光波導元件之製作 - 以混成玻璃材料製作之單模態埋藏式光波導

在光波導元件的製作中，此種形式的波導具有結構簡單，易於製

作等優點，其製程步驟如下：

步驟（一）：試片清洗

(1) 在矽基板上以 PECVD 方式成長約 7µm 厚的 SiON，然後將試片泡入丙酮（Acetone）中，置於超音波震盪機內，以強度 9 清洗 20 分鐘。

(2) 接著再將試片泡入異丙醇（Isopropyl Alcohol）中，同樣以超音波震盪器強度 9 清洗 20 分鐘。

(3) 再接著將試片泡入去離子水（DI water）中，以超音波震盪器強度 9 清洗 20 分鐘。

(4) 最後將試片沖水吹乾，置於 120℃烤箱內烘烤 60 分鐘。

步驟（二）：蝕刻保護層金屬鉻的成長

(1) 將清潔完畢的試片以熱蒸鍍方式鍍上一層金屬鉻（Cr）保護層，

因為金屬鉻對於蝕刻底材 SiON 具有極高的選擇比（Selectivity），

非常適合作為我們後段乾蝕刻製程的蝕刻保護層。

(2) 在熱蒸鍍的過程中，我們考慮的，除了金屬對於蝕刻底材的保護能力之外，亦須考慮其厚度對於黃光及濕蝕刻時的解析度問題。

而我們選擇的蒸鍍條件如下表：

腔體壓力 5×10^-6Torr

蒸鍍電流 75~80 A

蒸鍍速率 0.4 Å/sec

蒸鍍厚度 2400 Å

表 4-1-1. 熱蒸鍍金屬鉻之條件。

步驟（三）：黃光微影

(1) 接著我們將利用黃光微影術去定義波導的線路。我們先以旋轉塗佈機（Spin coater）去旋轉塗鋪光阻 AZ 4210，旋鋪條件為：

第一段轉速 轉速 500rpm，時間 10 秒 第二段轉速 轉速 5500rpm，時間 40 秒

表 4-1-2. 光阻 AZ-4210 旋鋪之條件。

(2) 將試片以 hot plate 進行軟烤，溫度 100℃，時間 90 sec，以利於我們曝光以及避免黏沾光罩。

(3) 以 I-line(波長:365nm)光罩對準機曝光 16 秒，再以稀釋濃度為 20

％之顯影劑 AZ 400K，顯影 26 秒。

(4) 定義出想要的波導線路之後，再將試片置於 hot plate 上進行硬烤，溫度 120 ℃，時間 120 秒，以增加光阻對金屬鉻的附著力。

步驟（四）：濕蝕刻

(1) 以燒杯盛裝 100ml 之 Cr-7T 鉻蝕刻液，蝕刻 Cr 約 40sec 以定義出凹槽的位置，蝕刻率約為 50 Å/sec。

步驟（五）：光阻去除

(1) 在進行乾蝕刻之前，我們必須將濕蝕刻完的試片泡在丙酮中約 30 分鐘，再以異丙醇及去離子水去沖洗試片上殘餘的光阻。

步驟（六）：乾式蝕刻（Plasma-etching）

(1) 首先以活性離子蝕刻(RIE，reactive ion etch)清除試片表面殘餘的光阻，以避免殘餘的光阻成為乾蝕刻時的污染源。蝕刻條件為：

背景壓力 1.5×10^-5Torr 反應氣體 O₂＝ 6 sccm 蝕刻功率 RF power ＝ 80W

操作氣壓 15 mTorr

表 4-1-3. 乾蝕刻光阻之條件。

(2) 再以 RIE 及電子環繞共振式蝕刻（ECR，electron cyclotron resonance）在 SiON 上蝕刻出深 1.75µm 的槽溝，操作時間約為 47 分鐘，蝕刻參數為：

背景壓力 1.5×10^-5Torr 反應氣體 SF₆＝ 6sccm 蝕刻功率 RIE power = 100 W

ECR power = 200 W

操作氣壓 7~9mTorr

表 4-1-4. 乾蝕刻 SiON 之條件。SiON 的蝕刻速率 約為 0.036µm/min。

步驟（七）：移除保護層

(1) 將試片泡在 100 ml 之 Cr-7T 蝕刻液中約 20 分鐘，去除試片上面殘餘的保護層 Cr。

步驟（八）：旋鋪導光層

(1) 以 spin coater 旋鋪導光層 sol-gel 玻璃約為 6µm，旋鋪條件為：

第一段轉速 轉速 500rpm，時間 10 秒 第二段轉速 轉速 950rpm，時間 30 秒

表 4-1-5. 旋鋪 sol-gel core 之條件。

(2) 將旋鋪上 sol-gel 玻璃的試片放進烤箱中，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱至 80℃，然後持溫 30 分鐘，進行預烤（Prebake）

定型。

(1) 以 spin coater 旋鋪 sol-gel cladding 材料於導光層材料上，轉速為

固化。此時已完成整個波導元件的製作。

圖 4-1-3. 第一種波導製作完成之截面圖。

以下為整個波導元件製作流程示意圖：

(1) 清洗試片

(2) 熱蒸鍍金屬鉻

Si substrate SiON SiON

Sol-gel core Sol-gel cladding

SiON

(3) 黃光微影

(4) 濕蝕刻金屬鉻

(5) 光阻去除

(6) SiON 乾蝕刻

Si substrate SiON

(7) 移除保護層金屬鉻

(8) 旋鋪導光層 sol-gel core

(9) 旋鋪頂批覆層 sol-gel cladding Si substrate

SiON

Si substrate SiON

Core

Si substrate SiON

Core Cladding

3-2. 埋藏式光波導（二）製作流程

詳細的製作過程步驟如下：

步驟（一）：試片清洗

(1) 將 silicon wafer 依序泡入丙酮（Acetone），異丙醇（IPA）及去離子水（DI water）中，並分別置於超音波震盪機內，各以強度 9

步驟（三）：電漿助長化學氣相沈積法沈積 SiON

(1) 將已成長二氧化矽厚度約 6μm 左右的 wafer 再度以丙酮，異丙醇及去離子水清洗過一次。

(2) 將清潔好的 wafer 以 PECVD 的方式沈積厚約 10μm 的 SiON 厚膜。我們借用中華電信研究所的 Oxford System 100 for PECVD 設備，如圖 4-2-3 所示。所使用的反應氣體為 N2O 和以 N2稀釋為 10%的 SiH4。我們所採用的是低流量製程（Low flow process），即反應氣體總流量較低[13]。而藉由調整 N2O/SiH4流量的比例，

我們可控制成長不同折射率的 SiON 厚膜。我們將洗淨的 wafer 放置於 heated plate 上，然後將 heated plate 的溫度加熱至 350℃，

而腔體內溫度提高至 60℃。再將兩種反應氣體流量比例調至 18 倍左右，並通入 N2使總氣體流量維持穩定，持續沈積 53 分鐘左右，即可沈積厚約 10μm，折射率為 1.494 左右的 SiON 厚膜，

所使用的條件如下：

操作氣壓 1.19 Torr RF（13.56 MHz）power 110 W

N2O/SiH4流量比 18 SiH₄（10％）流量 236 sccm

N2O 流量 426 sccm

N₂流量 321 sccm

沈積速率 0.19μm/min

表 4-2-1. 以 PECVD 沈積 SiON 之氣體流量條件。

圖 4-2-3. PECVD 系統示意圖。

MFC

Process Gas（SiH4，N2O）

Plasma

Wafer Heated plate

Shower head

Gas flow

Pumping

步驟（四）：熱蒸鍍金屬鉻

(1) 將沈積完 SiON 的 wafer 切成 3.5 cm x 3.5 cm 的大小，然後再度清潔試片，最後將試片固定在夾具上，送進熱蒸鍍機蒸鍍蝕刻保護金屬鉻。蒸鍍條件如下：

腔體壓力 5×10^-6Torr

蒸鍍電流 75~80 A

蒸鍍速率 0.4 Å/sec

蒸鍍厚度 3000 Å

表 4-2-2. 金屬鉻熱蒸鍍條件。

步驟（五）：黃光微影

(1) 接著我們將利用黃光微影術去定義波導的線路。首先旋轉塗鋪光阻 AZ 4210，旋鋪條件為：

第一段轉速 轉速 500rpm，時間 10 秒 第二段轉速 轉速 5500rpm，時間 40 秒

表 4-2-3. 光阻 AZ-4210 旋鋪之條件。

(2) 將試片以 hot plate 進行軟烤，溫度 100℃，時間 90 sec。

(3) 以 I-line(波長:365nm)光罩對準機曝光 10 秒，再以稀釋濃度為 20

％之顯影劑 AZ 400K，顯影 65 秒。

(4) 用氮氣槍將試片吹乾，再置於 hot plate 上進行硬烤，溫度 120 ℃，

時間 120 秒。

步驟（六）：濕蝕刻

(1) 以 120 ml 之燒杯盛裝 100ml 之 Cr-7T 鉻蝕刻液，蝕刻 Cr 約 40sec 以定義出凹槽的位置，蝕刻率約為 50 Å/sec。

步驟（七）：光阻去除

(1) 將濕蝕刻完的試片泡在丙酮中約 30 分鐘，再以異丙醇及去離子水去沖洗試片上殘餘的光阻。

步驟（八）：SiON 乾蝕刻

(1) 首先以活性離子蝕刻清除試片表面殘餘的光阻，條件為：

背景壓力 1.5×10^-5Torr 反應氣體 O₂＝ 6 sccm 蝕刻功率 RF power ＝ 80W

操作氣壓 15 mTorr

表 4-2-4. 乾蝕刻光阻之條件。

(2) 接著再以活性離子蝕刻及電子環繞共振式蝕刻在 SiON 上蝕刻出深 5µm 的凹槽，操作時間約為 105 分鐘，SiON 的蝕刻速率約為

0.046µm/min，保護層鉻的蝕刻速率約為 0.0026µm/min。蝕刻選擇比約為 1：18。蝕刻參數為：

背景壓力 1.5×10^-5Torr 反應氣體 SF6 ＝ 6sccm 蝕刻功率 RIE power = 100 W

ECR power = 230 W

操作氣壓 7~9mTorr

表 4-2-5. 乾蝕刻 SiON 之條件。SiON 的蝕刻速率 約為 0.046µm/min。

（2）乾蝕刻完成後，將試片泡入 Cr-7T 溶液中，去除殘餘的蝕刻保護層金屬鉻。圖 4-2-4 為乾蝕刻後之凹槽截面圖。

圖 4-2-4. SiON 乾蝕刻凹槽之 SEM 圖。

步驟（九）：旋鋪導光層 sol-gel 玻璃

(1) 在先前的材料測試階段，我們發現 sol-gel 玻璃材料回流特性不錯，而且在製程解析度上的考量，我們希望旋鋪的 sol-gel 薄膜越薄越好，一方面在第二次黃光製程時可以提高曝光顯影的解析度，另外又可避免因 sol-gel 膜太厚而容易黏沾光罩的問題。本實驗室的旋轉塗佈機其旋轉速率可以達 6100rpm，經測試在此轉速下 sol-gel 薄膜厚度可以低於 1.5µm。於是我們將旋鋪條件設定為：

Etchant= SF6

RIE= 100 W ECR= 230 W 7~9 mTorr

第一段轉速 轉速 500rpm，時間 10 秒 甲基乙醚醋酸鹽（PGMEA，propylene glycol methyl ether acetate）

60c.c.的混合溶液中，經過大約 15 秒便能將未曝光部分的 sol-gel 玻璃給去除。接著再依序將試片放進甲醇（Methanol）及去離子

水中，以氮氣槍吹乾之後放入烤箱，以圖 4-1-2 的加溫固化曲線升溫使 sol-gel 玻璃加熱固化。圖 4-2-5 即為 sol-gel 玻璃填滿凹槽的情況，我們特地為波導線路左右各保留了 2~3μm 製程容許誤差。

圖 4-2-5. Sol-gel 玻璃經曝光顯影後之 SEM 上視圖。

步驟（十一）：旋鋪頂批覆層 UV glue

(1) 在波導材料 sol-gel 玻璃植入凹槽且固化完成後，還必須在其上鋪蓋頂批覆層的材料。我們選擇使用本實驗室所購買的 OG-125 UV 膠，當作埋藏式波導的批覆層。此 UV 膠經旋鋪在矽基板測試，

以稜鏡耦合器量得其折射率約為 1.46。而我們以兩階段轉速 500 rpm，時間 10 秒以及 900 rpm，時間 30 秒所旋鋪出來的 UV 膠厚

Sol-gel

Trench

度則有 11μm 左右。

(2) 我們以此條件，將 UV 膠旋鋪在試片上。然後以 UV 燈照光約 180 秒，即可達成批覆層材料的固化。

步驟（十二）：波導元件封裝

(1) 在前一步驟整個波導元件已經製作完成。而為了增加元件對環境如水氣，溫度變化等的抵抗力，我們在元件上會再塗鋪一層 UV 膠，然後貼上 Pyrex-7740 玻璃並以 UV 燈照光，完成元件的封裝。

整個波導元件製作過程示意圖如下：

(1) 清洗 wafer 以及熱氧法成長二氧化矽

(2) 以 PECVD 方式沈積 SiON

Si substrate

Thermal Oxide

SiO

₂

Si substrate

Thermal Oxide

SiON

(3) 熱蒸鍍金屬鉻

(6) 乾蝕刻及去除殘餘的金屬鉻

(7) 旋鋪 sol-gel 玻璃

(8) sol-gel 玻璃曝光

SiO

₂

Si substrate

Thermal Oxide

SiO

Si substrate

Thermal Oxide

Core

SiO

Si substrate

Thermal Oxide

mask

Core UV light

(9) sol-gel 玻璃顯影

(10) 旋鋪批覆層材料 UV glue

(11) 封裝

SiO

₂

Si substrate

Thermal Oxide

Core

SiO

Si substrate

Thermal Oxide

Cladding

Core

SiO

₂

Thermal Oxide

Cladding

Core

UV glue

Pyrex-7740

4-3. 製程分析與討論

在製作結構（一）光波導的過程中，我們特別注意到在旋鋪 sol-gel cladding 材料時，其材料時容易回流至試片的背面，如果在進烤箱之前未把黏沾在試片背後的材料給清除乾淨，將會造成材料固化之後試片底部的不平坦，而影響到試片在切割時因無法緊密黏附於 blue tape 上，使的試片在切割時飛脫或是傷害鑽石切割刀。而關於材料黏稠度的問題，將由提供材料的工研院化工所繼續研發改善。

另外在進行結構（二）光波導的製程時，有幾個問題必須特別注意。首先是光罩黏沾問題。混合 sol-gel 玻璃材料最大的特色在於它具有類似光阻可曝光成像的特性，一開始我們利用此一特性，在填鋪上 sol-gel 玻璃之後，再使用同一片光罩做第二道曝光顯影製程，將波導線路曝光而用溶劑將未曝光的區域給去除。而為了增強 sol-gel 玻璃的曝光成像特性，在 sol-gel 薄膜曝光之前必須為濕膜狀態。如果採用傳統接觸式曝光的製程，很容易使 sol-gel 薄膜黏沾光罩造成

在文檔中以混成玻璃材料製作之單模態埋藏式光波導 (頁 42-71)