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(54')의 형태(shape)가 언더클래드층으로 전사되며, 포토레지스트와 언더클래드층의 식각선택비에 따라 전사되는 정도가 달라진다. 만일, 포토레지스트와 언더클래드층의 식각선택비가 1:1이면 포토레지스트 패턴(54')의 프로파일이 그대로 언더클래드층에 전사된다. 따라서 원하는 언더클래드층의 프로파일을 얻기 위해서는 포토레지스트 패턴(54')의 프로파일과 식각선택비를 동시에 고려해야 한다.

이어서, 도 5e에 도시된 바와 같이 경사진 프로파일이 형성된 언더클래드층(52') 위에 코어층(53)을 증착한 다음, 평탄화 공정을 통해 코어층을 평탄화한다.

끝으로, 도 5f에 도시된 바와 같이 코어층을 식각하여 도파로(53")를 형성한 다음, 오버클래드층(56)을 증착한다. 이때, 코어층의 식각은 전술한 일 실시 예에서와 같이 횡방향으로 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 마스크 패턴 또는 하드 에칭 마스크를 이용한 식각공정을 통해 이루어진다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 그레이 스케일 마스크(gray scale mask)를 이용하여 경사진 프로파일의 테이퍼형 광도파로를 형성함으로써 제조공정이 간단하고, 광도파로의 형태(shape)를 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서, 석영계 광 집적회로, 화합물 광 반도체, 광섬유간의 스폿(spot) 사이즈 부정합(mismatch)으로 인한 결합손실(coupling loss)을 크게 감소시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 기판 위에 언더클래드층, 코어층을 차례로 형성하는 단계;

   상기 코어층 위에 그레이 스케일 마스크를 이용하여 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 패턴 및 코어층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 코어층을 형성하는 단계;

   상기 코어층 위에 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 평면 프로파일을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계;

   상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 코어층을 식각하는 단계; 및

   상기 코어층 위에 오버클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어층 위에 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계는

   상기 그레이 스케일 마스크의 자외선 투과율을 조절함으로써 포토레지스트 패턴의 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴 및 코어층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 코어층을 형성하는 단계는

   상기 포토레지스트 패턴과 코어층의 식각선택비를 제어함으로써 코어층의 기울기를 조절하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.
4. 기판 위에 언더클래드층을 증착하는 단계;

   상기 언더클래드층 위에 그레이 스케일 마스크를 이용하여 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 패턴 및 언더클래드층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 언더클래드층을 형성하는 단계;

   상기 언더클래드층 위에 코어층을 증착한 다음 평탄화하는 단계;

   상기 코어층 위에 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 평면 프로파일을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계;

   상기 마스크 패턴을 식각마스크로 이용하여 상기 코어층을 식각하는 단계; 및

   상기 코어층 위에 오버클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 언더클래드층 위에 경사진 프로파일을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계는

   상기 그레이 스케일 마스크의 자외선 투과율을 조절함으로써 포토레지스트 패턴의 프로파일을 조절하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴 및 언더클래드층을 건식 식각하여 예정된 테이퍼형 도파로와 동일한 정단면 프로파일을 갖는 언더클래드층을 형성하는 단계는

   상기 포토레지스트 패턴과 언더클래드층의 식각선택비를 제어함으로써 언더클래드층의 기울기를 조절하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 광도파로 제조방법.