KR20030078247A - Menufacturing Method for Planar Optical Waveguide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 평판형 광도파로의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 굴절율의 조정이 가능하고, 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률과 두께 분포를 갖는 광도파로를 코어층의 식각과정을 거치지 않는 간단한 공정을 통해 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a planar optical waveguide, and more particularly, it is possible to adjust the refractive index, and a simple process that does not undergo an etching process of a core layer of an optical waveguide having a smooth refractive index and a thickness distribution between different dielectric regions. It relates to a method of manufacturing through.
현재 광도파로 소자는 통상적으로 반도체 제작 기술이나 또는 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 활용하여 제작되어지며, 평면 기판 상에 광도파로 소자를 제작하는 경우에는 평면 도파로 기술이 이용되고 있다. 또한 이와 같이 제작된 광도파로 소자의 기능을 더욱 집적화하려는 연구가 계속적으로 진행되고 있다.Currently, an optical waveguide device is generally manufactured using a semiconductor manufacturing technology or a MEMS (Micro Electro-Mechanical System) technology, and when manufacturing an optical waveguide device on a flat substrate, a planar waveguide technology is used. In addition, researches for further integrating the functions of the optical waveguide device manufactured as described above have been continuously conducted.
일반적인 광도파로 소자의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 기판 위에 하부 클래드층을 형성한 다음, 이 하부 클래드층 상부에 코어층을 형성한다. 이어서, 상기 코어층 상부에 포토레지스트층을 형성한 다음, 이를 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 코어층을 식각하여 패터닝한다. 그 후, 패터닝된 코어층 상부에 상부 클래드층을 형성함으로써 광도파로가 완성된다.Looking at the manufacturing method of a general optical waveguide device is as follows. First, a lower clad layer is formed on a substrate, and then a core layer is formed on the lower clad layer. Subsequently, a photoresist layer is formed on the core layer, and the photoresist pattern is exposed and developed to form a photoresist pattern. The core layer is etched and patterned using the obtained photoresist pattern. Thereafter, the optical waveguide is completed by forming an upper cladding layer over the patterned core layer.
상기 클래드층이나 코어층은 통상적으로 스핀코팅법에 의해 형성되며, 그 형성재료로는 굴절률이 상이한 실리카나 또는 폴리머가 이용되고 있다. 그러나, 코어와 클래드층 형성 재료로서 실리카가 이용되는 경우에는 코어와의 굴절률 차이는 최대 0.75%까지 얻어진다. 따라서, 이러한 재료를 이용하는 경우에는 광도파로의 규모가 제한되어 초소형 광통신용 수동 소자를 제작하기가 어렵다는 문제점이 있다.The clad layer and the core layer are usually formed by spin coating, and silica or polymers having different refractive indices are used as the forming material. However, when silica is used as the core and cladding layer forming material, the difference in refractive index between the core is obtained up to 0.75%. Therefore, in the case of using such a material, the size of the optical waveguide is limited, making it difficult to manufacture a passive device for micro optical communication.
반면, 폴리머 재료는 코어와 클래드 간의 굴절률 차이를 광범위하게 조절할 수 있고 미합중국 특허 제 3,809,732호, 제 3,953,620호에서 폴리머 재료에 포토락킹(photo-locking)이라 불리우는 방법을 이용하여 물질의 굴절률 및 두께를 변화시켜 광도파로를 형성하는 방법이 기재되어 있다.Polymer materials, on the other hand, can control the refractive index difference between the core and the clad extensively and change the refractive index and thickness of the material using a method called photo-locking on the polymer material in US Pat. Nos. 3,809,732 and 3,953,620. To form an optical waveguide.
그러나 상기 폴리머만을 재료로 도입하는 경우에는 열에 약하고 색분산과 광손실이 커서 광도파로의 제작시 많은 문제를 수반하게 된다.However, when only the polymer is introduced as a material, it is weak to heat, and color dispersion and light loss are large, which causes many problems in manufacturing the optical waveguide.
또한 미합중국 특허 제 6,054,253호에 개시하고 있는 졸-겔 방법을 이용한 광감응성 무기-유기 혼성 재료를 이용한 광도파로 제작의 경우, 광을 조사한 부분과 조사하지 않은 부분의 용매에 대한 용해도의 차이를 이용해서 용매를 이용한 필요없는 부분을 식각하여 광도파로를 형성한다. 그리고 미합중국 특허 제 6,144,795에서는 무기-유기 혼성 재료를 몰드에 사용하여 광도파로를 형성하는 방법이 개시되어 있다.In addition, in the case of the optical waveguide fabrication using the photosensitive inorganic-organic hybrid material using the sol-gel method disclosed in U.S. Patent No. 6,054,253, the difference between the solubility of the irradiated portion and the unirradiated portion in the solvent is used. An unnecessary part using a solvent is etched to form an optical waveguide. And US Pat. No. 6,144,795 discloses a method of forming an optical waveguide using an inorganic-organic hybrid material in a mold.
하지만 상기 개시된 방법들은 광도파로 제작을 위해 모두 복잡한 과정을 거쳐 제조되는 바 본 발명의 방법과는 차이가 있다.However, the methods disclosed above are different from the method of the present invention because they are all manufactured through a complicated process for fabricating an optical waveguide.
상기 종래 기술상의 문제를 해결하기 위해 광범위한 연구를 수행한 결과 무기-유기 혼성 매트릭스에 도펀트를 첨가하여 광감응성 내지는 포토락킹 특성을 관찰하였으며, 이에 기초하여 본 발명은 많은 제조단계를 필요로 하지 않으면서도 광손실이 적은 평판형 광도파로를 제조하는 방법을 제시하고자 한다.As a result of extensive research in order to solve the problems of the prior art, the photosensitive or photolocking properties were observed by adding a dopant to the inorganic-organic hybrid matrix, based on which the present invention does not require many manufacturing steps. The present invention proposes a method of manufacturing a flat optical waveguide with low light loss.
본 발명의 목적은 광도파로가 광조사에 의해 포토리소그래피 공정을 이용하는 패터닝 공정에서 습식식각 공정을 이용하지 않고서도 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률과 두께 분포를 갖는 평판형 광도파로를 제조하는 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a flat waveguide having a smooth refractive index and thickness distribution between different dielectric regions without using a wet etching process in a patterning process in which the optical waveguide uses a photolithography process by light irradiation. Is in.
도 1은 본 발명에 의한 평판형 광도파로의 제조공정도이다.1 is a manufacturing process diagram of a flat plate optical waveguide according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 광도파로의 광학현미경 사진이다.2 is an optical micrograph of the optical waveguide produced by the present invention.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 광도파로의 3차원 AFM 사진이다.3 is a three-dimensional AFM photograph of an optical waveguide manufactured by the present invention.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 광도파로의 2차원 AFM 사진이다.4 is a two-dimensional AFM photograph of an optical waveguide manufactured by the present invention.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 광도파로의 광학현미경 사진이다.5 is an optical micrograph of the optical waveguide produced by the present invention.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 광도파로의 근접장 사진이다.6 is a close-up photograph of the optical waveguide manufactured by the present invention.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 1×4 스플리터의 마스크 패턴 형태이다.7 is a mask pattern form of a 1 × 4 splitter produced by the present invention.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 1×4 스플리터의 저배율 현미경 사진이다.8 is a low magnification micrograph of a 1 × 4 splitter prepared according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 1×4 스플리터의 근접장 사진이다.9 is a close-up photograph of a 1 × 4 splitter manufactured by the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Main Parts of Drawings *
1: 기판 2: 하부 클래드층1: Substrate 2: Lower Clad Layer
3: 광도파로 4: 패턴 마스크3: optical waveguide 4: pattern mask
5: 광 6: 상부 클래드층5: light 6: upper cladding layer
7: 형성된 릿지형 광도파로7: formed ridge optical waveguide
본 발명은 평판형 광도파로의 제조방법으로서,The present invention is a manufacturing method of a flat optical waveguide,
광감응성 광화학 단위체가 균일하게 도핑된 무기-유기 혼성 매트릭스를 포함하는 광도파로를 하부 클래드층의 상부에 코팅하는 단계와, 코팅된 광도파로의 소정 영역에 상기 도핑된 광화학 단위체를 고정하기 위해 선택된 소정 범위의 파장을 가지는 광을 조사하는 단계와, 광에 노출되지 않은 단위체를 제거하고 막을 경화하기 위해 광도파로를 가열하는 단계를 포함하는 평판형 광도파로의 제조방법을 포함한다.Coating an optical waveguide comprising an inorganic-organic hybrid matrix uniformly doped with a photosensitive photochemical unit on top of the lower clad layer, and a predetermined selected to fix the doped photochemical unit to a predetermined region of the coated optical waveguide Irradiating light having a wavelength in the range, and heating the optical waveguide to remove the unexposed units and to cure the film.
상기에서 무기-유기 혼성 매트릭스는 무기재료와 유기재료로 구성되는 혼성재질의 매트릭스를 의미하며, 우수한 광학물질로서 바람직하기로는 가시광선 영역에서 투명한 물질 중에서 선택된다. 이들 무기 물질로서 이용가능한 예를 들면 실리카 내지는 게르마늄 실리케이트, 타이타늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 등을 들 수 있으며, 유기물질로는 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리이미드 등이 본 발명에 있어 사용가능하나 이들은 단지 예시적인 것으로 본 발명의 권리를 제한하지는 아니함은 당업자에게 자명하다.In the above, the inorganic-organic hybrid matrix means a matrix of a hybrid material composed of an inorganic material and an organic material, and is selected from transparent materials in the visible light region as an excellent optical material. Examples of these inorganic materials that can be used include silica or germanium silicate, titanium silicate, zirconium silicate, and the like. As organic materials, polymethylmethacrylate, polyimide, and the like can be used in the present invention, but these are merely exemplary. It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the rights of the present invention.
바람직하기로 상기 무기-유기 혼성 매트릭스는 실리콘과 산소를 함유하고, 상기 실리콘은 적어도 하나의 분획이 치환되거나 비치환된 탄화수소 원자에 직접 결합되어진 무기-유기 혼성재료를 포함한다.Preferably the inorganic-organic hybrid matrix contains silicon and oxygen, the silicon comprising an inorganic-organic hybrid material in which at least one fraction is directly bonded to a substituted or unsubstituted hydrocarbon atom.
또한 상기 무기-유기 혼성 매트릭스는 3A, 4A, 3B∼5B 족에 속하는 금속원소로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 금속 산화물을 함유할 수 있는데, 예를 들면 무기물로 실리카가 사용되는 경우 실리콘의 일부를 상기 금속 중에서 선택하여 치환할 수도 있다. 이들 금속의 구체적인 예로는 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 게르마늄 등이 있다.In addition, the inorganic-organic hybrid matrix may contain at least one or more metal oxides selected from metal elements belonging to groups 3A, 4A, and 3B to 5B. You may select from metal and substitute. Specific examples of these metals include titanium, zirconium, aluminum, germanium, and the like.
또한 상기 무기-유기 혼성 매트릭스는 불소를 추가로 함유할 수 있다.In addition, the inorganic-organic hybrid matrix may further contain fluorine.
상기 용액 상태의 무기-유기 혼성 매트릭스를 구성하는 혼합 재료의 시작 농도는 요구되는 특성에 따라 달리할 수 있다. 일반적으로 혼합 재료의 농도가 클수록 또한 분자량이 더 클수록(즉 용액의 점도가 더 클수록) 코팅되는 막의 최종 두께는 두꺼워지는 경향이 있다.The starting concentration of the mixed material constituting the inorganic-organic hybrid matrix in the solution state may vary depending on the required properties. In general, the higher the concentration of the mixed material and the higher the molecular weight (ie, the higher the viscosity of the solution), the thicker the final thickness of the coated film tends to be.
또한 무기-유기 혼성 매트릭스의 액체 용액은 소정의 굴절률을 가지는 광감응성 광화학 단위체 물질로 균일하게 도핑된다. 상기 단위체 물질은 적당한 파장의 광의 조사에 따라 분자 변형이 한 가지 혹은 그 이상이 일어나는 물질로부터 선택된다.The liquid solution of the inorganic-organic hybrid matrix is also uniformly doped with a photosensitive photochemical unit material having a predetermined refractive index. The unit material is selected from materials in which one or more molecular strains occur upon irradiation of light of a suitable wavelength.
바람직하기로는 반응에 참여하는 분자의 숫자를 증가시키기 위해 (a) 광조사시 매트릭스 내에서 적어도 이분자체를 형성하는 단위체로부터 적어도 1종 이상 선택된 단위체를 도입하거나, (b) 광조사시 매트릭스내에서 매트릭스를 구성하는 사슬과 화학결합이 가능한 단위체를 도입하거나, (c) 광조사시 매트릭스내에서 중합체 형성이 가능한 단위체로부터 적어도 1종 이상 선택된 단위체를 도입할 수 있다.Preferably, to increase the number of molecules participating in the reaction, (a) at least one or more selected monomers are introduced from the units forming at least dimers in the matrix upon irradiation, or (b) in the matrix upon irradiation. A unit capable of chemically bonding with the chain constituting the matrix may be introduced, or (c) at least one or more selected units may be introduced from a unit capable of forming a polymer in the matrix when irradiated with light.
이러한 광에 의한 분자 변형은 매트릭스 내에서의 도핑 단위체의 이동성과 휘발성의 충분한 감소를 가져온다. 높은 굴절률의 도펀트는 상기 방법으로 무기-유기 혼성 매트릭스에 광화학적으로 고정될 수 있게 된다.Such molecular modification by light results in a sufficient reduction in the mobility and volatility of the doping units in the matrix. High refractive index dopants can be photochemically fixed to the inorganic-organic hybrid matrix in this manner.
광감응성 단위체의 굴절률은 바람직하기로는 용액 상태의 매트릭스의 굴절률보다 높은 것으로부터 선택되어진다. 보통, 굴절률은 폴리싸이클릭 방향족 탄화수소 핵이나 높은 편광성을 가지는 무거운 원자를 갖는 단위체의 경우 높게 나타난다. 도펀트 단위체의 분자구조에 상기 그룹의 존재는 분자량을 증가시키고 결과적으로는 휘발성을 감소시키게 된다. 보통, 도펀트 또는 용액 상태에서의 농도가 더 클수록 앞서 설명한 방법에 따라 더 큰 굴절률과 두께 증가를 얻을 수 있다. 이때 도펀트의 양은 10 ∼ 50 중량%가 일반적이다.The refractive index of the photosensitive unit is preferably selected from higher than the refractive index of the matrix in the solution state. Usually, the refractive index is high for polycyclic aromatic hydrocarbon nuclei or units with heavy atoms having high polarization. The presence of the group in the molecular structure of the dopant unit increases the molecular weight and consequently reduces the volatility. In general, the greater the concentration in the dopant or solution state, the greater the refractive index and thickness increase can be achieved according to the methods described above. At this time, the amount of dopant is generally 10 to 50% by weight.
상기 조건을 만족하는 광감응성 단위체의 예를 들면 에틸 2-(1-나프틸)아크릴레이트, 쿠마린, 아세나프틸렌, 나프틸메타크릴레이트, 나프탈렌티올, 벤조인에테르 계열, 벤질케탈 계열, 알파-다이알콕시아세토페논 계열, 알파-하이드로옥시알킬페논 계열, 알파-아미노알킬페논 계열, 아실-포스핀옥사이드 계열, 벤조페논/아민 계열, 티옥산/아민 계열 등의 광감응성 단위체로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체를 들 수 있다.Examples of photosensitive monomers satisfying the above conditions include ethyl 2- (1-naphthyl) acrylate, coumarin, acenaphthylene, naphthyl methacrylate, naphthalenethiol, benzoin ether series, benzyl ketal series, alpha- At least one selected from photosensitive units such as dialkoxyacetophenone series, alpha-hydrooxyalkylphenone series, alpha-aminoalkylphenone series, acyl-phosphine oxide series, benzophenone / amine series and thioxane / amine series The above unit is mentioned.
도 1은 광감응성 단위체로 도핑된 투명한 무기-유기 혼성 매트릭스를 이용하여 평판형 광도파로를 제조하는 과정을 도시하고 있다.FIG. 1 illustrates a process of manufacturing a flat optical waveguide using a transparent inorganic-organic hybrid matrix doped with photosensitive units.
먼저 기판(1) 상에 하부 클래드층(2)을 코팅하고, 광도파로(3)는 도핑한 무기-유기 혼성 매트릭스 용액을 이용하여 코팅한다. 이때 하부 클래드층(2)과 광도파로(3)는 통상의 방법으로 형성이 가능하다. 예를 들면 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있는 스핀-코팅법이 적용될 수 있음은 물론이다. 용액을 코팅하기 전에는 코팅 면의 주의 깊은 세척이 필요하다. 이러한 세척 공정은 막질에 영향을 줄 수 있는 먼지나 다른 외부 물질을 제거하는 데 있어 유용한 공정이다.First, the lower clad layer 2 is coated on the substrate 1, and the optical waveguide 3 is coated using a doped inorganic-organic hybrid matrix solution. At this time, the lower clad layer 2 and the optical waveguide 3 can be formed by a conventional method. Of course, a spin-coating method that can form a film having a uniform thickness can of course be applied. Careful cleaning of the coating side is required before coating the solution. This cleaning process is useful for removing dust and other foreign matter that may affect the membrane quality.
다음으로 광도파로(3)에 원하는 형태를 가진 마스크(4)와 특정 파장을 갖는 광(5)을 조사하여 패터닝 과정을 수행한다. 이 경우 패터닝 과정은 마스크를 이용하지 않고 레이저를 이용하여 수행될 수도 있다.Next, a patterning process is performed by irradiating the optical waveguide 3 with the mask 4 having a desired shape and the light 5 having a specific wavelength. In this case, the patterning process may be performed using a laser without using a mask.
광을 조사하는 단계에서, 원하는 광도파로 패턴은 도펀트 단위체가 반응하는 파장에 해당되는 광을 사용해서 만들어진다. 보통은 자외선에 해당하는 파장 영역을 이용하게 되고, 광도파로의 특별한 형태에 따라 굽은 모양의 광도파로의 제작도 가능하다.In the step of irradiating light, the desired optical waveguide pattern is made using light corresponding to the wavelength at which the dopant unit reacts. Usually, a wavelength range corresponding to ultraviolet rays is used, and a curved optical waveguide can be manufactured according to a special shape of the optical waveguide.
상기와 같이 포토락킹에 사용되기 위해서는 단순한 광감응성 도펀트 대신에무기-유기 혼성 매트릭스의 교차결합에 포함되어 고정되는 반응에 참여하게 되는 도펀트가 사용된다. 막에 부분적으로 광을 조사함으로 도펀트의 분자구조의 변형은 광을 조사한 부분에서만 일어나게 된다. 막에서 무기-유기 혼성 매트릭스에 단위체가 결합하거나 단위체의 이분자체 형성 또는 단위체의 중합에 해당하는 천이가 무기-유기 혼성 매트릭스 내에서 도펀트의 이동성과 휘발성의 충분한 감소 또는 완전한 감소를 가져온다.In order to be used for photolocking as described above, instead of a simple photosensitive dopant, a dopant is used to participate in a reaction which is included in the crosslinking of the inorganic-organic hybrid matrix and fixed. By partially irradiating the film, the modification of the molecular structure of the dopant occurs only at the irradiated portion. The transition of the monomer to the inorganic-organic hybrid matrix in the membrane, or to the formation of dimers of the monomer or polymerization of the monomers, results in a sufficient or complete reduction in the mobility and volatility of the dopant in the inorganic-organic hybrid matrix.
이하 이들 도펀트의 분자구조의 천이에 관하여 구체적인 예를 들어 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the transition of the molecular structure of these dopants will be described in detail with specific examples.
첫째, 이분자체가 된 분자는 그에 대응하는 단위체보다 구조면에서 훨씬 크기 때문에 무기-유기 혼성 매트릭스의 길고 유연한 분자 사슬에서 서로 뒤엉키게 될 것이다. 광의 조사에 의해 이분자체를 형성할 수 있는 광감응성 에스테르인 에틸 2-(1-나프틸)아크릴레이트(ethyl 2-(1-naphthyl)acrylate)의 광화학 반응은 다음과 같이 나타난다.First, the molecules that have been dimerized will be entangled with each other in the long, flexible molecular chain of the inorganic-organic hybrid matrix because they are much larger in structure than their counterparts. The photochemical reaction of ethyl 2- (1-naphthyl) acrylate, which is a photosensitive ester capable of forming a bimolecular body by irradiation of light, appears as follows.
[화학식 1][Formula 1]
여기서 R은 나프틸(C10H7) 그룹이다.Where R is a naphthyl (C 10 H 7 ) group.
또한 쿠마린(coumarin)의 경우에는 벤질다이메틸케탈(BDK)과 같은 감광제의 첨가로 쿠마린의 이분자체를 다음과 같은 방식으로 형성할 수 있다.In addition, in the case of coumarin, a bimolecular body of coumarin may be formed by the addition of a photosensitizer such as benzyldimethyl ketal (BDK) in the following manner.
[화학식 2][Formula 2]
쿠마린 단위체는 녹는점은 섭씨 64도인 반면에 쿠마린의 이분자체는 녹는점이 섭씨 176.5도이다. 따라서 현상에 해당하는 열처리 후에도 쿠마린 이분자체가 막에 남아 두께와 굴절률을 증가시키는 것이다.The coumarin monomer has a melting point of 64 degrees Celsius, while the coumarin dimer has a melting point of 176.5 degrees Celsius. Therefore, after the heat treatment corresponding to the phenomenon, coumarin dimers remain in the film to increase thickness and refractive index.
둘째, 단위체가 무기-유기 혼성 매트릭스를 구성하는 사슬의 다양한 지점에 화학적으로 결합된다. 포토락킹에서 도펀트와 유기 사슬의 결합을 이용하는 방법은 크게 다른 두 가지 방식의 반응이 있다. 첫 번째 반응은 광감응성 도펀트로써 벤조페논과 같은 고굴절률의 카르보닐 화합물을 사용하는 것이다. 광을 조사할 때 카르보닐 화합물은 일반적으로 용액에서 무기-유기 혼성 재료 사슬로부터 수소 원자를 빼앗고 다음과 같은 방식으로 결합된다.Second, the units are chemically bound to various points in the chain that make up the inorganic-organic hybrid matrix. There are two major reactions in photolocking that use the combination of dopant and organic chain. The first reaction is to use a high refractive index carbonyl compound such as benzophenone as the photosensitive dopant. When irradiated with light, the carbonyl compound generally takes hydrogen atoms from the inorganic-organic hybrid material chain in solution and is bonded in the following manner.
[화학식 3][Formula 3]
광 조사시에 카르보닐 화합물은 보통 이분자체를 형성한다거나 자체 반응이 일어나지 않는다. 결합 반응의 다른 형식은 카르보닐 화합물이 무기-유기 혼성 매트릭스 내의 사슬에 있는 탄소-탄소 이중 결합과 반응하는 것이다. 어떤 경우에라도 화합물은 실제적인 화학 결합에 의해 무기-유기 혼성 매트릭스에 고정되려고 한다.When irradiated with light, the carbonyl compound usually forms a bimolecular body or does not react by itself. Another form of bonding reaction is for a carbonyl compound to react with carbon-carbon double bonds in the chain in the inorganic-organic hybrid matrix. In any case, the compound is intended to be anchored to the inorganic-organic hybrid matrix by actual chemical bonding.
다음의 화학식에서 나타나는 BDK의 반응은 우선 광을 조사하게 되면 (1)과 같이 2개의 라디칼을 형성하고 형성된 라디칼은 유기 망목에 (2),(3)와 같이 결합하게 된다. 혹은 생성된 벤조일 라디칼이 (4)와 같은 반응에 의해 이분자체를 형성하는 반응을 하게 된다. 따라서 두 가지 반응의 결과 두께와 굴절률이 증가하게 되는 것이다.In the reaction of BDK represented by the following chemical formula, when irradiated with light, two radicals are formed as in (1), and the radicals are bonded to the organic mesh as in (2) and (3). Alternatively, the generated benzoyl radical is reacted to form a bimolecular body by a reaction such as (4). Thus, the two reactions result in an increase in thickness and refractive index.
[화학식 4][Formula 4]
그리고 다음의 화학식에서 상용적으로 많이 사용되는 광개시제인 하이드로옥시메틸페닐프로판원(DAROCUR1173)은 다음과 같이 광 조사에 의해 2개의 라디칼을 형성하고 형성된 벤조일 라디칼이 BDK와 동일한 방법으로 유기 망목에 결합하게 된다.Hydrooxymethylphenylpropane source (DAROCUR1173), a photoinitiator commonly used in the following chemical formula, forms two radicals by light irradiation, and the benzoyl radicals formed by binding to organic meshes in the same manner as BDK. .
[화학식 5][Formula 5]
또, 딜스-알더(Diels-Alder) 반응에 해당하는 반응 역시 포토락킹의 부착 이론을 설명하기 위해 사용된다. 이 때 고굴절률의 광감응성 도펀트는 아세나프틸렌이다. 도펀트의 고정 반응은 다음에서 나타난다.In addition, a reaction corresponding to the Diels-Alder reaction is also used to explain the theory of adhesion of photolocking. At this time, the high refractive index photosensitive dopant is acenaphthylene. The fixed reaction of the dopant is shown below.
[화학식 6][Formula 6]
세 번째, 단위체가 중합될 때 단위체 분자는 길고 유연한 무기-유기 혼성 매트릭스의 분자 사슬과 쉽게 뒤얽힐 수 있는 랜덤하게 정열된 사슬을 형성하게 된다. 포토락킹에서 단위체의 중합반응을 설명하기 위해서 바람직하기로 액체 용액은 폴리메틸메타크릴레이트를 포함한다. 상기 용액에 고굴절률을 가지는 단위사슬로 나프틸메타크릴레이트를 첨가하고 감광제로는 벤조인메틸에테르를 도핑한다. 감광제의 첨가로 나프틸메타크릴레이트 단위체는 광의 조사에 의해 중합이 가능하게 된다.Third, when the monomers are polymerized, the monomer molecules form randomly aligned chains that can easily be intertwined with the molecular chains of the long, flexible inorganic-organic hybrid matrix. In order to explain the polymerization of the monomers in photolocking, the liquid solution preferably comprises polymethylmethacrylate. Naphthyl methacrylate is added to the unit chain having a high refractive index to the solution, and benzoin methyl ether is doped as a photosensitive agent. By the addition of a photosensitizer, the naphthyl methacrylate unit can be polymerized by irradiation of light.
이상과 같은 분자 천이과정은 다양한 모습의 형태로 나타날 수 있으며, 상기 설명한 분자 천이과정 이외에도 다른 형태의 반응을 포함할 수 있음은 물론이다.The molecular transition process as described above may appear in various forms and may include other forms of reactions in addition to the molecular transition process described above.
광을 조사하는 단계에서, 일반적으로 입사빔의 세기가 클수록 무기-유기 혼성 매트릭스에 고정되는 단위체 분자의 수가 더 증가한다. 따라서 입사빔의 세기가 클수록 광을 조사한 영역의 굴절률 변화와 최종 두께가 더 커지게 된다.In the step of irradiating light, in general, the greater the intensity of the incident beam, the greater the number of monomer molecules immobilized on the inorganic-organic hybrid matrix. Therefore, the greater the intensity of the incident beam, the greater the change in refractive index and final thickness of the area irradiated with light.
또한 막에서 광의 단면 직경과 축의 방향은 광의 집중성 또는 입사각의 각도를 바꿈으로써 조절할 수 있다. 따라서 더 큰 선 폭을 원할 때는 더 긴 파장이 바람직하고, 입사빔의 각도 또는 빔의 집중성은 막에서 광의 직경이 증가할 때 감소될 수 있다.In addition, the cross-sectional diameter and the direction of the axis of the light in the film can be adjusted by changing the light concentration or the angle of incidence angle. Thus, longer wavelengths are desired when a larger line width is desired, and the angle of the incident beam or the beam's concentration can be reduced as the diameter of the light in the film increases.
노출빔의 파장은 막에서 무기-유기 혼성 매트릭스 자체에는 분명한 효과가 없는 동시에 단위체에서 원하는 분자 천이를 충분히 개시할 수 있도록 선택되어야한다. 따라서 선택되는 특정한 파장은 각 경우에 출발 물질로 사용되는 특정한 단위체와 무기-유기 혼성 매트릭스 구성 물질에 의존적이다. 또한 막의 성분을 분해하거나 최종 소자의 질에 해로운 영향을 미치는 파장은 배제되어야 한다.The wavelength of the exposure beam should be chosen so that there is no obvious effect on the inorganic-organic hybrid matrix itself in the film and at the same time it can fully initiate the desired molecular transition in the unit. The particular wavelength chosen therefore depends on the particular monomer and inorganic-organic hybrid matrix constituent material used in each case as starting material. In addition, wavelengths that degrade the components of the film or adversely affect the quality of the final device should be excluded.
포토락킹 방법은 막에 대해 높은 투과율을 갖는 파장 영역의 광을 원하는 광도파로 패턴을 포함하는 마스크를 통해 조사하는 과정을 포함할 수 있다. 이러한 마스크를 이용하는 기술은 널리 알려져 있고 일반적으로 포토레지스트를 사용하는 반도체 소자의 제작에서 적용되는 방법이다. 또한 레이저를 이용하는 경우에는 상기 마스크를 이용하지 않고서도 직접 조사가 가능하다.The photolocking method may include irradiating light of a wavelength region having a high transmittance with respect to the film through a mask including a desired optical waveguide pattern. Techniques using such masks are well known and generally applied in the fabrication of semiconductor devices using photoresists. In the case of using a laser, direct irradiation can be performed without using the mask.
광조사 단계는 단순한 광원 뿐만 아니라 전자, 이온, 중성자 등이 사용될 수 있다. 어떤 출발 물질에 대해서는 입자의 조사가 큰 공간 해상력을 얻는 데 유용할 수 있다.The light irradiation step may be used not only a simple light source but also electrons, ions, neutrons and the like. For some starting materials, irradiation of particles can be useful for obtaining large spatial resolution.
다음 단계는 막에서 광에 노출된 광도파로 패턴의 현상과 관련된다. 현상은 단순히 광에 노출되지 않은 부분의 도펀트를 휘발시키기 위해 막을 가열함으로써 행해진다. 이 단계는 막에 광을 조사한 부분의 도펀트를 남기고 다음과 같은 결과를 가져온다. 즉, 막의 두께는 광에 노출되지 않은 도펀트의 제거로 인해 노출하지 않은 영역에서 감소한다.The next step involves the development of an optical waveguide pattern exposed to light in the film. The development is done by simply heating the film to volatilize the dopant in the portion not exposed to light. This step leaves the dopant in the irradiated portion of the film, resulting in the following: That is, the thickness of the film decreases in the unexposed areas due to the removal of dopants not exposed to light.
현상 시의 최대 온도는 실험에 사용된 도펀트와 무기-유기 혼성 매트릭스 재료의 다양한 물리적, 화학적 성질에 의해 제한된다. 고려할 사항은 무기-유기 혼성 매트릭스 재료 물질의 유리 천이 온도, 무기-유기 혼성 매트릭스 내에 고정되는 도펀트의 온도에 의해 유도되는 확산과 물질들의 열에 의해 유도되는 바람직하지 않은 화학적인 변화들이다. 현상은 최종 소자의 원하는 특성에 영향을 거의 미치지 않는 온도에서 행해져야 한다. 이러한 이유로 단위체는 현상이 비교적 적당한 온도에서 일어날 수 있게 하기 위해 적당한 휘발성을 가져야 한다.The maximum temperature during development is limited by the various physical and chemical properties of the dopant and inorganic-organic hybrid matrix material used in the experiment. Considerations are undesirable chemical changes induced by the heat of the materials and diffusion induced by the glass transition temperature of the inorganic-organic hybrid matrix material material, the temperature of the dopant immobilized in the inorganic-organic hybrid matrix. Development should be done at a temperature that has little effect on the desired properties of the final device. For this reason, the monomers must have adequate volatility to allow development to occur at relatively moderate temperatures.
마지막으로 상부 클래드층(6)을 코팅함으로써 광도파로(7)가 형성된다.Finally, the optical waveguide 7 is formed by coating the upper cladding layer 6.
도 1d에서 나타난 바와 같이 포토락킹의 장점은 소자에서 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률과 두께 분포를 갖는 광도파로를 제작할 수 있다는 데에 있다. 보통 노출광의 세기의 단면적 변화에 대응하는 굴절률과 두께의 매끄러우면서 축방향을 기준으로 대칭적으로 가로지르는 변화가 얻어진다. 고정된 고굴절률의 도펀트 농도는 일반적으로 조사빔의 축을 따라 최대가 되고 축으로부터 점차 감소한다. 그리고 현상 후에 막의 두께는 보통 고정된 도펀트의 농도에 비례한다. 이러한 특징은 종래 많이 사용되고 있는 방법으로 제조되는 광도파로가 높은 산란 손실을일으키는 가장자리의 거칠기를 대부분 제거하게 된다.The advantage of photolocking as shown in FIG. 1D lies in the ability to fabricate optical waveguides with smooth refractive indices and thickness distributions between different dielectric regions in the device. usually A smooth, axially symmetrical change in the refractive index and thickness corresponding to the change in cross-sectional area of the intensity of the exposure light is obtained. The fixed, high refractive index dopant concentration generally peaks along the axis of the irradiation beam and gradually decreases from the axis. And after development, the film thickness is usually proportional to the concentration of the fixed dopant. This feature removes most of the roughness of the edge of the optical waveguide, which is manufactured by a method which is widely used, causing high scattering loss.
그리고 공간 분해능이 적어도 5 마이크로미터보다는 좋아야 한다. 본 발명에서 포토락킹의 궁극의 해상도는 현상하는 동안 무기-유기 혼성 매트릭스에서 도펀트의 확산과 도펀트의 분자 구조와 크기, 그리고 무기-유기 혼성 매트릭스 재료의 특성에 의존한다. 현재 해상도에 영향을 미치는 여러 요소에 대한 정확한 영향에 대해 연구가 진행되고 있다.And the spatial resolution should be better than at least 5 micrometers. The ultimate resolution of photolocking in the present invention depends on the diffusion of the dopant in the inorganic-organic hybrid matrix during development, the molecular structure and size of the dopant, and the properties of the inorganic-organic hybrid matrix material. Currently, research is being conducted on the exact effects of various factors that affect the resolution.
상기와 같이 포토락킹에 의해 제작된 광도파로는 본 발명에 의하면 상온에서 한달 이상의 기간에도 안정한 것으로 관찰되었고, 고정된 도펀트의 확산이 거의 일어나지 않았다.According to the present invention, the optical waveguide manufactured by photo-locking as described above was observed to be stable at room temperature for more than one month, and the diffusion of the fixed dopant hardly occurred.
상기에서는 고굴절률의 도펀트를 선택 영역의 굴절률을 증가시키기 위해 사용했지만 본 발명의 기재로부터 당업자라면 고굴절률의 매트릭스에 낮은 굴절률의 도펀트 역시 포토락킹시킬 수 있음을 용이하게 알 수 있을 것이다. 만약 두께의 분포만 포토락킹에 의해 얻고 싶으면 도펀트와 매트릭스의 굴절률을 같게 하는 것으로 충분하다. 상기와 같은 방식은 막에서 규칙적인 변화를 갖는 광소자를 제작하는 데 있어서 매우 유용하다.In the above, a high refractive index dopant was used to increase the refractive index of the selected region, but it will be readily apparent to those skilled in the art that the low refractive index dopant can also be photolocked into the high refractive index matrix. If only the distribution of thickness is desired by photolocking, it is sufficient to equalize the refractive indices of the dopant and the matrix. Such a method is very useful for fabricating an optical device having a regular change in film.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지는 아니한다.Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are provided to explain the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.
<실시예 1><Example 1>
메틸트리에톡시실란(MTES)에 0.01N 염산을 1:1의 몰비로 첨가하여 상온에서 1시간 교반한 후, 페닐트리메톡시실란(PhTMS)을 MTES와 몰비 1:1이 되게 첨가하여 다시 20분 동안 교반하고 0.01N 염산을 상기 첨가한 양과 동일한 양을 첨가하고 20시간을 교반시켰다. 각각의 용액에 표 1에 나타난 단위체를 전체 알콕사이드의 몰비에 해당하는 양을 각각 첨가하고 단위체가 완전히 용해될 때까지 다시 교반시켜 용액을 완성했다. 완성된 용액을 실리콘 웨이퍼 위에 스핀코팅기를 이용하여 코팅한 후, 할로겐-제논 램프를 사용하여 코팅막에 광을 조사하고 150℃에서 5시간을 건조시켰다. 그리고 동일 용액의 코팅막에 광을 조사하지 않고 150℃에서 5시간을 건조시킨 뒤, 광을 조사한 것과 조사하지 않은 코팅막의 굴절률과 두께를 각각 프리즘 커플러로 측정하였다. 도핑하지 않은 용액을 코팅막의 굴절률과 도핑하고 광을 조사하지 않은 코팅막의 굴절률은 1550nm에서 1.490이었다. 표 1에서는 광을 조사한 경우의 광을 조사하지 않은 경우에 대한 굴절률 증가(%)와 두께 증가(%)를 기재하였다.Methyltriethoxysilane (MTES) was added with 0.01N hydrochloric acid in a molar ratio of 1: 1, stirred at room temperature for 1 hour, and then phenyltrimethoxysilane (PhTMS) was added in a molar ratio of 1: 1 with MTES. Stir for minutes and add 0.01 N hydrochloric acid in the same amount as above and stir 20 hours. To each solution, the monomers shown in Table 1 were each added in amounts corresponding to the molar ratios of the total alkoxides, and stirred again until the units were completely dissolved to complete the solution. After the finished solution was coated on a silicon wafer by using a spin coater, the coating film was irradiated with a halogen-xenon lamp and dried at 150 ° C. for 5 hours. And after drying 5 hours at 150 ° C without irradiating the coating film of the same solution, the refractive index and the thickness of the irradiated and unirradiated coating film was measured with a prism coupler, respectively. The refractive index of the coating layer which was doped with the undoped solution with the refractive index of the coating layer and not irradiated with light was 1.490 at 1550 nm. Table 1 describes the increase in refractive index (%) and the increase in thickness (%) when the light is not irradiated.
<표 1>TABLE 1
<실시예 2><Example 2>
상기 단위체가 첨가되는 용액을 1550nm에서 굴절률 1.47의 메타크릴릭옥시프로필트리메톡시실란(MPTS)와 0.01N 염산을 몰 비 1:1.5가 되게 첨가하여 24시간 동안 교반하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 실시예 2에 따른 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Example 1 except that the solution to which the monomer was added was added at a molar ratio of 1: 1.5 methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTS) having a refractive index of 1.47 at a molar ratio of 1: 1.5 and stirred for 24 hours. It carried out by the same method as 1. The results according to Example 2 are shown in Table 2 below.
<표 2>TABLE 2
<실시예 3><Example 3>
메타크릴릭옥시프로필트리메톡시실란(MPTS)에 0.01N 염산을 1:1의 몰비로 첨가하여 상온에서 1시간 교반하고, 1:1의 몰비로 메타크릴릭액시드(MAA)를 이용해 킬레이트된 지르코늄프로폭사이드(ZPO)를 상온에서 1시간 동안 교반하여 상기 두 용액을 몰비 4:1로 혼합하여 다시 1시간 동안 교반하고 증류수를 상기 첨가한 염산의 양과 함께 전체 알콕사이드의 1:1.5 의 몰비가 되게 첨가하고 20시간을 더 교반시켰다. 상기 무기-유기 혼성 용액으로 선택한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 상기 무기-유기 혼성 용액의 코팅막의 1550nm의 굴절률은 1.50이었다. 실시예 3에 따른 결과를 하기 표 3에 나타내었다.0.01N hydrochloric acid was added to methacrylicoxypropyltrimethoxysilane (MPTS) in a molar ratio of 1: 1, stirred at room temperature for 1 hour, and zirconium chelated with methacrylic acid (MAA) at a molar ratio of 1: 1. Propoxide (ZPO) was stirred at room temperature for 1 hour, the two solutions were mixed at a molar ratio of 4: 1 and stirred for another hour, and distilled water was added at a molar ratio of 1: 1.5 of the total alkoxide with the amount of hydrochloric acid added. 20 hours more stirring. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the inorganic-organic hybrid solution was selected. The refractive index of 1550 nm of the coating film of the said inorganic-organic hybrid solution was 1.50. The results according to Example 3 are shown in Table 3 below.
<표 3>TABLE 3
<실시예 4><Example 4>
상기 실시예 3에 있어서, 첨가한 메타크릴릭옥시프로필트리메톡시실란(MPTS)의 25몰 퍼센트를 퍼플루오르알킬실란(perfluoroalkylsilane)으로 선택한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다. 그리고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 상기 무기-유기 혼성 매트릭스 용액의 코팅막의 1550nm에서의 굴절률은 1.454이었다. 실시예 4에 따른 결과를 하기 표 4에 나타내었다.In Example 3, the same procedure was followed except that 25 mole percent of the added methacrylicoxypropyltrimethoxysilane (MPTS) was selected as perfluoroalkylsilane. And it carried out in the same manner as in Example 1. The refractive index at 1550 nm of the coating film of the inorganic-organic hybrid matrix solution was 1.454. The results according to Example 4 are shown in Table 4 below.
<표 4>TABLE 4
<실시예 5>Example 5
상기 실시예 3에 있어서의 첨가한 단위체 BDK만을 하기 표 5와 같은 몰비로 배합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 실시예 5에 따른 결과를 하기 표 5에 나타내었다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that only the added unit BDK in Example 3 was added in a molar ratio as shown in Table 5 below, and the results according to Example 5 are shown in Table 5 below.
<표 5>TABLE 5
<실시예 6><Example 6>
상기 실시예 5에 있어서 BDK 30몰%를 첨가한 용액을 웨이퍼에 스핀코터기로 코팅을 하고, 마스크에 램프를 조사하고 난 뒤, 150℃에서 5시간 동안 열처리하였다. 도 2는 이와 같은 방법으로 형성된 광도파로의 패턴 모양을 광학현미경을 이용하여 관찰한 결과이다. 도 3과 4는 광도파로의 패턴 모양을 atomic forcemicroscopy를 통해 3차원과 2차원에서 본 결과이다. 이 때, 마스크를 이용하지 않고 레이저를 이용한 패터닝 또한 가능하다. 도 5는 이와 같은 방법으로 형성된 광도파로의 패턴 모양을 광학현미경을 이용하여 관찰한 결과이다.In Example 5, the solution to which 30 mol% of BDK was added was coated on a wafer with a spin coater, and a lamp was irradiated to a mask, followed by heat treatment at 150 ° C. for 5 hours. 2 is a result of observing the pattern shape of the optical waveguide formed by the above method using an optical microscope. 3 and 4 show the pattern shape of the optical waveguide in 3D and 2D through atomic force microscopy. At this time, patterning using a laser is also possible without using a mask. 5 is a result of observing the pattern shape of the optical waveguide formed by the above method using an optical microscope.
하기 도 6 내지 9는 상기 실시예 3의 BDK 30몰%를 도펀트로 하여 제조된 광도파로의 패턴을 이용하여 광도파 특성을 관찰한 결과이다.6 to 9 show the results of observing optical waveguide characteristics using a pattern of an optical waveguide manufactured by using 30 mole% of BDK of Example 3 as a dopant.
도 6은 형성된 광도파로의 1550nm 파장에서 단일모드가 도파됨을 관찰한 근접장 이미지이고, 도 7과 8은 1x4 스플리터의 마스크 패턴 형태와 저배율 광학 현미경으로 패턴된 광도파로의 모양을 관찰한 결과이며, 도 9는 상기 제작방법으로 형성된 1x4 스플리터의 1550nm 파장에서 광이 잘 분배됨을 관찰한 근접장 이미지를 보여주고 있다.6 is a near-field image observing that the single mode is waveguided at a wavelength of 1550nm of the formed optical waveguide, Figures 7 and 8 are the results of observing the shape of the optical waveguide patterned by the mask pattern form and low magnification optical microscope of the 1x4 splitter, 9 shows a near field image of observing that light is well distributed at a wavelength of 1550 nm of the 1x4 splitter formed by the fabrication method.
상기 본 발명의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면 별도로 광도파로의 식각 공정을 필요로 하지 않으므로 많은 수의 제조 단계를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 광손실이 적은 평판형 광도파로를 제조할 수 있게 된다.As can be seen from the description of the present invention, the present invention does not require an etching step of the optical waveguide separately, so that a large number of manufacturing steps can be reduced, and a flat optical waveguide with low light loss can be manufactured. It becomes possible.
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