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문제 정의
- 본 연구에서는 기존과는 다른 단일 공정을 통해 광소자 패턴과 U-groove 패턴을 제작하여 광섬유 코어와 광소자 코어의 정렬 및 접속을 동시에 구현할 수 있는 새로운 기법을 제안하고, 정렬구조 설계 및 임프린트 공정 최적화 조건을 통해 집적형 광소자에 적용하여 그 유효성을 검증하고자 한다.
- 본 연구에서는 광소자와 광섬유간의 수동 정렬이 가능한 새로운 구조를 제안하여 제작하였다. 또한, 광 정렬 및 연결 구조를 구현하기 위해 최적화된 임프린트 공정 조건을 도출하였다.
제안 방법
- 제작된 패턴은 DRIE(deep reactive-ion etching) 식각 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼의 깊이는 6 µm 가 되도록 음각 패턴을 제작하였다.
- 첫 번째 포토마스크는 광소자 패턴이 있는 것으로 Y 분기 광소자 출력부의 패턴 크기는 50 µm, 간격은 250 µm 를 가지며, 두 번째 광섬유용 채널패턴은 간격 250 µm, 패턴 크기 125 µm 의 포토마스크를 제작하였다.
- 기존의 광소자와 광섬유용 채널이 일체형으로 구성되어 있는 광소자는 코어물질이 광섬유용 채널부분으로 물질이 흘러 들어 광섬유의 정렬오차가 발생되지만, 본 논문에서 제시한 새로운 구조에 의해 10 µm 의 간격을 둔 설계는 임프린트 공정에 의해 패턴 된 시트에 광소자 제작 및 광섬유를 삽입하여 100 µm 깊이의 다이싱(dicing) 공정이 수행된 구간으로 광소자와 광섬유간의 광소자와 광섬유간의 미 결합과 표면조도 개선을 위하여 굴절률 매칭 오일을 넣어주기 위한 간격을 설계하였다.
- 광소자와 광섬유의 광 정렬 및 연결 구조를 제작하기 위하여 광소자 패턴 및 광섬유를 삽입할 수 있는 U-groove 형태의 광섬유용 채널 패턴을 설계하였다. 설계된 구조의 광소자는 1x2 splitter이며 패턴 크기는 50 µm, 광섬유용 채널은 광섬유 지름인 125 µm 의 크기를 채택하였다.
- 광소자의 광 정렬 및 연결 구조를 구현하기 위한 임프린트 패터닝을 위하여 두 번의 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 사용하여 깊이가 각각 다른 실리콘 스탬프를 제작하였다. 광소자 패턴이 있는 포토마스크와 광섬유용 채널이 있는 포토마스크를 제작하여 Fig.
- 광소자의 광 정렬 및 연결 구조를 구현하기 위한 임프린트 패터닝을 위하여 두 번의 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 사용하여 깊이가 각각 다른 실리콘 스탬프를 제작하였다. 광소자 패턴이 있는 포토마스크와 광섬유용 채널이 있는 포토마스크를 제작하여 Fig. 2 의 순서로 포토리소그래피 공정을 수행하였다.
- 첫 번째 포토마스크는 광소자 패턴이 있는 것으로 Y 분기 광소자 출력부의 패턴 크기는 50 µm, 간격은 250 µm 를 가지며, 두 번째 광섬유용 채널패턴은 간격 250 µm, 패턴 크기 125 µm 의 포토마스크를 제작하였다. 제작된 포토마스크를 사용하여 집적화 패턴을 제작하기 위해 4 인치 실리콘웨이퍼에 포토레지스트(photoresist)를 스핀 코팅(spin coating)하고, 우선 광소자 패턴이 형성된 포토마스크를 사용하여 노광 공정을 실시한 후, 현상액(developer)을 이용하여 미 반응 포토레지스트를 제거하여 패턴을 제작하였다. 제작된 패턴은 DRIE(deep reactive-ion etching) 식각 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼의 깊이는 6 µm 가 되도록 음각 패턴을 제작하였다.
- 제작된 패턴은 DRIE(deep reactive-ion etching) 식각 공정을 거쳐 실리콘 웨이퍼의 깊이는 6 µm 가 되도록 음각 패턴을 제작하였다. 잔류 포토레지스트를 제거하고 제작된 실리콘 웨이퍼 위에 SiO2 층을 형성한 후, 광소자 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼에 다시 포토레지스트를 스핀코팅 한 후 광섬유용 채널 패턴의 포토마스크를 사용하여 노광 과정을 진행하였다. 노광 과정 후 현상액을 이용해 포토레지스트를 제거하여 광섬유용 채널 부분을 형성하였다.
- 포토레지스트를 제거한 실리콘 웨이퍼에 Fig. 2(c)와 같이 DRIE 식각 공정을 통해 광섬유용 채널의 깊이가 43.5 µm 가 될 때까지 식각 공정을 수행하였다.
- 잔류 포토레지스트를 제거하고 제작된 실리콘 웨이퍼 위에 SiO2 층을 형성한 후, 광소자 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼에 다시 포토레지스트를 스핀코팅 한 후 광섬유용 채널 패턴의 포토마스크를 사용하여 노광 과정을 진행하였다. 노광 과정 후 현상액을 이용해 포토레지스트를 제거하여 광섬유용 채널 부분을 형성하였다. 앞서 실리콘 웨이퍼에 SiO2 층을 형성 하였으므로, BOE(buffered oxidation etching, 30:1) 용액을 사용하여 광섬유용 채널 부분의 SiO2 층을 제거한 후, 현상액으로 잔류 포토레지스트를 제거하였다.
- 임프린트 공정 중 고려해야 할 사항으로는 공정온도가 낮을 시 PMMA시트의 유동성이 낮아 공정시간이 온도가 높을 때보다 오래 소요되며, 온도가 높을 시 PMMA 시트의 급격한 유동 및 상(phase) 변화에 의해 구성하는 사슬 구조가 불안정하여 잔류응력이 존재하여 탄성계수, 경도 등에 영향을 미치므로 최종적으로 임프린트 공정의 최적화 조건이 이루어지지 않으면 치수적으로 패턴의 크기에 영향을 받는다.11 본 연구에서 사용된 임프린트 공정은 PMMA 시트의 유리전이온도(Tg: 105℃) 및 용융점(Tg: 180℃)을 고려하여 공정온도는 140℃ 온도를 가하였으며, 패턴형성을 위해 0~30 bar 까지 단계적인 압력을 가하며 300 s 동안 공정을 수행하였다. 패턴의 이형을 위해 PMMA 시트의 소성변형이 발생되는 온도인 70℃로 냉각될 때까지 유지하여 패턴을 성형하였다.
- 광소자 제작 전, Fig. 5(b)와 같이 광섬유용 채널 부분은 광소자의 코어 물질이 침투하는 것을 막기 위해 포토레지스트를 사용하여 광섬유용 채널에 충진하여 광섬유용 채널을 막아 코어물질이 충진되는것을 막았으며, 광소자 제작 공정에서 패턴 된 PMMA sheet 와 clad PMMA 간 연결은 core 충진 시 사용된 resin 의 1 µm 두께로 최소화된 slab 이adhesive 로 작용하여 수행되었다.
- 앞서 제작한 스탬프는 다른 깊이의 패턴을 가졌으므로, 임프린트 공정 최적화가 필요하다. 공 압력의 경우 단계적인 압력을 가하여 잔류응력을 최소화하였으며, demolding 온도의 경우 상(Phase) 변화가 없으며, 결함이 없는 온도를 적용하였다. 최적화된 공정 조건으로는 140℃의 온도와 30 bar 의 압력과 120 s 의 시간으로 공정을 수행하였다.
- 공 압력의 경우 단계적인 압력을 가하여 잔류응력을 최소화하였으며, demolding 온도의 경우 상(Phase) 변화가 없으며, 결함이 없는 온도를 적용하였다. 최적화된 공정 조건으로는 140℃의 온도와 30 bar 의 압력과 120 s 의 시간으로 공정을 수행하였다. 최적화된 공정 조건을 통해 PMMA 시트의 광소자 패턴과 광섬유 삽입부 패턴의 크기 측정을 하였을 때, 니켈스탬프와 1% 이하의 공정오차가 발생되는 것을 알 수 있었으며, Fig.
- 4967 @1550 nm)을 사용하였다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 코어 물질을 떨어뜨려 광소자패턴에 충진을 하고 패턴이 없는 PMMA 시트를 올려 상부 클래드 층을 형성한 후 질소환경의 챔버 내에서 2500 mJ/cm2 의 UV 에너지를 주어 5 분간 UV 경화를 실시하여 광소자 제작을 하였다. 광소자 제작 전, Fig.
- 다이싱 공정 후 100 µm 깊이의 PMMA 시트에 굴절률 매칭오일(Norland index matching liquid 150)을 떨어뜨려 100 µm 깊이의 패턴에 충진하여 집적화된 광소자를 제작할 수 있었다.
- 5(d)와 같이 광소자의 코어 층을 형성한 후에 현상액을 사용하여 제거하였다. 제거 된 광섬유용 채널 부분에 광섬유를 삽입하고 UV 경화 물질인 NOA65(Norland optical adhesive)를 떨어뜨려 UV 경화하여 광섬유를 광섬유용 채널 내 고정하였다. 고정된 광섬유와 광소자 사이에 10 µm 의 간격이 있는데 Fig.
- 광소자의 성능 평가를 위해서는, 일반적으로 성능 평가에 사용된 광의 파장대역과 입력부에 삽입된 광이 출력부에 검출된 광 파워 값과 측정된 광소자를 광 파워 값의 균일성(Uniformity) 등을 통해 광소자의 성능을 평가할 수 있다. 제작된 집적형 광소자의 광 손실을 측정하기 위해 본 논문에서는 일반적으로 광통신에서 사용하는 1550 nm 파장대의 광원(Anritsu, MU95100A)을 제작된 광소자입력부를 Fig. 8 과 같이 광섬유를 광원에 연결하고, 출력부의 광섬유를 파워메터(Newport, 1835-C)에 연결하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 광소자와 광섬유간의 수동 정렬이 가능한 새로운 구조를 제안하여 제작하였다. 또한, 광 정렬 및 연결 구조를 구현하기 위해 최적화된 임프린트 공정 조건을 도출하였다. 정립된 공정을 통해 광 정렬 및 연결 구조의 구현이 가능한 패턴을 제작하였으며, 임프린트 공정으로 제작된 패턴과 실리콘 스탬프는 공정오차가 약 1%미만으로 소자의 광 특성에 거의 영향을 미치지 않았다.
- 광소자와 광섬유 코어 일체형 스탬프는, 광손실 제어를 위하여 설계된 기하학적 치수로 광 리소그래피 공정을 통하여 단일 웨이퍼에 깊이가 각각 다르게 제작하였다. 제작된 실리콘 스탬프를 이용하여 전주도금으로 니켈 금형을 제작하여 내구성을 향상시켰다.
- 광소자와 광섬유 코어 일체형 스탬프는, 광손실 제어를 위하여 설계된 기하학적 치수로 광 리소그래피 공정을 통하여 단일 웨이퍼에 깊이가 각각 다르게 제작하였다. 제작된 실리콘 스탬프를 이용하여 전주도금으로 니켈 금형을 제작하여 내구성을 향상시켰다. 다층 구조의 광소자 부분과 광섬유용 채널 부분을 단일 임프린트 공정으로, 패터닝 하여 정렬 오차를 극소화 하였으며 광섬유의 수동정렬이 가능하도록 하였다.
- 제작된 실리콘 스탬프를 이용하여 전주도금으로 니켈 금형을 제작하여 내구성을 향상시켰다. 다층 구조의 광소자 부분과 광섬유용 채널 부분을 단일 임프린트 공정으로, 패터닝 하여 정렬 오차를 극소화 하였으며 광섬유의 수동정렬이 가능하도록 하였다. 패턴된 도파로와 실리콘 스탬프의 치수 측정 결과, 공정 오차는 약0.
대상 데이터
- 설계된 구조의 광소자는 1x2 splitter이며 패턴 크기는 50 µm, 광섬유용 채널은 광섬유 지름인 125 µm 의 크기를 채택하였다.
- 본 연구에서 사용되는 광섬유는 다중 모드 광섬유로 코어의 크기는 50 µm 이며, 광섬유의 코어와 광소자의 코어를 동일 평면에 형성하기 위하여 광섬유의 코어를 제외한 나머지 크기는 75 µm 이므로 광섬유를 광소자와 동일한 높이에서 결합되기 위해 광소자보다 37.5 µm 깊게 설계하면 기하적으로 광소자의 코어와 광섬유의 코어 중심축이 정렬된다 (Fig. 1 참조).
- 2(g)와 같이 SiO2 층이 제거된 실리콘 웨이퍼에 다시 DRIE 식각 공정을 수행하였다. 설계된 깊이와 구조를 제작하기 위해서 보쉬(BOSCH) 공정을 사용하였다. 보쉬 공정은 고종횡비를 가지는 실리콘 구조물을 제작할 때 사용되는 식각 방법이며, SF6 를 통해 실리콘 식각과 CFx 계열의 공정가스를 이용하여 측벽 보호막 증착의 반복적인 공정을 통해 수직 실리콘 구조물을 얻는 방법이다.
- 2 의 공정으로 제작된 양각의 니켈스탬프를 사용하여 임프린트 공정을 통해 음각의 패턴을 제작하였다. 임프린트 공정의 클래드 층으로 사용되는 PMMA 시트를 이용하여 패턴을 제작하였다. 임프린트 공정은 온도와 압력 그리고 시간을 변수로 공정이 수행되며, 고분자 물질에 열을 가하여 유동성을 주고 패턴 형성을 위해 압력을 가하여 금형의 미세구조물을 이루는 모든 면과 접촉 하여패턴을 제작하는 공정이다.
- 임프린트 공정에 의해 제작된 PMMA 시트를 사용하여 광소자를 제작하기 위해서는 코어물질을 사용하는데, 코어 층에 사용된 물질은 ChemOptics Co.의 WIR30-500(1.4967 @1550 nm)을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 4 다이싱 공정을 통해 광소자와 광섬유 사이 10 µm 의 간격에 굴절률 매칭 오일을 넣어줌으로써 광소자와 광섬유의 결합과 표면조도가 개선되어 결합에 의한 광손실을 최소화 할 수 있었다.
- 최적화된 공정 조건으로는 140℃의 온도와 30 bar 의 압력과 120 s 의 시간으로 공정을 수행하였다. 최적화된 공정 조건을 통해 PMMA 시트의 광소자 패턴과 광섬유 삽입부 패턴의 크기 측정을 하였을 때, 니켈스탬프와 1% 이하의 공정오차가 발생되는 것을 알 수 있었으며, Fig. 4 에 표시하였다.
- 파워메터에서 검출되는 광파워 값은 채널 1 에서는 평균 1.302 dBm 이며, 채널 2 에서는 평균1.346 dBm 로 측정되었다. 광섬유를 광원과 파워메터에 직접 연결하여 광파워값을 측정한 결과5.
- 346 dBm 로 측정되었다. 광섬유를 광원과 파워메터에 직접 연결하여 광파워값을 측정한 결과5.805 dBm 으로 측정되었으며, 기준값으로 규정하였다. 측정된 값을 dB 로 환산하였을 경우 채널 1은 4.
- 9 dB 가 된다. 성능 평가에 사용되는 광의 균일성은 0.3 dB 로 국제 규격인 0.6 dB이하 값을 가짐을 확인하였다. 또한 삽입손실은4.
- 결론적으로 본 논문에서 제안된 평면형 광소자는 임프린트 공정을 통해 1% 미만의 치수 정밀도유지가 가능함으로 평면형 광소자의 광 정렬 및 연결 구조가 유효하다고 판단된다.12
- 또한, 광 정렬 및 연결 구조를 구현하기 위해 최적화된 임프린트 공정 조건을 도출하였다. 정립된 공정을 통해 광 정렬 및 연결 구조의 구현이 가능한 패턴을 제작하였으며, 임프린트 공정으로 제작된 패턴과 실리콘 스탬프는 공정오차가 약 1%미만으로 소자의 광 특성에 거의 영향을 미치지 않았다.
- 다층 구조의 광소자 부분과 광섬유용 채널 부분을 단일 임프린트 공정으로, 패터닝 하여 정렬 오차를 극소화 하였으며 광섬유의 수동정렬이 가능하도록 하였다. 패턴된 도파로와 실리콘 스탬프의 치수 측정 결과, 공정 오차는 약0.71~0.82%의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한, 제작된 광소자의 삽입손실 값을 측정한 결과광손실 값이 각각 3.
- 82%의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한, 제작된 광소자의 삽입손실 값을 측정한 결과광손실 값이 각각 3.9 dB, 4.2 dB 의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 그 결과를 국제 규격의 삽입손실값과 비교하였을 때, 임프린트 공정을 통해 제작된 광소자는 광 정렬 및 연결 구조를 단순화하면서도 규격을 만족하는 바, 향후 경쟁력 있는 기술로 적용이 가능하다고 판단된다.
후속연구
- 2 dB 의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 그 결과를 국제 규격의 삽입손실값과 비교하였을 때, 임프린트 공정을 통해 제작된 광소자는 광 정렬 및 연결 구조를 단순화하면서도 규격을 만족하는 바, 향후 경쟁력 있는 기술로 적용이 가능하다고 판단된다.
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