Conventional ultrahigh-Q microresonators are fabricated from silica thin films by thermal oxidation of silicon. Since there is a limit in ytterbium and erbium doping when this method is used, a method of fabricating silica thin films by sol-gel process has been studied. However, the microdisks fabricated by the sol-gel process have a disadvantage of high surface roughness. Therefore, to reduce surface roughness, $CO_2$ laser reflow is used in fabrication of microtoroids. Here, the problem is that, damages to peripheral devices and unintentional changes in the structure and size of the microdisks are possible. In this study, the surface roughness of the microdisks fabricated by the sol-gel process method is reduced, making it possible to fabricate the disk resonator without reflow process in the future. A thin film with uniform thickness is produced without causing frequent cracks on the silica thin film surface using sol-gel process. For this purpose, silica thin films with uniform thicknesses without cracks were fabricated by optimizing sol-gel synthesis, spin coating, annealing, and densification conditions for microdisk fabrication. The surface roughnessess of the microdisks fabricated thin film were extremely low. Since microdisks with low surface roughness values can be fabricated, $XeF_2$ etch can be used to make a disk resonator in the future and it is possible to apply it to various types of devices using a larger portion of film because cracks do not occur.
기존의 높은 Q 인자를 가진 광공진기는 실리콘을 열처리로 산화반응 시킨 실리카 박막으로 제작되었지만 이터븀이나 어븀을 도핑하는데 한계가 있기 때문에 졸-겔 공정을 이용한 실리카 박막을 만드는 방법이 연구되었다. 하지만 졸-겔 공정으로 제작한 마이크로 디스크는 표면 거칠기가 높다는 단점을 가지고 있어 $CO_2$ 레이저로 리플로우 공정을 시켜 마이크로토로이드 형태로 만드는 방법만을 사용하였다. 이 때 문제점은 리플로우 공정 과정에서 주변 소자들을 손상 시킬 수 있고 마이크로 디스크의 구조나 크기를 제어하기 힘들다는 점이다. 따라서 본 연구의 목표는 졸-겔 공정으로 제작한 마이크로 디스크의 표면 거칠기를 낮추어 향후 리플로우 공정 없이 디스크 레조네이터 형태로 제작 가능하게 하고 졸-겔 공정에서 실리카 박막 표면에 자주 발생하는 크랙이 생기지 않고 두께가 균일한 박막을 제작하는 것이다. 이를 위해 졸-겔 공정 과정인 졸-겔 합성 조건, 스핀코팅 조건, 어닐링 조건, 고밀도화 조건을 마이크로 디스크 제작에 최적화시켜 크랙이 발생하지 않고 두께가 균일한 실리카 박막을 제작하였고, 이 박막으로 제작한 마이크로 디스크의 거칠기가 낮은 표면을 얻었다. 표면 거칠기가 낮은 마이크로 디스크 제작이 가능해졌기 때문에 향후 $XeF_2$ 식각을 통해 디스크 레조네이터 형태로 연구가 가능하고 크랙이 생기지 않기 때문에 대면적을 이용한 다양한 형태의 소자로 응용이 가능할 것으로 보인다.
