KR100907552B1 - 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장 장치 - Google Patents

반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장 장치 Download PDF

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Abstract

반도체 소자에 형성된 도파로의 접합부를 확장하는 장치에 대하여 개시한다. 반도체 소자에 형성된 도파로의 접합부를 SiC발열체를 이용하여 고온으로 가열한다. SiC발열체와 가까운 부분인 도파로 접합부는 확산현상에 의하여 확장되고 그 이외의 부분은 상온 또는 별도의 냉각장치에 의해 가열되지 아니하여 확산현상이 일어나지 않는다. 본 발명에 따르면, 장치 구현이 간단하며 적은 비용으로 도파로 접합부 확장장치를 구현할 수 있다. 본 발명에 의한 장치로 도파로 접합부를 확장함으로써 결합손실을 줄일 수 있고, 허용 정렬오차를 높일 수 있다.
도파로, 접합부, 부분가열, 확장

Description

반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장 장치{APPARATUS FOR EXPANDING CONNECTION PART OF WAVEGUIDE FORMED IN SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 확장하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파로가 형성된 반도체 소자를 부분 가열함으로써 도파로의 접합부만을 부분적으로 확장하는 장치에 관한 것이다.
최근 초고속 인터넷 및 VoIP, IPTV 등의 기술 발달로 이를 이용한 전화통화 또는 멀티미디어 자료 등의 이용이 활성화됨에 따라 대용량의 데이터를 신속하고 정확하게 전달할 수 있는 방법이 필요하게 되었다. 특히 분리된 고유의 파장을 갖는 다수의 광 신호들을 동시에 하나의 광섬유를 통하여 전송함으로써 전송선로의 효율적 이용이 가능한 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing; 이하, 'DWDM'이라고 한다) 기술에 관심이 고조되고 있다.
이러한 DWDM기술을 구현하기 위해서는 파장이 상이한 광 신호를 하나의 광섬유로 모으거나, 하나의 광섬유를 통해 전송된 광 신호를 각 파장에 따라 분리하는 소자가 필요하다.
이러한 기능을 수행하는 소자로서 파장분할다중화기(Arrayed Waveguide Grating; 이하 'AWG' 라고 한다.)가 사용되는데, AWG의 구성은 내부에 복수의 도파로가 형성되어 있으며 각 도파로의 길이 및 형상은 상이하게 배치되어 있다. 광 신호가 AWG에 입력되면, 입력된 광 신호는 배열된 각각의 도파로 격자를 통과하면서 각 파장 별로 파장분할다중화가 수행된다.
AWG는 광섬유와 결합되거나, 복수 개의 AWG들이 집적화되어 사용되는데, AWG가 광섬유와 결합되는 경우에는 광섬유의 모드 크기와 도파로의 모드 크기와의 차이가 적어야 하고, 광섬유의 중심축과 도파로의 중심축이 정확하게 일치해야 광 결합손실을 줄일 수 있다.
그리고, 복수 개의 AWG소자들이 집적화되는 경우에는 각각의 AWG의 배열된 도파로들이 동시에 정렬해야 함으로 인해 높은 허용 정렬 오차 특성을 가져야 한다. 이런 특성을 갖기 위해서는 AWG를 구성하는 도파로의 접합부가 적절한 크기로 확장되어야 한다.
반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 확장하는 방법에 있어서, 도파로를 제작할 때부터 도파로 접합부 확장하는 공정이 추가되거나, 도파로의 제작을 마치고 나서 차후 공정으로 도파로 접합부를 확장하는 방법이 있다.
도파로 제작 시부터 도파로 접합부의 확장을 염두 하여 도파로가 형성된 반도체 소자를 제작하면 도파로 접합부의 확장이 용이할 수는 있으나 생산공정이 복잡해지고 생산비용도 증가하게 된다.
이와 반대로, 도파로가 완성된 이후에 별도의 공정으로 도파로의 접합부를 확장하게 되면 제작비용은 적어지나, 차후 공정으로 인해 이미 생성된 도파로가 손 상될 수 있는 문제점이 있다.
도파로의 확장을 위해서 종래에 알려진 방법으로는 스퍼터링을 통해 웨이퍼에 소정 물질을 증착시키거나, 스핀코팅으로 소정 물질을 웨이퍼에 증착시킨 후에 부분 에칭함으로써 도파로 접합부를 확장하거나, 도파로의 코어 상하층에 열선(heating element)을 매립하여 도파로 접합부를 열적확장하는 방식, 레어저히팅으로 도파로 접합부를 열적확장하는 방식 등이 제안되어왔다.
이런 방법들은 복잡할 뿐 아니라 이를 구현하는데 많은 비용이 들게 되어 DWDM기술이 널리 현실화되는데 장애요인이 되고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부만을 부분적으로 가열을 하여 도파로의 접합부를 확장시키면서, 그 장치 구현이 간단하고 적은 비용이 소요되는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 도파로 접합부 확장 장치는 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 가열하기 위한 발열부, 상기 발열부에 열이 발생되도록 전압을 공급하는 전압공급부 및 상기 발열부가 일정한 온도를 유지하도록 상기 전압공급부의 출력전압을 조절하는 온도제어부를 포함한다.
바람직하게, 상기 발열부는 SiC 발열체인 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게, 상기 발열부의 온도를 측정하여 측정된 온도를 상기 온도제어부로 전달하는 R-type 열전대를 더 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 온도제어부는 상기 R-type 열전대에서 측정한 온도와 설정된 온도를 비교하여 상기 발열부가 설정된 온도로 유지되도록 상기 전압공급부의 출력전압을 조절한다.
또한, 바람직하게, 상기 반도체 소자 및 상기 발열부를 지지하는 단열재를 더 포함하는데, 상기 단열재는 상기 발열부를 지지하기 위한 홈이 형성되거나, 상기 단열재의 내부에는 상기 발열부를 삽입하기 위한 관통된 홀 및 상기 반도체 소자를 삽입하기 위한 삽입 홀이 구비된다.
또한, 바람직하게, 상기 단열재의 가열에 의해 상기 반도체 소자가 오염되는 것을 방지하도록 상기 단열재와 상기 반도체 소자 사이에 규소판을 더 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 이외의 부분을 냉각시키는 냉각장치를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자에 형성된 도파로의 접합부를 확장함으로써 도파로와 광섬유 사이를 접합한 경우 및 도파로가 형성된 반도체 소자들을 집적화한 경우에 결합손실(insertion loss)이 감소하여 효율적인 광 신호처리가 가능하다.
또한 본 발명에 따르면, 간단한 장치 및 방법으로 도파로 접합부를 확장이 가능하여 손쉽게 장치구현이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면, 적은 비용으로 장치구현이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 사시도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치는 반도체 소자 (110)에 형성된 도파로 접합부를 가열하는 발열부 (140), 상기 발열부 (140)를 지지하기 위한 단열재 (121 내지 123), 상기 발열부 (140)의 온도를 측정하기 위한 R-type 열전대 (150), 상기 발열부 (140)에 전압을 공급하는 전압공급부 (180) 및 상기 전압공급부 (180)의 전압을 조절하여 발열부(140)의 온도를 제어하는 온도제어부 (190)를 포함하여 구성된다.
구체적으로 설명하면, 발열부 (140)는 반도체 소자 (110)에 형성 된 도파로 접합부를 가열하는 수단인 SiC 발열체 (Silicon Carbide Heating Element)로서, SiC 발열체는 1600℃까지 가열이 가능한 비금속 발열체이다. 비금속발열체는 금속발열체에 비해 고온이 필요로 하는 경우에 주로 사용되고, 그 대표적인 것이 SiC 발열체이며, 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부의 확장을 위해 온도를 1100℃ 정도로 유지시키는 것이 바람직하다.
이와 같이, 고온의 발열부(140)로 도파로 접합부를 가열하면, 반도체 소자에 형성된 도파로를 구성하는 물질인 실리카(SiO₂)와 실리카에 이웃한 불순물이 열의 힘에 의해 확산(diffusion)현상이 일어나서 도파로 접합부가 확장되게 된다.
단열재 (121 내지 123)는 발열부 (140)의 높은 온도를 견디면서 상기 발열부 (140)를 지지하기 위해 사용되는 것이며, 단열재 (121)에는 상기 발열부가 확실하게 지지되도록 반원 형태의 홈 (124)이 형성되어 있다.
상기 단열재의 홈 (124)에 막대 형상의 SiC발열체 (140)를 위치시킨다. 상기 단열재 (121 내지 123)는 바람직하게는 내화벽돌을 사용한다. 내화벽돌의 두께도 충분히 두꺼운 것을 사용해야 상기 발열부 (140)의 높은 온도를 견딜 수 있다.
전압공급부 (180)는 상기 발열부(140)에 전압을 공급하는 수단으로서 출력전 압을 선형적으로 조정이 가능하며, 후술할 온도제어부(190)에 의해 전압이 조절된다.
온도제어부(190)는 상기 발열부(140)가 발생할 온도를 미리 설정하여 상기 전압공급부(180)의 공급전압을 제어하는 수단이다.
R-type 열전대 (150)는 상기 발열부(140)에서 발생하는 온도를 측정하는 수단으로서, 0.2℃ 정도의 정확도가 보장되고 고온의 측정이 가능하다.
상기 R-type 열전대 (150)에서 측정된 온도는 상기 온도제어부 (190)로 전달되고, 온도제어부(190)는 측정된 온도와 설정된 온도를 비교하여 상기 발열부(140)가 설정된 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 전압공급부 (180)의 출력전압을 조절한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 규소판(130)을 더 구비하는 것이 바람직한데, 규소판 (130)은 도파로가 형성된 반도체 소자 (110)와 단열재 (121) 사이에 위치하게 된다. 규소판 (130)은 도파로가 형성된 반도체 소자 (110)가 가열되어 확산현상이 일어날 때 단열재 (121)로부터 도핑되어 도파로가 형성된 반도체 소자 (110)가 오염되는 것을 방지하기 위하여 사용된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 이용하여 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 용이하게 확장시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 도파로가 형성된 반도체 소자 (110)를 하나만 놓을 수도 있고 필요에 따라서 발열부 (140)가 일정한 온도로 발열하는 부분에 여러 개의 도파로가 형성된 반도체 소자 (110)를 놓음으로 동시에 여러 개의 반 도체소자의 도파로 접합부의 확장이 가능하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파로 접합부 확장장치는 노출형 퍼니스(open-type furnace)에서 이루어 지는데 즉, 특별히 단열된 공간에서 이루어지는 것이 아니라 상온에서 이루어진다. 그러므로 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부에서 발열부 (140)와 가까운 도파로 접합부만이 부분 가열되고 다른 부분은 상온에 의해 냉각되어 도파로 접합부만이 확산현상에 의해 확장된다.
이로 인해, 도파로 접합부의 확장을 위해 특별한 외부조건이나 별도의 온도유지장치가 필요하지 아니하여 도파로 접합부를 확장하기 위해 소모되는 비용이 적어지게 된다. 즉, 본 발명의 장치를 통해 종래의 기술에 비해 적은 비용으로 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부의 확장이 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파로 접합부 확장장치의 사시도 이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파로 접합부 확장장치의 측면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치는 도파로가 형성된 반도체 소자 (210), 규소판 (230), 발열부 (240) 및 R-type 열전대 (250)의 일부분이 단열재 (221) 내부에 삽입되어 있는 구성 및 반도체 소자(210)를 냉각하기 위한 냉각부 (260)를 제외하고는 도 1 및 도2에서 설명한 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성이다.
이하, 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성요소 및 그 동작원리에 대하여는 설명을 생략하기로 하고, 차이 나는 구성에 대하여만 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 단열재 (221) 내부에는 도파로가 형성된 반도체 소자 (210)와 규소판 (230)를 삽입하기 위한 홀 (225), 발열부 (240)를 삽입하기 위한 관통된 홀 (227) 및 R-type 열전대 (250)의 앞부분을 삽입하기 위한 홀 (226)이 형성되어 있다.
단열재 (221)의 내부에서 가열이 이루어 지기 때문에 원하는 온도에 신속하게 도달하여 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 확장하는데 소요되는 시간이 감소하게 된다.
반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 이외의 부분도 가열이 되기 때문에 별도의 냉각부 (260)가 필요할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 장치를 이용하여 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 확장하기 전(a)과 확장한 후(b)를 각각 촬영한 SEM 사진(Scanning Electron Microscope 사진; 이하 SEM 사진이라 한다.)이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 반도체 소자에 형성된 도파관에 백색광을 투과하여 촬영한 것으로서, 확장 하기 전의 도파로 접합부의 SEM사진인 (a)에서는 직사각형 모양이고 그 직경이 약 0.8μm인 도파로 접합부가 촬영되었다. 그러나 확장한 후의 도파로 접합부의 SEM사진인 (b)에서는 도파로 접합부가 확장되어 타원형태의 모양으로 그 직경은 약 11μm가 되었음을 확인할 수 있다. 그 결과 도파로 접합부와 광섬유와의 결합손실이 줄게 되었다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 열처리 전후의 도파로 접합부의 결합손실을 측정한 그래프이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 열처리 전의 도파로 접합부의 결합손실은 bending radius의 크기에 따라 21[dB] ~ 6[dB]로 측정되었지만, 본 발명의 확장 장치를 이용하여 열처리 후의 도파로 접합부의 결합손실은 bending radius의 크기에 따라 14[dB] ~ 2[dB]로 측정되었다.
따라서, 본 발명의 장치에 의해 열처리 후 도파로 접합부의 결합손실이 bending radius의 크기에 따라 7[dB] ~ 4[dB] 정도 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 별개인 것으로 설명된 수단 등의 구성요소는 단순히 기능상 구별된 것으로 물리적으로는 하나의 수단으로 구현될 수 있으며, 단일한 것으로 설명된 수단 등의 구성요소도 수개의 구성요소의 결합으로 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 실시예들은 각각 독립하여서뿐만 아니라 적절하게 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등범위에 의해 정해져야 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 측면도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 확장장치에 의해 확장되기 전 및 후의 도파로 접합부를 촬영한 SEM사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 열처리 전후의 도파로 접합부의 결합손실을 측정한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 도파로가 형성된 반도체 소자 150 : R-type 열전대
121 : 단열재 180 : 전압공급부
140 : 발열부 190 : 온도제어부

Claims (9)

  1. 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부를 가열하기 위한 발열부;
    상기 발열부에 열이 발생되도록 전압을 공급하는 전압공급부; 및
    상기 발열부가 일정한 온도를 유지하도록 상기 전압공급부의 출력전압을 조절하는 온도제어부를 포함하는, 도파로 접합부 확장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발열부는 SiC 발열체인, 도파로 접합부 확장 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발열부의 온도를 측정하여 측정된 온도를 상기 온도제어부로 전달하는 R-type 열전대를 더 포함하는, 도파로 접합부 확장 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 온도제어부는 상기 R-type 열전대에서 측정한 온도와 설정된 온도를 비교하여 상기 발열부가 설정된 온도로 유지되도록 상기 전압공급부의 출력전압을 조절하는, 도파로 접합부 확장 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 소자 및 상기 발열부를 지지하는 단열재를 더 포함하는, 도파로 접합부 확장 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 단열재의 상부에는 상기 발열부를 지지하기 위한 홈이 형성된, 도파로 접합부 확장 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 단열재의 내부에는 상기 발열부를 삽입하기 위한 관통된 홀 및 상기 반도체 소자를 삽입하기 위한 삽입 홀이 구비된, 도파로 접합부 확장 장치.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 단열재의 가열에 의해 상기 반도체 소자가 오염되는 것을 방지하도록 상기 단열재와 상기 반도체 소자 사이에 규소판을 더 포함하는, 도파로 접합부 확장 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 소자에 형성된 도파로 접합부 이외의 부분을 냉각시키는 냉각장치를 더 포함하는, 도파로 접합부 확장 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980059154A (ko) * 1996-12-31 1998-10-07 유기범 코아 확장 및 회절격자 광섬유로 최적화된 레이저 다이오드 모듈
KR20030026264A (ko) * 2003-02-06 2003-03-31 주식회사 와이티테크놀로지 코아가 확장된 광섬유를 사용하여 무족화시킨 광섬유격자와 그 제조기술

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