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KR100785796B1 - 평판형 광도파로의 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를이용한 브라그 격자 형성방법 - Google Patents

평판형 광도파로의 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를이용한 브라그 격자 형성방법 Download PDF

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KR100785796B1
KR100785796B1 KR1020060096411A KR20060096411A KR100785796B1 KR 100785796 B1 KR100785796 B1 KR 100785796B1 KR 1020060096411 A KR1020060096411 A KR 1020060096411A KR 20060096411 A KR20060096411 A KR 20060096411A KR 100785796 B1 KR100785796 B1 KR 100785796B1
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KR
South Korea
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bragg grating
forming
phase mask
sample
optical waveguide
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KR1020060096411A
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김철영
박만용
정건
김병휘
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 전자빔 방법 및 레이저 빔 간섭 방법의 문제점을 개선할 수 있고, 위상 마스크를 이용하면서도 평판형 광도파로에 브라그 격자를 형성할 수 있는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를 이용한 브라그 격자 형성방법을 제공한다. 그 브라그 격자 형성장치는 브라그 격자를 형성하기 위해 이용되는 위상 마스크; 위상 마스크로 입사 및 출사되는 자외선(ultraviolet) 빔을 조절하여 자외선 빔에 의한 노광을 제어하는 노광 제어장치; 및 브라그 격자가 형성될 평판형 광도파로 구조를 가진 샘플의 정렬 및 상기 노광 제어장치의 위치를 자동으로 조절하는 자동 위치조절장치;를 포함한다.
격자, 평판형 광도파로, 브라그 격자, 위상 마스크

Description

평판형 광도파로의 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를 이용한 브라그 격자 형성방법{Apparatus for fabricating Bragg grating and method of fabricating Bragg grating using the same apparatus in planar optical waveguide}
도 1a ~ 1c는 종래의 브라그 격자 형성방법을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치에 대한 단면도이다.
도 3은 도 2의 브라그 격자 형성장치에서 브라그 격자가 형성될 샘플과 위상 마스크 간의 초기 정렬 방법을 보여주는 단면도이다.
도 4a ~ 4f는 제2 실시예에 따른 브라그 격자 형성장치를 이용한 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법을 보여주는 단면도들이다.
도 5는 도 4b의 A 부분을 확대하여 보여주는 평면도이다.
도 6a ~ 6e는 제3 실시예에 따른 브라그 격자 형성장치를 이용한 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법을 보여주는 단면도들이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 브라그 격자 형성방법을 통해 제작한 브라그 격자의 전자현미경 측정 사진들이다.
도 8은 본 발명의 브라그 격자 형성방법을 통해 제작한 브라그 격자의 스펙 트럼 측정사진이다.
<도면에 주요부분에 대한 설명>
100:기판 110,110a:하부 클래드층
120,120a,120b:코아층 130,130a:크롬 박막층
140:금 박막층 142:금 박막층의 마스크 영역
144:금 박막층의 공백 영역 150:포토 레지스트
160,160a:상부 클래드층 302:제1 광블로커
304:위상 마스크 305:제2 광블로커
307:샘플 홀더 308,402:Y 방향 스테이지
309:스테이지 홀더 310:제어장치 홀더
320,401:Z 방향 스테이지 330,404:X 방향 스테이지
403:CCD 카메라 510:샘플
본 발명은 광통신 소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 평판형 광도파로에 브라그 격자를 형성하는 브라그 격자 형성장치 및 그 형성장치를 이용한 브라그 격자 형성방법에 관한 것이다.
브라그 격자(Bragg Grating)는 여러 파장의 광신호 채널 중, 원하는 신호를 전송하는 특정 파장의 빛을 선택할 수 있는 파장 필터(wavelength filter)로 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing:WDM) 광통신 시스템의 핵심 부품이다.
이러한 브라그 격자는 광섬유나 광도파로 상에 빛의 진행방향으로 도파로의 유효굴절률이 주기적으로 변하는 격자를 형성하여 제작할 수 있다. 광도파로에 λ1, λ2, ..., λN의 N개의 파장이 입사하게 되면 다음의 식(1)의 조건을 만족하는 파장의 빛은 반사되고, 나머지 파장의 빛은 투과하게 된다. 이와 같은 조건을 브라그 조건(Bragg condition)이라고 한다.
λB = 2 neffΛ ................ 식(1)
여기서, λB 는 브라그 격자에 의해 반사되는 브라그 파장을 나타내고, neff 는 유효 굴절율을 나타내며, Λ는 광도파로 내에 형성된 격자의 주기를 나타낸다.
기존의 파장 필터 제조방법으로 광 민감성 광섬유에 위상 마스크를 통해 브라그 격자를 형성하는 방법이 있다.
도 1a는 종래의 위상 마스크를 이용하여 브라그 격자를 형성하는 방법을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 위상 마스크(14, phase mask)에 일정 주기(ΛPM)의 격자가 형성되어 있고, 이러한 위상 마스크(14)를 통해 자외선(ultraviolet) 빔을 브라그 격자가 형성될 샘플(12, sample)에 조사하여 브라그 격자를 형성하게 된다. 여기서, 화살표 상의 -1, 0, +1은 간섭 무늬에 의한 격자 차수를 나타내는 것으로, -1 및 +1 가 1 차 보강간섭을 의미한다. 따라서, 샘플 내의 브라그 격자는 위상 마스크의 격자 주기(ΛPM)의 1/2 주기로 형성된다.
이와 같은 위상 마스크를 통한 브라그 격자 형성 방법은 일반적으로 광민감성 광섬유가 이용되는데, 이러한 광민감성 광섬유는 특성상 다른 광소자와의 집적이 어려우며 대량 생산이 용이하지 않다는 단점이 있다. 또한, 광민감성 물질이 사용되므로 사용 가능한 물질이 제한된다는 단점을 가진다.
한편, 파장 필터 제조방법으로 평판형 광도파로를 이용하는 방법이 있는데, 이러한 평판형 도파로 소자는 생산성이 우수하고 크기가 작으며 다수의 소자가 집적된 소자를 제조하는데 유리하다. 통상의 평판형 도파로 소자를 제작하기 위한 물질로는 실리카(silica)와 같은 유리 물질, 폴리머(polymer), 실리콘(silicon), 리튬나오베이트(LiNbO3) 등이 존재한다. 이러한 물질의 대부분은 광민감성 특성이 없기 때문에, 기존의 광섬유의 광민감성 성질을 이용한 위상 마스크를 사용하는 방법을 적용할 수 없다. 또한, 별도의 후공정을 통하여 광민감성을 갖도록 할 수 있으나, 공정이 용이하지 않을 뿐만 아니라 장기간 사용시 물질의 안정성 및 브라그 격자 특성 안정성을 보장하기가 현실적으로 어렵다.
상기와 같이 광민감성이 없거나 광민감성 공정을 적용하기 어려운 평판형 도파로에 브라그 격자를 제작하기 위한 종래 기술로는 먼저 기판에 포토 레지스트(photo resist)를 코팅한 후에 전자빔(electron beam)을 이용하여 직접 브라그 격자 패턴을 새기는 방법이 있다. 그러나 전자빔을 이용하기 때문에, 고가의 장비를 사용해야 하고, 브라그 격자 패턴을 새기기 위한 공정 시간이 매우 길기 때문에 대량 생산에 적합하지 않은 단점이 있다.
평판형 도파로에 브라그 격자를 제작하는 다른 기술로는 레이저(laser) 빔의 간섭 특성을 이용하여 포토 레지스트에 원하는 격자를 갖는 브라그 패턴을 형성하고 그 패턴을 이용하여 평판형 도파로에 브라그 격자를 형성하는 방법이 있다.
도 1b 및 1c는 종래의 평판형 광도파로에 레이저 빔의 간섭 특성을 이용하여 브라그 격자를 형성하는 방법을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 1b의 경우, 자외선 레이저 장치(28)에서 발생한 자외선 빔이 빔 분배기(26, beam splitter, 이하 '빔 분배기'라 한다)를 통해 분리되고 두 개의 자외선 반사경(24)을 거쳐 평판형 광도파로 구조를 갖는 샘플(22) 상의 포토 레지스트에 보강 간섭을 하면서 조사된다. 도 1c의 경우도 간섭 특성을 이용하는 것은 동일하나, 도 1b와는 달리 자외선 레이저(28)에서 두 개의 자외선 빔이 출사되어 하나의 자외선 빔은 바로 샘플(22)에 조사되고 다른 하나는 자외선 반사경(24)을 통해 조사되어, 결국 샘플(22)에서 두 자외선 빔이 보강 간섭을 하는 구조를 갖는다. 한편, 샘플을 고정하는 샘플 홀더(32)와 정확한 간섭 특성을 조절하기 위한 회전 스테이지(34, rotation stage, 이하 '회전 스테이지'라 한다 )가 자외선 반사경(24)과 결합하여 형성되어 있다.
이와 같은 자외선 레이저 빔의 간섭 특성을 이용한 노광 방법은 전자빔을 이용한 방법보다는 시간이 짧은 장점이 있으나, 넓은 영역의 기판에 균일한 브라그 격자를 제작하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전자빔 방법 및 레이저 빔 간섭 방법의 문제점을 개선할 수 있고, 위상 마스크를 이용하면서도 평판형 광도파 로에 브라그 격자를 형성할 수 있는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를 이용한 브라그 격자 형성방법을 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 브라그 격자(Bragg Grating)를 형성하기 위해 이용되는 위상 마스크(phase mask); 상기 위상 마스크로 입사 및 출사되는 자외선(ultraviolet) 빔(beam)을 조절하여 자외선 빔에 의한 노광을 제어하는 노광 제어장치; 및 브라그 격자가 형성될 평판형 광도파로 구조를 가진 샘플(sample)의 정렬 및 상기 노광 제어장치의 위치를 자동으로 조절하는 자동 위치조절장치;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 노광 제어장치는 상기 위상 마스크가 결합하고 상기 위상 마스크로의 자외선 빔의 크기(size)를 조절하기 위한 제1 광블로커(optical blocker) 및 상기 제1 광블로커에 결합되고 상기 위상 마스크를 통과한 자외선 빔의 격자 차수를 제한하기 위한 제2 광블로커를 포함할 수 있고, 상기 자동 위치조절장치는 상기 샘플을 고정하기 위한 샘플 홀더(sample holder), 상기 샘플 홀더의 좌우 및 상하 위치를 조절하는 X 및 Y 방향 스테이지(direction stage), 및 상기 노광 제어장치의 전후 위치를 조절하는 Z 방향 스테이지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 X 및 Y 방향 스테이지는 컴퓨터 프로그램(program)을 통해 미세자동조절되며, 상기 브라그 격자 형성장치는 한 번의 프로그램 입력을 통해 상기 샘플의 브라그 격자 패턴 형성 영역 전체에 대한 자외선 빔에 의한 노광 공정을 진행할 수 있다.
상기 제1 광블로커는 평판 형상을 가지되 상기 위상 마스크로 자외선 빔이 입사되고 자외선 빔의 크기 조절을 할 수 있는 빔사이즈 조절 개방부를 가지며, 상기 빔사이즈 조절 개방부의 개방 크기는 사용되는 위상 마스크의 격자 부분의 크기에 따라 변화될 수 있다.
상기 제2 광블로커는 상기 위상 마스크를 감싸는 형상으로 상기 제1 광블로커에 결합되어 있되 상기 위상 마스크를 통과하여 상기 샘플로 입사되는 상기 자외선 빔의 간섭무늬의 격자 차수 제한을 위한 간섭차수 조절 개방부가 형성되어 있고, 상기 간섭 조절 개방부는 브라그 격자 패턴 영역의 범위에 따라 크기 조절이 될 수 있다.
상기 브라그 격자 형성장치는 CCD 카메라(camera)를 통한 위상 마스크와 샘플 간의 이미지(image) 정렬을 모니터(monitor)를 통해 실시간으로 제어할 수 있고, 상기 CCD 카메라는 카메라용 X, Y, 및 Z 방향 스테이지에 고정되어 X, Y, 및 Z 방향으로 자유롭게 위치 조절이 될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기의 브라그 격자 형성장치를 이용하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 방법에 있어서, 기판 상에 하부 클래드(clad)층 및 코아(core)층을 형성하는 단계; 브라그 격자 형성 및 패턴 형성을 제어하기 위한 박막층을 형성하는 단계; 상기 브라그 격자 형성 장치를 이용하여 상기 코아층에 격자를 형성하는 단계; 및 상기 격자가 형성된 상기 코아층 상에 상부 클래드층을 형성하는 단계;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법을 제공한다.
더 나아가 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 브라그 격자 형성장치를 이용하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 방법에 있어서, 기판 상에 하부 클래드층을 형성하는 단계; 브라그 격자 형성 및 패턴 형성을 제어하기 위한 박막층을 형성하는 단계; 상기 브라그 격자 형성 장치를 이용하여 상기 하부 클래드층에 격자를 형성하는 단계; 및 상기 격자가 형성된 상기 하부 클래드층에 코아층 및 상부 클래드층을 형성하는 단계;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 박막층 형성 단계는 크롬(Cr) 박막층을 형성하는 단계;
상기 크롬층 상에 금(Au) 박막층을 형성하고 패터닝 하는 단계; 및 상기 패터닝된 금 박막층 상에 포토 레지스트(Photo Resist:PR)층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 금 박막층은 상기 크롬 박막층이 노출되도록 패터닝되고, 상기 금 박막층은 브라그 격자 패턴 형성 영역 이외의 영역으로의 자외선 빔 노광을 억제하는 기능을 할 수 있다. 또한, 상기 노출된 크롬 박막층은 상기 PR을 이용한 포토리소그라피 공정을 통해 패터닝되고, 상기 패터닝된 크롬 박막층이 코어층 또는 하부 클래드층의 격자 형성을 위한 식각 마스크로 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 평판형 광도파로의 브라그 격자 형성장치 및 그 그 장치를 이용한 브라그 격자 형성방법은 X, Y, 및 Z 방향 스테이지를 이용하여 브라그 격자를 원하는 평판형 도파로 위치에 균일하게 형성할 수 있고, 위상마스크를 사용하여 브라그 격자 패턴을 형성하기 때문에, 서로 다른 종류의 브라그 격자 패턴을 용이하게 제작할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치에 대한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 브라그 격자 형성장치는 브라그 격자를 형성하기 위한 위상 마스크(304, mask), 위상 마스크로 입사되고 위상마스크로부터 출사되는 자외선(ultraviolet) 빔을 조절하여 자외선 빔에 의한 노광을 제어하기 위한 노광 제어장치, 및 브라그 격자가 형성될 샘플(510, sample)의 정렬 및 상기 노광 제어장치의 위치를 자동 조절하는 자동 위치조절장치를 포함한다. 여기서, 브라그 격자가 형성될 샘플(510)은 평판형 광도파로 구조를 가지며, 샘플(510) 상부로 브라그 격자 형성 영역을 제한하기 위한 금(Au) 박막층을 포함할 수 있다. 그에 대한 내용은 도 4 ~ 6에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
사용되는 위상 마스크(304)의 격자 주기(Λpm)는 상기 식(1)에 의한 브라그 파장 λB 에 따라, 다음의 식(2)에 의한 샘플(510)에 형성될 격자 주기(Λ)에 의해 결정된다.
Λpm = NλB /neff = 2Λ ....................... 식(2)
노광 제어장치는 위상 마스크(304)가 결합되어 있고, 위상 마스크(304)로 입사되는 자외선 빔의 크기를 조절하기 위한 제1 광블로커(302, optical blocker, 이하 '광블로커'라 한다) 및 위상 마스크(304)를 통과한 자외선 빔의 간섭 무늬의 격자 차수를 제한하기 위한 제2 광블로커(305)를 포함한다.
제1 광블로커(302)는 평판형태를 가지며, 중심으로 자외선 빔이 통과될 수 있는 빔사이즈(beam-size) 조절 개방부가 형성되어 있다. 이러한 빔사이즈 조절 개방부는 사용되는 위상 마스크(304)의 크기에 따라 크기조절이 가능하여 위상 마스크(304)의 격자 부분에만 선택적으로 자외선 빔이 입사되도록 할 수 있다. 격자부분 이외에서 입사하는 빔이 위상 마스크의 간섭무늬 형성에 영향을 줄 수 있으므로, 빔사이즈 조절 개방부가 자외선 빔을 위상 마스크(304)의 격자 부분으로 제한함으로써, 인접한 다른 브라그 격자 형성 영역(501)에 대한 영향을 배제시키는 기능을 한다.
제2 광블로커(305)는 제1 광블로커(302)에 결합되어 있고, 위상 마스크(304)를 감싸는 형상으로 형성되어 있다. 도면상 단면이 직사각형 형상으로 구성되어 있으나 이러한 형상에 한정되지 않음은 물론이다. 제2 광블로커(305)는 자외선 빛이 출사하는 방향으로 간섭차수 조절 개방부가 형성되어 있다. 즉, 간섭차수 조절 개방부가 제2 광블로커(305) 전면으로 형성되어 위상 마스크(304)를 통과한 자외선 빔의 브라그 격자 차수, 예컨대 1차 브라그 간섭 무늬의 빛이 샘플(510)의 노광 소스원(source)으로 이용되도록 제한한다. 즉, 위상마스크(304)를 통과한 빔의 간섭무늬는 거리에 따라 여러 차수의 브라그 격자를 포함하게 되므로 제2 광블로커(305)는 격자 차수를 제한하는 기능을 수행한다.
자동 위치조절장치는 샘플(510)을 고정하기 위한 샘플 홀더(307, sample holder), 샘플 홀더(307)의 좌우(X) 및 상하(Y) 위치를 조절하여, 샘플(510)의 노광 영역을 조절하기 위한 X 및 Y 방향 스테이지(330,308, direction stage, 이하 '방향 스테이지'라 한다) 및 상기 노광 제어장치의 전후(Z) 위치, 즉 샘플(510) 과 노광 제어 장치의 간격을 조정하기 위한 Z 방향 스테이지(320)를 포함한다. X 및 Y 방향 스테이지(330,308)는 스테이지 홀더(309, stage holder)에 고정되며, 노광 제어장치의 제1 광블로커(302)가 제어장치 홀더(310)를 통해 Z 방향 스테이지(320)에 결합된다.
샘플 홀더(307)는 샘플(510)을 고정하는 장치로서 제작하고자 하는 샘플(510) 크기에 따라 그 크기 조절이 가능하며 X 및 Y 방향 스테이지(330,308)에 고정된다. 한편, X 및 Y 방향 스테이지(330,308)는 컴퓨터 프로그램(program)을 통해 미세자동조절이 가능하고, 또한 한 번의 프로그램의 입력을 통해 샘플(510) 전체에 분포되어 있는 브라그 격자 패턴 형성 영역에 대한 자외선 빔에 의한 노광 공정을 진행할 수 있게 한다.
본 발명의 브라그 격자 형성장치는 노광 제어장치 및 자동 위치조절장치를 통해 노광을 미세자동조절할 수 있으므로, 위상 마스크를 이용하여 평판형 광도파 로 구조에 브라그 격자를 형성할 수 있고, 그에 따라 여러 종류의 브라그 격자 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 자동화기능을 통해 노광 공정을 진행함으로써, 짧은 시간 내에 브라그 패턴 형성 영역 전체에 균일한 브라그 격자 패턴을 형성할 수 있다.
도 3은 도 2의 브라그 격자 형성장치에서 브라그 격자가 형성될 샘플과 위상 마스크 간의 초기 정렬 방법을 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 브라그 격자 제작에 필요한 샘플(510)과 위상 마스크(304) 간의 초기 정렬을 위하여, 브라그 격자 형성 장치는 CCD(charge-coupled device) 카메라(403), 카메라용 X, Y 및 Z 방향 스테이지(404,402,401), 모니터(미도시, monitor)를 포함할 수 있다.
상기 CCD 카메라(403)는 위상 마스크(304)와 샘플(510) 간의 거리 차에 따른 정렬 오차를 최소화하기 위해 줌 기능을 포함할 수 있으며, 선택된 이미지(image)는 모니터(미도시)를 통해 관찰 가능하다. 한편, CCD 카메라(403)는 카메라용 X,Y,및 Z 방향 스테이지(404,402,401)에 고정되어 X, Y 및 Z 방향으로의 위치조절이 자유롭다.
본 발명의 브라그 격자 형성장치는 X, Y 및 Z 방향으로의 위치조절이 자유로운 CCD 카메라(403)를 포함함으로써, 위상 마스크와 샘플 간의 이미지 정렬을 모니터를 통해 실시간으로 제어할 수 있고, 그에 따라 좀더 정밀한 브라그 격자의 패턴을 형성할 수 있다.
도 4a ~ 4f는 제2 실시예에 따른 브라그 격자 형성장치를 이용한 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법을 보여주는 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 먼저 기판(100) 상에 하부 클래드(clad)층(110) 및 코아(core)층(120)을 형성한다. 기판(100)은 투명기판 또는 실리콘(silicon)과 같은 반도체 기판을 사용할 수 있다. 하부 클래드층(110) 및 코아층(120)은 광도파로 형성에 일반적으로 사용되는 폴리머(polymer)로 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 코아층(120) 상부로 크롬(Cr) 박막층(130) 및 패터닝된 금(Au) 박막층(140)을 형성한다. 금 박막층(140)은 크롬 박막층(130) 상에 금을 도포한 후, 포토 리소그라피와 같은 공정을 통해 패터닝 될 수 있다. 여기서, 크롬 박막층(130)은 하부의 코어층(120)에 브라그 격자를 형성하기 위한 식각 마스크로 사용되며, 패터닝된 금 박막층(140)은 브라그 격자 패턴 형성 영역 이외의 영역에 자외선 빔 노광을 억제하기 위하여 사용된다. 즉, 금 박막층(140)의 공백 영역(144, blank region, 이하 '공백 영역'이라 한다)이 브라그 격자 패턴이 형성되는 영역이 되며, 금 박막이 존재하는 금 박막층(140)의 마스크 영역(142)이 브라그 격자 패턴 형성 영역 이외의 영역이 된다. 이러한 금 박막층(140)은 샘플 내에 형성될 브라그 격자 패턴 영역 특징에 따라 그 크기 및 위치 변경이 가능함은 물론이다.
도 4c를 참조하면, 패턴이 형성된 금 박막층(140) 상부로 포토 레지스트(150,Photo Resist:PR, 이하 'PR'이라 한다)가 도포되고, 포토 리소그라피 공정을 통해 PR을 패터닝 한다. 이하에서는 브라그 격자 패턴이 형성되는 영역(B)을 위주로 설명한다. 여기서 포토 리소그라피(photo-lithography) 공정 상의 자외선 빔에 의한 노광 공정은 전술한 제1 실시예의 브라그 격자 형성장치를 통해 위상 마스크를 이용하여 정밀하게 수행된다. 따라서, 기존에 평판형 광도파로에 위상 마스크를 이용하여 브라그 격자 형성시, 정밀한 거리 조절, 격자 무늬 차수 제한 필요성 등의 문제점을 해결할 수 있고, 또한 자동화를 통해 노광 공정이 수행됨으로써, 한번에 전체 샘플에 균일한 브라그 격자 형성을 가능케 한다.
도 4d는 도 4c의 B 부분을 확대하여 보여주는 단면도로서, 패터닝된 PR 층을 마스크로 하여 식각 공정을 통해 크롬 박막층(130)이 패터닝 된 모습을 보여준다. 패터닝된 크롬 박막층(130a)에는 코아층(120)에 형성될 격자의 형상이 그대로 나타나게 된다.
도 4e 및 4f를 참조하면, 다시 패터닝된 크롬 박막층(130a)을 식각 마스크로 사용하여 식각 공정을 통해 코아층(120)을 패터닝 한다. 그 후, 패터닝 된 코아층(120a) 상에 상부 클래드층(160)을 형성한다. 이때, 형성되는 브라그 격자의 주기(Λ)는 전술한 바와 같이 상기 식(2)에 의해 결정될 수 있다.
본 실시예의 브라그 격자 형성 방법은 전술한 브라그 격자 형성장치를 이용함으로써, 평판형 광도파로에 위상 마스크를 이용하여 자동화되고 정밀한 노광 공정을 수행할 수 있다. 그에 따라, 브라그 패턴이 형성될 영역 전체에 균일한 브라그 격자를 형성할 수 있다.
도 5는 도 4b의 A 부분을 확대하여 보여주는 평면도로서, 샘플(510) 상부에 금 박층(140)이 공백 영역(144) 및 마스크 영역(142)으로 나누어 있음을 볼 수 있다. 도면상에서 공백 영역(144), 즉 브라그 격자 패턴이 형성될 영역이 마스크 영역(142)에 비해 과장되어 도시되어 있다.
도 6a ~ 6e는 제3 실시예에 따른 브라그 격자 형성장치를 이용한 평판형 광 도파로에 브라그 격자 형성방법을 보여주는 단면도들이다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 클래드층(110)을 형성함은 제2 실시예와 동일하다. 그러나 하부 클래드층(110) 상부에 코아층을 형성하는 것이 아니고, 크롬 박막층(130) 및 패터닝된 금 박막층(140)을 형성하고 금 박막층(140) 상부로 PR(150)을 형성한다. 기판(100) 및 하부 클래드층(110)의 재질 및 크롬 박막층(130)과 금 박막층(140)의 기능 및 형성 방법은 제2 실시예에서 설명한 바와 같음은 물론이다.
PR(150)은 전술한 제1 실시예의 브라그 격자 형성장치를 통해 자외선 빔에 의한 노광 공정이 수행되어 패터닝 된다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이 위상 마스크를 이용하여 자동화되고 정밀한 노광 공정이 수행될 수 있다. 이하에서는 제2 실시예와 마찬가지로 브라그 격자 패턴 영역(C)을 위주로 설명한다.
도 6c 및 6d를 참조하면, 패터닝된 PR(150)을 마스크로 하여 식각 공정을 통해 크롬 박막층(130)을 패터닝하고, 다시 패터닝된 크롬 박막층(130a)을 식각 마스크로 하여 하부 클래드층(110)을 패터닝 한다. 이때, 패터닝된 하부 클래드층(110a)은 형성될 코아층의 격자 형태의 뒤집힌 형태의 패턴을 갖는다.
도 6e를 참조하면, 패터닝된 하부 클래드층(110a) 상에 코아층(120b) 및 상부 클래드층(160a)을 형성한다. 패터닝된 하부 클래드층(110a)이 격자 형태를 갖추고 있으므로, 코아층(120b)에는 별도의 격자 형성 공정 없이도 자연적으로 격자 형태가 갖추어 진다. 격자의 형성 방향이 제2 실시예와 반대, 즉 제2 실시예에서는 상부 클래드층(160) 방향으로 브라그 격자가 형성되고, 본 실시예에서는 하부 클래 드층(110a) 방향으로 브라그 격자가 형성되지만, 두 실시예의 브라그 격자는 재질 및 격자 주기(Λ)만 동일하다면 그 기능이 동일함은 물론이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 브라그 격자 형성방법을 통해 제작한 브라그 격자의 전자현미경 측정 사진들이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 본 발명의 브라그 격자 형성방법을 통해 제작한 브라그 격자의 격자 주기는 0.56㎛ 정도이고, 형성된 격자의 높이 또는 깊이는 0.3㎛ 정도임을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 브라그 격자 형성방법을 통해 제작한 브라그 격자의 스펙트럼 측정사진이다. 도시된 바와 같이 브라그 격자에 의해 선택되어 반사된 파장의 중심 주파수 파장은 1568.7 ㎚ 정도이고, 3dB 대역폭은 0.7 ㎚ 정도이다. 따라서, 본 발명에 따라 제작된 브라그 격자가 우수한 파장 선택 특성을 보여줌을 확인할 수 있다.
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지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 브라그 격자 형성장치 및 브라그 격자 형성방법은 자동화되어 있는 노광 제어장치 및 자동 위치조절장치를 이용함으로써, 평판형 광도파로의 원하는 위치에 위상 마스크를 이용하여 브라그 격자를 균일하게 형성할 수 있다.
또한, 위상 마스크를 이용하여 브라그 격자를 형성하기 때문에, 여러 종류의 브라그 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
더 나아가, 브라그 격자 형성장치가 자동화되어, 한 번의 프로그램 입력을 통해 전체 샘플의 브라그 격자를 한번에 형성할 수 있으므로 평판형 광도파로에 브라그 격자를 빠를 시간 내에 형성할 수 있다. 그에 따라, 브라그 격자가 형성된 평판형 광도파로의 대량 생산을 가능케 한다.

Claims (22)

  1. 브라그 격자(Bragg Grating)를 형성하기 위해 이용되는 위상 마스크(phase mask);
    상기 위상 마스크로 입사 및 출사되는 자외선(ultraviolet) 빔(beam)을 조절하여 자외선 빔에 의한 노광을 제어하는 노광 제어장치; 및
    브라그 격자가 형성될 평판형 광도파로 구조를 가진 샘플(sample)의 정렬 및 상기 노광 제어장치의 위치를 자동으로 조절하는 자동 위치조절장치;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 노광 제어장치는 상기 위상 마스크가 결합하고 상기 위상 마스크로의 자외선 빔의 크기(size)를 조절하기 위한 제1 광블로커(optical blocker) 및 상기 제1 광블로커에 결합되고 상기 위상 마스크를 통과한 자외선 빔의 간섭 무늬 격자 차수를 제한하기 위한 제2 광블로커를 포함하고,
    상기 자동 위치조절장치는 상기 샘플을 고정하기 위한 샘플 홀더(sample holder), 상기 샘플 홀더의 좌우 및 상하 위치를 조절하는 X 및 Y 방향 스테이지(direction stage), 및 상기 노광 제어장치의 전후 위치를 조절하는 Z 방향 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 자동 위치조절장치는 상기 X 및 Y 방향 스테이지가 고정되는 스테이지 홀더(stage holder) 및 상기 Z 방향 스테이지에 상기 노광 제어장치를 고정하는 제어장치 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 샘플 홀더는 상기 샘플의 크기에 따라 크기 조절이 되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 X 및 Y 방향 스테이지는 컴퓨터 프로그램(program)을 통해 미세자동조절되며,
    상기 브라그 격자 형성장치는 한 번의 프로그램 입력을 통해 상기 샘플의 브라그 격자 패턴 형성 영역 전체에 대하여 자외선 빔에 의한 노광 공정을 진행할 수 있는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 광블로커는 평판 형상을 가지되 상기 위상 마스크로 자외선 빔이 입사되고 자외선 빔의 크기 조절을 할 수 있는 빔사이즈 조절 개방부를 가지며,
    상기 빔사이즈 조절 개방부의 개방 크기는 사용되는 위상 마스크의 격자 부분의 크기에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 광블로커는 상기 위상 마스크를 감싸는 형상으로 상기 제1 광블로커에 결합되어 있되 상기 위상 마스크를 통과하여 상기 샘플로 입사되는 상기 자외선 빔의 간섭무늬의 격자 차수 제한을 위한 간섭차수 조절 개방부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 간섭차수 조절 개방부는 브라그 격자 패턴 영역의 범위에 따라 크기 조절이 되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  9. 제1 항 내지 제8 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 브라그 격자 형성장치는 CCD(charge-coupled device) 카메라(camera)를 통한 위상 마스크와 샘플 간의 이미지(image) 정렬을 모니터(monitor)를 통해 실시간으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 CCD 카메라는 카메라용 X, Y, 및 Z 방향 스테이지에 고정되어 X, Y, 및 Z 방향으로 위치 조절이 되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 브라그 격자 형성장치를 통해 브라그 격자가 형성될 샘플은 상부로 금(Au) 박막층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 금 박막층에 의하여 브라그 격자 패턴 형성 영역 이외의 영역에 대한 자외선 빔 노광이 억제되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성장치.
  13. 제1 항의 브라그 격자 형성장치를 이용하여 평판형 광도파로에 브라그 격자를 형성하는 방법에 있어서,
    기판 상에 하부 클래드(clad)층 및 코아(core)층을 형성하는 단계;
    브라그 격자 형성 및 패턴 형성을 제어하기 위한 박막층을 형성하는 단계;
    상기 브라그 격자 형성장치를 이용하여 상기 코아층에 격자를 형성하는 단계; 및
    상기 격자가 형성된 상기 코아층 상에 상부 클래드층을 형성하는 단계;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  14. 제1 항의 브라그 격자 형성장치를 이용하여 평판형 광도파로에 브라그 격자를 형성하는 방법에 있어서,
    기판 상에 하부 클래드층을 형성하는 단계;
    브라그 격자 형성 및 패턴 형성을 제어하기 위한 박막층을 형성하는 단계;
    상기 브라그 격자 형성 장치를 이용하여 상기 하부 클래드층에 격자를 형성하는 단계; 및
    상기 격자가 형성된 상기 하부 클래드층에 코아층 및 상부 클래드층을 형성하는 단계;를 포함하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 기판은 투명 기판 또는 반도체 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  16. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 박막 박막층 형성 단계는
    크롬(Cr) 박막층을 형성하는 단계;
    상기 크롬층 상에 금(Au) 박막층을 형성하고 패터닝 하는 단계; 및
    상기 패터닝된 금 박막층 상에 포토 레지스트(Photo Resist:PR)층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 금 박막층은 상기 크롬 박막층이 노출되도록 패터닝되고,
    상기 금 박막층은 브라그 격자 패턴 형성 영역 이외의 영역으로의 자외선 빔 노광을 억제하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 노출된 크롬 박막층은 상기 PR을 이용한 포토리소그라피 공정을 통해 패터닝되고,
    상기 패터닝된 크롬 박막층이 코어층 또는 하부 클래드층의 격자 형성을 위한 식각 마스크로 이용되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  19. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 노광 제어장치는 상기 위상 마스크가 결합하고 상기 위상 마스크로의 자외선 빔의 크기를 조절하기 위한 제1 광블로커 및 상기 제1 광블로커에 결합되고 상기 위상 마스크를 통과한 자외선 빔의 간섭 무늬 격자 차수를 제한하기 위한 제2 광블로커를 포함하고,
    상기 자동 위치조절장치는 상기 샘플을 고정하기 위한 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더의 좌우 및 상하 위치를 조절하는 X 및 Y 방향 스테이지, 상기 노광 제어장치의 전후 위치를 조절하는 Z 방향 스테이지, 상기 X 및 Y 방향 스테이지가 고정되는 스테이지 홀더, 및 상기 Z 방향 스테이지에 상기 노광 제어장치를 고정하는 제어장치 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 X 및 Y 방향 스테이지는 컴퓨터 프로그램을 통해 미세자동조절되며,
    상기 브라그 격자 형성장치는 한 번의 프로그램 입력을 통해 상기 샘플의 브라그 격자 패턴 형성 영역 전체에 대하여 자외선 빔에 의한 노광 공정을 진행할 수 있는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 광블로커는 평판 형상을 가지되 상기 위상 마스크로 자외선 빔이 입사되고 자외선 빔의 크기 조절을 할 수 있는 빔사이즈 조절 개방부를 가지며,
    상기 빔사이즈 조절 개방부의 개방 크기는 사용되는 위상 마스크의 격자 부분의 크기에 따라 변화될 수 있고,
    상기 제2 광블로커는 상기 위상 마스크를 감싸는 형상으로 상기 제1 광블로커에 결합되어 있되 상기 위상 마스크를 통과하여 상기 샘플로 입사되는 상기 자외선 빔의 간섭무늬의 격자 차수 제한을 위한 간섭차수 조절 개방부가 형성되며,
    상기 간섭차수 조절 개방부는 브라그 격자 패턴 영역의 범위에 따라 크기 조절이 되는 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
  22. 제19 항에 있어서,
    상기 브라그 격자 형성장치는 CCD 카메라를 통한 위상 마스크와 샘플 간의 이미지 정렬을 모니터를 통해 실시간으로 제어할 수 있고,
    상기 CCD 카메라는 카메라용 X, Y, 및 Z 방향 스테이지에 고정되어 위치 조절이 자유로운 것을 특징으로 하는 평판형 광도파로에 브라그 격자 형성방법.
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