KR20050015517A

KR20050015517A - 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조

Info

Publication number: KR20050015517A
Application number: KR1020030054373A
Authority: KR
Inventors: 정선태; 구준모
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-02-21
Also published as: KR100540260B1

Abstract

본 발명은 광 도파로와 광섬유를 함께 연결시키기 위한 V 그루브가 상기 광 도파로와 상응하도록 형성되는 하이브리드 플랫폼에 있어서, 상기 V 그루브의 양측에 일정 간격을 갖는 보조 V 그루브를 형성하여, 상기 V 그루브와 보조 V 그루브간의 최소 선폭에 의해 최종 공정시 식각 마스크가 용이하게 분리되도록 하여, 광섬유 정렬시, 삽입을 가로막는 식각마스크를 완전히 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조{V-GROOVE STRUTCURE FOR SILICA HYBRID PLATFORM}

본 발명은 광섬유 수동정렬용 V 그루브 구조에 관한 것으로서, 특히 식각이 끝난후 식각마스크를 손쉽게 제거하여 광섬유가 식각마스크에 걸려 들어가지 못하는 현상을 미연에 방지하도록 구성되는 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 광통신은 대용량의 정보를 빠르게 전달할 수 있는 장점이 있으나 그 특유의 물리적 특성에 기인한 단점도 가지고 있다. 그 중에 가장 취약한 문제가 광섬유와 광소자(광부품)의 상호접속에 관한 것으로, 광섬유-광소자 상호접속은 구리선과 다르게 광섬유와 광소자간의 상호 정밀한 접촉에 의해서만 이루어질 수 있기 때문에 고도의 기계적ㆍ물리적 기술이 필요하다. 또한, 광섬유와 광소자의 상호접속을 이루는데 있어서 기인되는 손실은 광섬유의 단면상태, 광섬유의 평형정렬상태, 광섬유 및 코어의 축의 각도에 따라 변화의 폭이 크다. 이 중에서 가장 중요한 파라미터는 광섬유의 평형정렬이다. 단일모드 광섬유에서 광섬유 코어의 직경은 약 8㎛로서, 0.5dB의 손실을 갖기 위해서는 1㎛ 이내의 정렬 오차가 필수적이다.

광섬유-광소자 상호접속이 이루어지는 플랫폼은 지금까지 여러 가지 재료와 형태가 이용되어왔다. 재료의 가공성, 내구성, 사용환경, 경제성 등 여러 가지 재료적인 요인들과 광섬유의 정밀한 정렬이 가능한 재료 및 구조는 실리콘(Si)의 이방성 식각특성을 이용한 v 그루브(V 홈;v-groove) 형태이다. 여기서, 실리콘의 이방성 식각은 결정방향에 따른 식각률의 차이를 이용하여 벌크(bulk) 실리콘에 미세한 구조를 형성하는 미세가공법의 대표적인 기법이다. 이미 1950년대부터 실리콘의 습식식각에 관한 연구가 시작되었으며, 1970년대에 이르러서는 AT&T BELL 연구소의 C. M. Miller에 의해 실리콘 이방성 식각으로 형성한 V 그루브를 광섬유를 지지하고 정렬하는데 사용하기 시작했다. 벌크 실리콘이 결정방향에 따라 서로 다른 식각률을 보이는 것은 결정방향에 따라 원자밀집 정도가 다르기 때문이며, 가장 낮은 활성화 에너지를 가진 방향으로의 식각률이 가장 높게 된다. 이 원리를 이용하여, 표면이 결정면인 실리콘 웨이퍼를 사용하며 실리콘 웨이퍼의 플랫존(Flat zone) 방향과 평행하게 리소그래피 공정(lithography)을 이용하며 원하는 부분만 식각용액에 노출시키게 되면 가장 식각률이 높은면과 가장 느린면의 식각률 차이에 의해 결정면과 54.7°의 경사를 가진 결정면이 드러난다. 또한, 식각에 의해 드러나는 결정면은 서로 만나는 지점에서 식각이 자동으로 정지하게 된다. 따라서, 노출된 벌크 실리콘의 표면이 정사각형이면 피라미드 모양의 구조가 형성되며, 직사각형일 경우에는 길이가 긴 V 그루브가 만들어지는 것이다. 이때, 식각 용액에 드러나지 않게 막는 부분은 식각에 잘 견디는 물질로 보호하게 되는데 이를 식각 마스크라고 하며 보통 실리콘산화막(SiO2)이나 실리콘질화막(Si3N4)을 사용한다. 한편, 실리콘의 이방성 식각용액으로는 KOH(Potassium Hydroxide) 수용액이 널리 쓰인다. KOH 수용액에서 일어나는 실리콘 식각 반응은 실리콘 표면이 하이드록실 이온과 반응하여 4개의 전자를 방출하고, 물의 일부는 환원되어 수소 기체를 발생한 후 실리콘 이온과 결합되어 다시 용해된다. 형성되는 V 그루브의 깊이는 식각용액에 노출되는 개구부의 폭에 의해 결정되는데, 광섬유의 외경이 결정되면 광섬유를 지지하는데 적절한 V 그루브의 폭이 결정된다. V 그루브의 폭을 결정하는 데에 반드시 고려해야하는 사항이 언더컷(undercut)이다. 식각용액이 식각마스크와 실리콘 사이로 파고 들어가 형성되는 언더컷에 의해 계산치보다 큰 V 그루브가 만들어지기 때문에 언더컷의 형성정도가 균일하지 못할 경우 광섬유 정렬의 정밀도를 떨어뜨리는 요인이 된다.

이상은 단순히 V 그루브를 가진 플랫폼을 만드는 기술을 설명한 것으로 예전에는 V 그루브 플랫폼과 광섬유, 광소자를 각기 제조하여 폴리머 접착제 등을 이용하여 붙여서 하나의 모듈을 제작하였으나, 최근에는 아래 그림 1과 같이 광원, 광도파로로 이루어진 광소자와 V 그루브 플랫폼을 하나의 기판 위에 만들어서 크기를 줄이고 공정을 단순화시켜 제조원가를 감소시키려는 시도가 이루어지고 있다. 이와 같은 플랫폼을 하이브리드 플랫폼(Hybrid platform)이라 한다.

예전에는 각각의 부품을 만들어 서로 합쳐서 제조하였기 때문에 V 그루브를 제작하는 공정이 다른 부품에 영향을 주지 않았으나 그림 1의 하이브리드 플랫폼에서는 V 그루브를 제작함에 있어서 다른 부분을 고려하여 제작하여야 한다. 즉, V 그루브의 식각마스크는 실리카 PLC(planar lightwave circuit)의 언더클래딩 층(undercladding layer)으로 사용하는 실리콘산화막(이하 실리카라 칭함)를 이용해야한다. 실리카는 실리콘질화막에 비해 원자밀도가 엉성하므로 식각용액에 대한 식각률이 크며, 언더컷도 훨씬 많이 일어난다.

도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 플랫폼(200)의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 일반 하이브리드 플랫폼의 V 그루브를 형성하기 위한 식각 과정을 도시한 공정도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 하나의 V그루브(210)의 상측 양단에 식각마스크(211)에 의해 언더컷 된 상태를 도시하고 있다.

상술한 V 그루브의 제조 공정을 살펴보면 우선, 실리콘 웨이퍼 위에 FHD법으로 저굴절률 실리카막인 언더클래딩 층과 고굴절률 실리카막인 코어 층을 제조하고, 이 코어 층에 리소그래피 공정(lithography)을 이용한 선택식각을 통해 광도파로를 형성한 후 다시 FHD법으로 저굴절률 실리카막인 오버클래딩(overcladding) 층을 덮는다.(도 2의 a) V 그루브가 형성될 부분의 실리카 층을 식각마스크로 적당한 두께까지 식각한다.(도 2의 b) 그후, 실리카막을 리소그래피 공정(lithography)을 이용한 선택식각을 통해 V 그루브가 형성될 개구부를 만든다. 이를 KOH 식각용액에 적당한 시간동안 담그면 이방성 식각이 진행되어 V 그루브가 형성된다.(도 2의 c) 필요없는면을 saw를 이용하여 절단하면(도 2의 d) 도 1의 상태로 형성되는 것이다.

그러나 도 3에서 보는 바와 같이 실리카를 식각마스크로 사용하였을 경우 언더컷이 심하게 일어나나 하이브리드 플랫폼의 공정 특성상 식각마스크만을 실리콘질화막으로 교체할 수는 없다. 또한, 일반적으로 언더컷은 광섬유의 정렬의 정밀도를 떨어뜨려 광손실을 유발하는 요인으로 작용하나 실험을 통해 살펴본 결과, 우리가 사용하는 FHD 막의 경우 언더컷 정도가 웨이퍼의 위치에 상관없이 균일하게 나타났다. 따라서 언더컷을 고려하여 작은 개구부를 만들면 광섬유를 지지하는데 적절한 폭을 가진 V 그루브를 제작할 수 있으나, 통상 사용되는 125㎛의 직경을 가진 광섬유가 좁은 개구부 양측에 있는 식각마스크에 걸려 v 그루브가 형성된 부분까지 들어가지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 이 식각마스크를 제거하기위해 불산(HF) 식각, 리소그래피 공정(lithography)을 이용한 선택식각이 고려되고 있으나, 일단 두 공정 모두 추가공정이란 점에서 효율이 떨어지며 불산을 사용할 경우 광도파로 부분을 보호하기 위한 희생막 공정이 필요하고, 선택식각 공정 또한 단차에 의한 부정확한 식각이 V 그루브의 모양을 변형시킬 가능성이 많다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 본 발명의 목적은 V 그루브의 형성이 끝남과 동시에 손쉽게 식각 마스크를 제거할 수 있도록 구성되는 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래 기술과 같은 공정횟수 만으로 광섬유의 정렬이 용이하게 수행될 수 있도록 구성되는 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 광 도파로와 광섬유를 함께 연결시키기 위한 V 그루브가 상기 광 도파로와 상응하도록 형성되는 하이브리드 플랫폼에 있어서, 상기 V 그루브의 양측에 일정 간격을 갖는 보조 V 그루브를 형성하여, 상기 V 그루브와 보조 V 그루브간의 최소 선폭에 의해 최종 공정시 식각 마스크가 용이하게 분리되도록 함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 플랫폼의 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 종래 기술과 비교한 V 그루브 제작 단면도 및 평면도로써, 하이브리드 플랫폼(10)의 광 도파로(11)의 일측에 일정 선폭, 일정 깊이를 갖는 V 그루브(20)가 형성된다. 상기 V 그루브(20)의 양측에 상기 V 그루브(20)보다 적어도 선폭 및 깊이가 작은 보조 V 그루브(30, 31)가 형성된다. 상기 보조 V 그루브(30, 31)는 상기 V 그루브(20)와의 일정 선폭을 갖는 식각 마스크를 갖도록 하여 최종적으로 용이하게 떨어져 나가도록(제거되도록)하는 역할을 하게 된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 V 그루브의 제조 공정을 도시한 단면도이고, 도 6c는 본 발명에 따른 V 그루브에 광섬유가 수동 정렬된 상태를 도시한 단면도로써, 기존 개구부에서 KOH 식각용액에 의한 식각이 일어나면 V 그루브 모양이 형성되면서 언더컷도 동시에 일어난다. 양측의 작은 개구부에서도 보조 V 그루브가 형성되면서 언더컷이 발새한다.(도 6a) 이 두 부분의 언더컷에 의해 식각마스크는 아랫면의 지지하고 있는 실리콘을 점차 상실해간다. 리소그래피 공정(lithography)을 이용한 선택식각시, 식각마스크가 지지하는 실리콘의 길이가 매우 작게 되도록 식각마스크의 폭(Y)을 결정한다. 일정시간이 지난 후 식각마스크는 실리콘에 간신히 지지하고 있게 되므로 작은 양의 누르는 힘에 의해서 혹은 다음 공정인 sawing 공정시에 저절로 떨어져나가게 된다.(도 6b) 플랫폼이 완성된 후 광섬유를 실장할때 광섬유의 삽입을 가로막는 식각마스크가 존재하지 않게 된다.(도 6c)

한편, 도 6a를 참조하여 V 그루브와 보조 V그루브간의 식각마스크의 최소선폭 Y는 하기와 같은 수학식으로 결정될 수 있다.

우선, 광섬유를 실장할 개구부의 초기 선폭을 W₀라 하고 언더컷이 없을 경우의 V 그루브의 깊이를 D₀, 이때의 식각 시간을 T₀라 하고, (100)면에 대한 식각 속도를 R(100), (111)면에서의 식각 속도를 R(111)이라고 하면, 최소선폭 Y는 하기 <수학식 1> 내지 <수학식 8>에 의해서 달성될 수 있다.

D₀=W₀/2/tanθ

T₀=D₀/R(100)

W₁=W₀+2×T₀×R(111)=W₀[1+1/tanθ×(R(111)/R(100))]

D₁=W₁/2/tanθ

T₁=D₁/R(100)

W₂=W₁+2×(T₁-T₀)×R(111)

=W₀[1+1/tanθ×(R(111)/R(100))]+(W₁-W₀)/tanθ×(R(111)/R(100))

=W₀[1+tanθ×(R(111)/R(100))+(R(111)/R(100))²]

W₂'=W₁'+2×(T₁'-T₀')×R(111)

=W₀'[1+1/tanθ×(R(111)/R(100))]+(W₁'-W₀')/tanθ×(R(111)/R(100))

=W₀'[1+tanθ×(R(111)/R(100))+(R(111)/R(100))²]

Y=[(W₂-W₀)+(W₂'-W₀')]/2

=[W₀{tanθ×(R(111)/R(100))+(R(111)R(100))²}W₀'{tanθ×

(R(11)/R(100))+(R(111)/R(100))²}]/2

분명히, 청구항들의 범위내에 있으면서 이러한 실시예들을 변형할 수 있는 많은 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 하이브리드 플랫폼의 V 그루브는 양측에 일정 선폭을 갖는 식각 마스크에 의해서 보조 V 그루브가 형성되고, 상기 V 그루브와 보조 V그루브간의 최소 선폭을 갖는 식각 마스크를 형성하기 때문에 최종적으로 상기 최소 선폭을 갖는 식각 마스크를 용이하게 제거가능함으로 광섬유 실장을 저해하는 언더컷 현상이 발생되지 않는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 플랫폼의 구조를 도시한 도면.

도 2는 일반 하이브리드 플랫폼의 V 그루브를 형성하기 위한 식각 과정을 도시한 공정도.

도 3은 종래 기술에 따른 언더컷이 V 그루브의 단부에 심하게 발생되는 언더컷 현상을 촬영한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 플랫폼의 구조를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 종래 기술과 비교한 V 그루브 제작 단면도 및 평면도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 V 그루브의 제조 공정을 도시한 단면도.

도 6c는 본 발명에 따른 V 그루브에 광섬유가 수동 정렬된 상태를 도시한 단면도.

Claims

광 도파로와 광섬유를 함께 연결시키기 위한 V 그루브가 상기 광 도파로와 상응하도록 형성되는 하이브리드 플랫폼에 있어서,

상기 V 그루브의 양측에 일정 간격을 갖는 보조 V 그루브를 형성하여, 상기 V 그루브와 보조 V 그루브간의 최소 선폭에 의해 최종 공정시 식각 마스크가 용이하게 분리되도록 함을 특징으로 하는 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조.
제 1항에 있어서,

상기 보조 V 그루브의 깊이 및 선폭은 상기 V 그루브의 깊이 및 선폭 보다 작도록 함을 특징으로 하는 실리카 하이브리드 플랫폼용 브이 그루브 구조.