이방성 습식식각을 이용한 기판 표면에 대해 45° 기울어진 마이크로 빔스플리터의 제작

Abstract

본 논문에서는 미세광학소자의 3차원집적에 적용이 가능한 기판 표면에 45° 기울어진 실리콘 마이크로 빔스플리터를 최초로 제안하였다. 또한 이방성 습식식각 공정을 기반으로 하여 일괄공정에 적합하고 단가 절감에 유리한 빔스플리터의 제작 방법을 소개하였다. 제안한 빔스플리터의 정밀한 제작을 위해 습식식각의 단일 트랜치 모델링과 〈110〉 방향의 식각타이머 구조를 고려하여 공정변수를 설계하였다. 결과적으로 제안한 빔스플리터는 대면적의 {100} 면을 얻을 수 있는 이방성 습식식각 공정과 기판 양면의 습식식각을 통해 성공적으로 제작되었다. 제작된 마이크로 빔스플리터는 기판 표면과 45°의 각도를 가진 것으로 확인되었으며 빔스플리터의 면적과 두께는 각각 0.104 mm*mm, 28.3±7.5 μm로 평가되었다. 제작된 빔스플리터의 치수를 분석함으로써 설계와의 형상오차가 발생하였음을 확인하였고 오차의 원인에 대하여 토의하였다. 이를 통해 습식식각 공정을 이용한 빔스플리터 제작의 유효성과 문제점을 확인하였다. 제작된 마이크로 빔스플리터가 구비된 미세광학대는 35 nm의 C밴드대역폭 전체에서 약 2.98:1의 균일한 광분리비를 보이는 것으로 확인되었다. 또한 해당 파장대역에서 23%의 광전달효율을 갖는 것으로 확인되었다. 이를 이용하여 FMCW LiDAR(frequency-modulated continuous wave light detection and ranging)를 구현할 경우 가용한 종축방향 거리정밀도는 최소 34 μm인 것으로 계산되었다. 제안한 마이크로 빔스플리터는 실리콘 기판을 기반으로 하여 제작되기 때문에 기존의 45° 마이크로 빔스플리터와 비교 시 열 및 기계적 안정성이 우수하다. 또한 습식식각 공정으로 제작이 가능하기 때문에 웨이퍼레벨(wafer-level)의 일괄공정(batch process)을 통한 미세광학계의 3차원집적이 가능하다. 따라서 본 논문에서 제안한 마이크로 빔스플리터는 기존의 마이크로 빔스플리터를 이용한 미세광학계의 3차원집적 시 발생 할 수 있는 생산성과 안정성의 문제를 동시에 해결 할 수 있다. 또한 제안한 빔스플리터를 적용한 FMCW LiDAR의 미세광학계를 3차원으로 집적하여 구현하면, 종축방향으로 정밀도가 수십 마이크로미터 수준인 칩 형태의 FMCW LiDAR 모듈의 구현이 가능할 것이라 기대된다.

In this paper, we proposed the first 45° slanted silicon micro-beamsplitter capable of 3D integration of micro-optics. Also, we introduced the fabrication method of the proposed silicon micro-beamsplitter based on anisotropic wet etch which is cost-effective and compatible to silicon-based semiconductor process. The proposed micro-beamsplitter was successfully fabricated using anisotropic wet etch process which can obtain large-area {110} planes in (100) silicon wafer. The angle between the {110} planes and (100) surface was measured by 45° and thickness and surface area of fabricated micro-beamsplitter were 28.3±7.5 μm and 0.104 mm*mm. The optical bandwidth showing uniform light splitting property was calculated by 4.29 nm corresponding to 0.28 mm of longitudinal depth resolution of FMCW LiDAR (frequency-modulated continuous wave light detection and ranging). Finally, validity and drawback of the proposed fabrication method was discussed by analyzing the form error between designed and fabricated micro-beamsplitters. The fabricated micro-optical bench having beamsplitter was optically characterized by the optical measurement setup with a tunable laser. The micro-optical bench shows optical splitting ratio as 2.98:1 and overall transfer efficiency of 23.0%. The proposed 45° micro-beamsplitter has high thermal and mechanical stability compared with the previous beamsplitters due to the utilization of crystalline silicon. Also, using the proposed beamsplitter, 3D integration of micro-optical elements by wafer-level batch process is available owing to fabrication method based on MEMS technology. Therefore, the proposed micro-beamsplitter is expected to solve current issues related with productivity and stability of 3D-integrated micro-optical systems. Moreover, employing the proposed beamsplitter on 3D integration of micro-optics will help to realize the chip-sized FMCW LiDAR module with smaller than 1 mm of longitudinal depth resolution.