광집적회로(photonic integrated circuits, 광IC) 기술은 빛의 고유한 특성을 효율적으로 이용할 수 있는 광소자를 낮은 단가로 대량생산하기에 적합한 기술이다. 광을 이용한 소자 기술은 80년대에 개발된 레이저 다이오드와 광섬유 기술을 바탕으로 오늘날 인류가 누리고 있는 정보통신 기술의 혁명에 핵심적인 기여를 하게 되었다. 이후로도 광의 특성을 활용한 기술들이 지속적으로 개발되었으며, 광 IC 기술은 초당 수백 테라비트 전송을 위한 광통신 시스템 구현^[1,2], 고속 대용량 광스위치 기술^[3,4], 광메모리 기술^[5], 고감도 바이오 센서 기술^[6,7], 다양한 산업용 광센서 기술인 라이다 소자^[8,9], 광전류센서^[10], 바이오센서^[11] 등에 폭넓게 적용되었다. 이러한 광IC 기술을 구현하기 위한 방법으로 초기에는 전기광학 효과를 지니고 있는 리튬나이오베이트 크리스탈^[12], 광섬유와 동일한 재질인 실리카를 이용한 소자가 연구되었으며^[13,14], 이후 열광학 효과가 매우 높은 폴리머 광도파로 소자^[15-17], 굴절률과 집적도가 높은 실리콘 광도파로 소자^[18-20], 그리고 광파워가 높은 동시에 비선형 효과가 적어 안정적인 특성을 지닌 실리콘 나이트라이드 광도파로 소자^[21,22]에 대한 연구 개발도 활발히 이루어지고 있다.

본 연구실에서는 폴리머 재료를 이용한 광IC 소자를 오랜 시간 동안 폭넓게 연구하였다. 실리콘을 비롯한 무기 재료에 비해 유기물 기반의 폴리머 재료는 독특한 특성을 지니고 있으며, 이를 이용한 광IC 소자의 연구 개발은 중요한 의미를 지닌다. 이 중 특히 유기물 재료를 이용한 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED) 기술은 선명한 색상과 저전력 구동이 가능한 디스플레이의 탄생에 기여하였으며^[23,24], 휴대기기용 지문 인식에 사용되는 유기 포토디텍터(organic photodetector, OPD) 기술도 차츰 상용화되고 있는 유용한 기술이다^[25]. 이처럼 다양한 유기물 기반 광소자들이 상용화됨과 함께 유기물 기반 폴리머 광IC 기술도 일부 상용화가 진행되었으며, 그중에서도 다채널 가변 광감쇄기(variable optical attneuator, VOA) 소자는 파장 분할 다중화 방식 광통신 기술에서 독보적인 위치를 차지하고 있다^[26].

일반적으로 폴리머 재료는 스핀코팅과 ultra violet (UV) 경화(또는 열경화)를 통하여 박막으로 가공할 수 있고, 인체에 무해한 산소 가스 플라즈마로 광도파로 패턴을 식각할 수 있기 때문에 비교적 사용하기 쉬운 장비로 광IC 소자를 완성할 수 있다는 장점을 지닌다. 이때 설계 결과와 정확히 동일한 특성을 지니는 소자를 제작하기 위해서는 폴리머 박막 위에 포토리소그래피 공정을 거쳐 광도파로 코어(core) 패턴을 정확한 형상으로 정밀하게 형성하여야 한다. 이를 위해 지금까지 본 연구실을 비롯한 대부분의 국제적인 연구그룹에서는 포토레지스트 또는 금속 박막을 마스크로 이용하여 광도파로 코어 패턴을 식각하는 공정을 이용하였다.

본 연구에서는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정을 도입하여 광도파로 코어 패턴을 정밀하게 제작하는 공정을 최초로 시도하였다. ALD 공정은 최근 들어 DRAM, CPU 등 반도체 소자의 성능 개선을 위하여 다양하게 도입되고 있는 새로운 공정인데, 광도파로 제작에 이를 도입한 예는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 최초로 ALD 공정을 이용해 폴리머 광도파로 소자를 제작하였으며, 제작된 광IC 소자의 특성이 우수함을 확인하였다.

광집적회로 기술의 기본이 되는 광도파로는 실리콘이나 유리와 같은 재질의 기판 위에 굴절률이 서로 다른 재료를 적층하고, 특정 부위에 광도파로 형상을 패터닝함으로써 제작한다. 이때 폴리머 광도파로 패턴을 제작하기 위해서는 원하는 광도파로 구조를 설계한 뒤 포토마스크 제작 업체를 통하여 광도파로 코어 패턴이 그려진 포토마스크를 준비하여야 한다. 이후 그림 1(a)에서 보인 바와 같이 실리콘 기판상에 폴리머 재료를 코팅하고, 이를 경화하여 클래딩층과 코어층을 형성한 뒤, 그 위에 포토마스크와 포토레지스트를 이용해 포토리소그래피 공정으로 광도파로 코어 형상을 복제한 포토레지스트 패턴을 제작한다. 이때 일반적으로 포토레지스트 패턴은 사다리꼴 형상으로 제작되는데, 이로 인해 그 다음 단계에서 코어층을 산소 플라즈마로 식각한 뒤 나타나는 광도파로 패턴 또한 사다리꼴이 된다. 직선 광도파로 구조에서 사다리꼴 형상으로 제작된 광도파로 코어 패턴 위에 상부 클래딩 폴리머를 덮어 완성한 폴리머 광도파로의 단면 구조를 그림 2에 나타내었는데, 이처럼 광도파로 코어 패턴을 수직으로 제작하지 못하면, 도파광의 편광 상태가 복잡해지므로 광도파로 소자의 특성 또한 설계치와 일치하지 않게 되는 문제가 발생한다.

Figure 1. Comparisons of waveguide core patterns formed by different fabrication methods. (a) Trapezoidal waveguide core formed when etching polymer using a photoresist as a hard mask. (b) Rectangular waveguide core formed when etching polymer using a metal film as a hard mask.

Figure 2. Waveguide core fabricated with O₂ plasma etching using a photoresist as a hard mask. (a) Microscope image of the waveguide pattern observed from the top of the substrate. (b) Cross-section of the waveguide observed with a scanning electron microscope. The waveguide core was covered by upper cladding polymer and the cross-section was formed by cleaving the fabricated device.

광도파로 코어 패턴의 형상을 좀 더 포토마스크 패턴과 일치하도록 직사각형 형태로 만들기 위해서는 그림 1(b)에서 보인 바와 같이 코어층 위에 내성이 크고 두께가 얇은 금속 박막을 증착한 뒤, 포토리소그래피 공정으로 광도파로 패턴을 제작해야 한다. 두께가 얇은 금속 박막은 포토마스크에 제작된 패턴을 정확히 광IC 소자에 옮기기에 유리하므로, 이를 통해 완성된 코어 패턴도 직사각형 형상을 띄게 된다. 이때 증착하는 금속 박막의 두께가 수백 나노미터에 불과하더라도 충분히 산소 플라즈마 에칭 과정에서 코어 패턴을 에칭하는 마스크로서 기능할 수 있다.

폴리머 광도파로 제작을 위해 하부 클래딩층과 코어층을 형성하면 두께 약 15 µm 이상의 폴리머층이 만들어지고, 플라즈마 에칭 마스크로 쓰이는 금속 박막은 100 nm 이상의 두께가 필요하다. 그런데 금속을 진공 증착하는 과정에서 기판의 온도는 필연적으로 올라가게 되며, 이는 폴리머 박막의 부피 팽창을 일으키고, 증착 후 상온으로 돌아온 폴리머 박막이 다시 수축하는 과정에서 필연적으로 상부에 코팅된 금속 박막에 스트레스를 유발하게 된다. 이렇게 발생한 금속 박막의 스트레스는 증착 직후에는 아무런 징후를 보이지 않으나, 포토레지스트를 코팅하고 베이킹하는 과정에서 문제를 유발한다. 그림 3에서 증착된 금속 박막 위에 광도파로 패턴을 제작하는 과정에서 관찰되는 크랙 패턴을 나타내었다. 크랙은 폴리머 박막의 두께가 두꺼워질수록 더욱 심각하게 발생하며, 광도파로의 전파 손실률 증가와 광IC 소자 제작실패의 요인이 된다.

Figure 3. Cracks observed when using a metal film as a hard mask for etching. (a) Microscope image of the waveguide pattern with cracks. The cracks appeared during the soft bake of the photoresist film which is coated on top of the 20 nm thick Cr film deposited over the polymer film. (b) Yellow dash lines are drawn along the cracks to emphasize them.

금속 박막을 이용한 광도파로 코어 제작 과정에서 관찰된 금속 크랙 현상을 극복하기 위해, 본 연구에서는 금속 박막을 진공증착하는 대신 원자층 증착(ALD) 공정을 도입하여 크랙이 발생하지 않는 폴리머 광도파로 제작 공정을 개발하였다. ALD 공정은 원자 단위로 두께와 구성을 정밀하게 제어함으로써 기판에 얇은 필름을 증착하는 데 사용된다. 다른 박막 증착 방법들에 비해 상대적으로 공정시간과 비용이 많이 소요된다는 단점이 있지만, 비교적 낮은 온도에서 공정이 가능하고, 각 사이클마다 박막을 한 층씩 추가해 필름 두께와 균일성을 정밀하게 제어할 수 있는 등 장점이 월등하다.

다양한 ALD 증착 재료 중에서 산화알루미늄(Al₂O₃)은 우수한 절연성, 높은 유전율 및 열 안정성으로 인해 일반적으로 사용되는 재료이다. Al₂O₃ 원자층 증착 과정에는 일반적으로 원하는 필름 두께를 형성하기 위한 순차적인 표면 반응이 포함되어 있는데, 우선 기판 준비 과정에서 증착을 방해할 수 있는 오염 물질을 제거하기 위해 기판 표면을 세척해야 하며, 이 과정은 우수한 접착력과 균일한 필름 성장에 영향을 미친다. 증착에 사용되는 전구체(pre-cursor) 재료로는 트라이메틸알루미늄(trimethyl aluminium, TMA)과 물을 이용한다. 전구체에 원자층 박막을 형성하기 위해 그림 4와 같이 반복적인 화학 반응 과정을 이용하는데, 먼저 표면 활성화를 위해 첫 번째 전구체인 TMA를 반응 챔버에 흘려보내어 기판 표면에 흡착시킨다. TMA 분자는 표면 수산기(hydroxyl group, −OH) 또는 기타 반응 부위와의 배위를 통해 표면에 화학적으로 흡착된다. 이후 퍼지(purge) 단계에서 TMA 노출 후, 반응 챔버를 불활성 가스(질소 또는 아르곤)로 채워 과도한 전구체와 부산물을 제거하고 표면 결합된 TMA 분자만 남긴다. 다음으로, 두 번째 전구체인 수증기(H₂O)를 반응 챔버에 흘려보내면 물 분자가 리간드 교환 반응을 통해 표면 결합된 TMA 분자와 반응하여 기판 표면에 수산화알루미늄(Al-OH) 그룹이 형성된다. 이후 다시 한번 불활성 기체를 이용한 퍼지 과정을 거쳐서 챔버 내부와 샘플 표면의 불순물을 제거한 후, 남은 물 분자를 제거하고 표면 수산화물 그룹의 응축을 촉진함으로써 원하는 Al₂O₃ 필름을 완성하기 위해 150 ℃에서 열 어닐링(annealing) 공정을 사용한다. 이후 원하는 두께의 필름이 완성될 때까지 전구체 노출, 퍼지 및 열 처리 주기를 여러 번 반복한다. 그림 5는 실험에 사용된 ALD 증착 장비의 사진이다.

Figure 4. Schematic illustration of the chemical reaction during the atomic layer deposition process. Al₂O₃ atomic layer is formed using Trimethyl aluminum (TMA) and water (H₂O) as precursors.

Figure 5. Experimental equipment used for the atomic layer deposition process. (a) Overview of the equipment and (b) a 4-inch wafer placed on the chuck of the vacuum chamber.

ALD 박막을 이용한 광도파로 제작 공정은 그림 1(b)의 금속 박막을 ALD 공정으로 제작된 Al₂O₃ 박막으로 바꾸어 진행된다. 먼저 하부 클래딩과 코어 폴리머 박막을 실리콘 웨이퍼 상에 형성하고, 폴리머 박막과 Al₂O₃ 박막 간의 접착력을 높이기 위해 산소 플라즈마 표면처리를 진행하여 기판을 준비한다. 이후 ALD 장비를 이용하여 전구체 가스를 0.3초의 펄스 형태로 공급하고, 15초간 질소 퍼지 단계를 거쳐 Al₂O₃ 원자층 증착 사이클(TMA-N₂-H₂O-N₂)을 200회 반복함으로써 20 nm 두께의 박막을 약 2시간에 걸쳐 제작하였다. 엘립소미터를 이용하여 제작된 박막의 두께와 632.8 nm 파장에서의 광학적 굴절률을 측정한 결과, 두께는 20.37 nm, 굴절률은 1.7095로 측정되었다. 이후 그 위에 AZ^® MiR 701 포토레지스트(MicroChemicals GmbH, Ulm, Germany)를 코팅하고, 포토리소그래피로 광도파로 코어 패턴을 형성한 모습을 그림 6에 나타내었다. 우선 넓은 면적에 걸쳐서 표면을 살펴보면 그림 6(a)와 같은 깨끗한 표면을 관찰할 수 있는데, 앞서 그림 3에서 확인한 것과 같은 표면 크랙은 나타나지 않았다. 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하고 BCl₃ 가스를 투입하여 플라즈마 에칭을 실시하면 포토레지스트가 덮이지 않은 부위의 Al₂O₃ 박막을 식각하여 제거할 수 있다. 이후 남은 Al₂O₃ 패턴을 마스크로 이용하고 산소 플라즈마를 이용하여 폴리머 층을 식각한다.

Figure 6. Waveguide fabrication using an atomic layer deposition of Al₂O₃ as a hard mask. (a) Waveguide patterns formed with photoresist on the Al₂O₃ film. Note that no cracks are observed over a large area. (b) Top view of the image of the Al₂O₃ hard mask after etching the polymer core observed using scanning electron microscopy (SEM). The enlarged inset shows the sidewall roughness below 30 nm. (c) Cross-section of the polymer waveguide core and the Al₂O₃ hard mask observed after cleaving the device (the inset shows an enlarged sidewall image). The disconnection of the hard mask near the end facet is due to the elongation of the polymer during cleaving. (d) Polymer waveguide core pattern formed using O₂ plasma etching (output waveguides of the multi-mode interference coupler are shown in the top inset). (e) SEM image of the final waveguide cross-section after removal of the Al₂O₃ hard mask.

폴리머 층 식각 이후 Al₂O₃ 박막의 상부와 측면부의 표면을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 장비로 관찰한 모습을 각각 그림 6(b)와 6(c)에 나타내었다. SEM 관찰 결과 측면 거칠기는 30 nm 미만인 것으로 측정되었다. Al₂O₃ 박막은 일반적으로 1550 nm 파장에서 광학 굴절률이 1.65 이상으로 폴리머 코어보다 굴절률이 높기 때문에 폴리머 코어 에칭 이후 제거하게 되는데, buffered oxide etch (BOE)나 tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH)가 포함된 포토레지스트 현상액을 이용하여 간단히 제거가 가능하다. 제작된 폴리머 광도파로 코어 패턴의 현미경 사진을 그림 6(d)에 나타내었고, 완성한 광도파로를 절단한 후 SEM 장비로 단면을 관찰한 모습을 그림 6(e)에 나타내었다. 이로써 제작된 광도파로의 단면이 곧은 직사각형 형상임을 확인하였다.

ALD 공정을 이용하여 광도파로 코어를 식각하는 공정을 확립한 후, 이를 적용하여 2 × 2 방향성 결합기 소자를 제작하였다. 이를 위해 먼저 1550 nm 파장 대역에서 단일 모드로 동작하는 폴리머 광도파로를 2.0 × 1.5 µm²의 크기로 설계하였으며, 광도파로의 모드 설계정보를 그림 7(a)에 나타내었다. 광도파로 코어로는 불화폴리이미드(n = 1.561) 재료를 이용하였으며 클래딩은 ZPU430 (n = 1.430) 폴리머로 구성하였다. ALD 증착된 Al₂O₃를 마스크로 이용하고 산소 플라즈마로 폴리머 코어층을 식각하였으며, 완성된 코어의 단면은 1.8 × 1.6 µm²의 구조를 지니게 되었다.

Figure 7. Waveguide mode profile and loss measurements. (a) Mode profile of the fundamental mode. (b) Propagation loss measurement through cut-back measurement.

완성된 광도파로의 손실 요소를 분석하기 위해 컷백(cut-back) 방식을 이용하여 다양한 길이의 광도파로의 광손실을 측정하여 그림 7(b)에 나타내었다. 도파손실은 1.47 dB/cm로, UHNA4 광섬유와의 결합손실은 1.07 dB/facet인 것으로 측정되었다. 통상적으로 코어와 클래딩의 굴절률 차이가 0.13으로 크며 광도파로 코어 크기가 1.8 × 1.6 µm²에 불과한 작은 광도파로에서는 에칭된 광도파로 측면의 거칠기에 의해 발생하는 산란 손실이 증가하는데, ALD를 이용한 Al₂O₃ 마스크로 에칭한 측면 거칠기는 SEM 사진에서 본 바와 같이 상대적으로 적었으며, 도파손실은 1.5 dB/cm 이하로 측정되었다.

한편 광도파로에 크랙이 발생하면 일반적으로 1.0 dB/cm의 추가 손실이 발생한다. 특히 본 논문에서 제안한 광도파로 구조와 같이 코어와 클래딩 간의 굴절률 차이가 상대적으로 큰 재료를 이용하여 도파모드 구속력이 높은 광도파로를 제작하면 크랙으로 인한 손실이 더욱 커질 가능성이 있다.

2 × 2 다중모드간섭계(multi-mode interferometer, MMI) 구조를 그림 8(a)와 같이 설계하였다. 인접 광도파로 간 광누화가 발생하지 않도록 5 µm 간격으로 두 광도파로를 배치하였으며, MMI의 폭은 9 µm로 설계하였다. 3D beam propagation method (BPM) 방식을 이용하여 그림 8(b)와 같이 MMI의 길이에 따른 출력광의 분기비를 계산하였으며, MMI 길이를 179 µm로 설정하여 두 출력광의 분기비가 52:48일 때 초과 손실을 최소화(0.05 dB)하도록 하였다. 이때 BPM 시뮬레이션 결과 MMI의 광파워 분포를 그림 8(c)에 나타내었고, 그림 8(d)와 같이 2 × 2 방향성 결합기 소자에 UHNA4 광섬유를 정렬하여 모드를 관찰하였다. 소자의 특성을 측정한 결과 52:48의 분기비를 갖는 것으로 측정되었으며, MMI의 초과 손실은 1.01 dB였다. 광도파로 폭을 구현할 때, 산소 플라즈마 에칭시 폴리머 광도파로의 폭이 줄어드는 것을 고려하여 포토마스크 상의 광도파로 폭을 설계치(2.0 µm)보다 약간 더 길도록(2.2 µm) 제작하였는데, 실제 제작된 광도파로 폭은 1.8 µm였으며 예상한 길이보다 광도파로 폭이 0.2 µm만큼 더 줄어든 것으로 보아 초과 손실이 설계보다 큰 것으로 생각된다.

Figure 8. Polymer waveguide 2 × 2 multi-mode interference (MMI) directional coupler. (a) Waveguide structure of the 2 × 2 MMI coupler. (b) Calculated output powers from the two waveguide output ports and splitting ratio of the 2 × 2 MMI coupler using the 3D beam propagation method (BPM). (c) Acquired optical power distribution using BPM simulation when L_MMI = 179 µm. (d) Output waveguide mode image of the 2 × 2 MMI captured using a charge-coupled device.

폴리머 광도파로 제작 공정을 긴 시간에 걸쳐서 반복적으로 수행해 온 경험에 비추어 보았을 때, 폴리머 도파로 제작용 에칭 마스크 위에 증착한 금속에서 발생하는 크랙 문제는 그간 해결하기 어려운 난제로 남아있었으며 이로 인한 소자 성능의 저하 또한 극복하기 어려운 한계로서 인식되고 있었다. 본 연구실은 최근 반도체 소자 제작을 위하여 활발히 연구되고 있는 원자층 증착 기술(ALD)을 도입하여 이 문제를 해결할 수 있는 가능성을 발견하였으며, 본 연구를 통해 ALD 공정을 이용하면 폴리머 광도파로를 더욱 안정적으로 양산할 수 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 200회 반복적으로 시행된 ALD 공정을 통하여 20 nm 두께의 Al₂O₃ 박막을 1.5 µm 두께의 폴리머 박막 상부에 증착하였으며, 그 위에 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴을 제작하는 과정에서 Al₂O₃ 층에 크랙이 발생하지 않았음을 확인하였다. 이후 Al₂O₃ 패턴을 마스크로 사용하고, 산소 플라즈마를 통하여 코어층을 1.5 µm 두께로 에칭한 결과 사다리꼴이 아닌 직사각형 형태의 광도파로 코어를 제작하였다. 본 연구에서 완성된 광도파로 에칭 공정을 이용하여 2 × 2 방향성 결합기를 제작하였으며, 출력광의 균일도와 도파손실 면에서 특성이 우수함을 확인하였다.

저자들은 ALD 공정에 도움을 주신 부산대학교 재료공학부 권세훈 교수님께 감사를 표합니다.

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음(This work was supported by a 2-Year Research Grant of Pusan National University).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.