這一個章節將介紹埋藏式高分子波導製造流程[8,12]，在 3-1 我們會介 紹製程的簡單流程，而在 3-2 會詳細說明每一個製程流程的條件參數及實 驗目的，最後 3-3 我們會對製程結果做一個討論及分析 ?
3-1. 製程流程圖
Cr 金屬蒸鍍
光微影術
Cr 金屬濕蝕刻 SiO2乾蝕刻
BCB 塗鋪及固化 BCB Etch back
Sol-gel 塗鋪及 固化 Sample 清潔
及烘乾
圖 3-1 波導製程流程圖
3-2.埋藏式高分子波導製程說明
步驟(一)：Sample 清潔及烘乾
(1)將 Sample 置於 Acetone(丙酮)溶液中，在超音波震盪機內，以震度九的 強度，清洗二十分鐘 ?
(2)將 Sample 置於 Isopropyl Alcohol (異丙醇)溶液中，在超音波震盪機內，
以震度九的強度，清洗二十分鐘 ?
(3)將 Sample 置於 DI water(去離子水)溶液中，在超音波震盪機內，以震 度九的強度，清洗二十分鐘 ?
(4)將 Sample 以去離子水沖乾淨，用氮氣槍吹乾後至於烤箱中，在 120℃
下烘烤 60 分鐘 ?
步驟(二) ：金屬 Cr 熱蒸鍍(Thermal Evaporation ) 蒸鍍條件:
1.腔體壓力：5.0×10-6 torr 2.蒸鍍電流：75 Amp
3.蒸鍍速率：0.4
Å
/sec4 .蒸鍍厚度：3000 Å
步驟(三)：
光微影術(Photo-lighthography)
(1) 以光阻塗鋪禨將 AZ4210 型的光阻，以 500rpm 的轉速旋轉 10 秒再 以 5500rpm 的轉速旋轉 40sec，塗鋪至 sample 上?
(2) 在 hot plat 上以 100℃加熱 90sec 使光阻軟烤，然後在 I-line 下曝光 45sec，在 AZ4000 型的顯影液中顯影 30~40sec?
(3) 在熱墊板上以 120℃加熱 120sec 使光阻硬烤，目的是為了增加光組 及 Cr 金屬間的的吸附力，以當作濕蝕刻時的保護層?
步驟(四)：Cr 金屬濕蝕刻(wet etching)
(1) 在 120ml 的燒杯中盛裝 100ml 的 Cr-7T 鉻蝕刻液，溫度為室溫?
(2) 將 sample 以氮氣槍吹乾淨後，在 Cr-7T 中蝕刻約 60sec 後沖水，再以 氮氣槍吹乾，蝕刻率為 50Å/sec ，在進行乾蝕刻前需將金屬保護層上 之光阻清理乾淨 ?
步驟(五):SiO2乾蝕刻
(1) 先以活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch, RIE )去除 sample 上殘餘的光 阻，乾蝕刻參數如下：
(2)
乾蝕刻參數 數值
RIE power 80W
操作氣壓 15 mtorr
氣體流量(O2) 6 s.c.c.m
操作時間 10 min
(3) 接下來我們再以活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch, RIE )和電子環繞共 振式(Electron Cyclotron Resonance, ECR)蝕刻，在 SiO2層中蝕刻出波 導的槽溝結構，其參數如下：
表 3-1 光阻乾蝕刻參數表
乾蝕刻參數 數值
POWER RIE=100W; ECR=200W
操作氣壓 8~10mtorr
氣體流量(SF6) 6 s.c.c.m
操作時間 83 min
蝕刻率 602 A°/min
步驟(六)：Cr 金屬保護層移除
(1) 乾蝕刻製程結束後，將 sample 至於 Cr-7T 鉻蝕刻液中，目的是為了移除 Cr 金屬層 ?
步驟(七)：BCB 塗鋪及固化
(1) 將已蝕刻完波導之槽溝結構的 Sample 以氮氣槍吹淨後，以兩段式轉速 將 BCB 塗鋪至 Sample 上，轉速和時間分別為：500rpm 時間 60sec 和 5000rpm 時間 40sec ?
(2) 然後再將以塗鋪完 BCB 之 Sample 至於烤箱以 70℃的溫度烘烤 20 分 鐘，在烤箱中加熱是為了表面形狀之定型，在來我們將 sample 至於真空 腔體中以下加熱曲線圖加熱使其達到真正的固化 ?
表 3-2 SiO2乾蝕刻參數表
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Curing Time (min) Temperature(℃ )
步驟(八)：BCB etch back
(1) 為了平坦化 BCB表面，在進行 etch back 前需要塗鋪一層光阻 AZ4620，
其塗鋪轉速為 4000rpm，時間為 40sec ，然後將塗鋪完光組的 Sample 在 hot plate 上以 120℃加熱 120sec ?
(2) 然後我們以乾蝕刻的方式，去回蝕 BCB 和光阻直到 BCB 的表面和槽 圖 3-2 BCB 加熱固化圖
溝的頂部齊高，其蝕刻條件如下：
乾蝕刻參數 數值
蝕刻功率 RIE=100W, ECR=200W 操作壓力 8~10 mtorr
氣體流量 SF6=6 s.c.c.m ; O2=4 s.c.c.m
蝕刻速率 1967 Å/min
步驟(九)：sol-gel 塗鋪及固化
(1) 將 Sample 以氮氣槍吹乾淨後，在以 5000rpm 的轉速，時間為 40sec 塗 鋪 sol-gel 材料 ?
(3) 再將塗鋪完 sol-gel 之 sample 至於烤箱中，以下圖之加熱曲線加熱使其 達到固化：
表 3-3 BCB 回蝕參數表
0
(2)光微影術：
(5) SiO2乾蝕刻：
(6)鉻金屬移除：
(6)BCB 塗鋪及固化：
SiO2
Silicon
SiO2
Silicon BCB SiO2
Silicon
Silicon Silicon Silicon
Cr
(6) 塗鋪光阻平坦化 BCB：
3-3. 實驗結果與討論
我們利用以上的製程，成功地製作出埋藏式高分子波導，而在製程中有幾 個需要注意的地方：
(1) Cr 金屬的厚度：
在此我們所取得之已長好 SiO2厚膜的矽基板，經實驗發現，若蒸鍍之金 屬厚度為 3500Å 時，在 sample 進行濕蝕刻製程時，Cr 會有龜裂的情形，
因此我們把 Cr 的厚度降低至 3000 Å，避免濕蝕刻時的應力變化太大，造成 Cr 的龜裂?
(2) 濕蝕刻完後光阻的清除：
當我們結束濕蝕刻製程後，在乾蝕刻製程前，若是在 Cr 金屬上殘餘大 部分光阻的話，可能會造成槽溝測邊蝕刻形狀不佳，以及在乾蝕刻時槽溝 底部會有高分子沉積物的產生，所以我們在濕蝕刻製程後，將 sample 浸泡 於 50℃~60℃的丙酮中，然後再以丙酮沖去大部分的光阻，再以異丙醇和 去離子水沖淨後，最後以氮氣槍吹乾即可?
(3) SiO2乾蝕刻的時間：
為了避免乾蝕刻時 sample 表面溫度變化太大，經過測試後決定每次乾 蝕刻操作時間為 5 分鐘，sample 溫度變化小於 3℃，目的是為了防止，因
sample 表面溫度變化太大，導致波導槽溝內的表面粗糙，造成光在波導內 行進時有較大的散射損耗?
以上幾點則為此波導製程中需要注意的點，而在圖 3-5 為 SiO2乾蝕刻 完後的波導槽溝的截面 SEM 圖，由圖所示為一寬 5µm 高為 5µm 的槽溝結 構，其表面粗糙度不大，因此推論光在波導內行進時不會有太大的散射損 耗 ?而圖 3-6 為完整波導截面圖，如圖所示由上而下依序為：sol-gel 頂披覆 層、BCB 導光層、SiO2底披覆層、Silicon substrate ?
圖 3-5 為波導槽溝截面圖
圖 3-6 為完整波導截面圖
第四章 高分子埋藏式波導量測與分析
在本章會說明波導元件量測前的封裝?、切割以及研磨處理，再來將介 紹量測波導元件特性的光學系統，最後會針對所量得之波導元件之參數做 一個說明 ?
4-1 埋藏式高分子波導封裝：
當 sample 完成波導製作之製程後，在量測之前需要先做封裝研磨的處 理，以降低波導與雷射光耦合時的偶合損耗 ? 首先，將 sample 以氮氣槍吹 乾淨後放置平台上，在 sample 中央滴上適量之 UV 膠，然後蓋上 Pyrex-7740 玻璃，在 sample 上施以適當壓力，將多餘的 UV 膠和氣泡擠出，再以 UV 曝光機對 sample 和 Pyrex-7740 玻璃間的 UV 膠加以曝光固化，即完成波導 元件的封裝，圖 4-1 為波導元件封裝後之截面結構圖?
4-2. 高分子埋藏式波導切割及研磨:
將封裝好的波導元件底部擦拭乾淨後，然後將波導元件置於 Blue-tape 上，放置切割機之真空吸附陶瓷工作盤上，以鑽石刀切割
已封裝好之波導元件之前後端，使其元件量測頭尾端面露出，切割過
程中需以冷卻水冷卻切割面以及鑽石刀，避免因溫度過高而造成切割端面 及鑽石刀片的損壞 ?
接著，將切割完之波導元件放置於我們所設計之夾具，使量測端面露 出以便研磨，將夾具放至於切割機上之孔洞，在拋光絨布上進行拋光，首 先以顆粒孔徑為 0.3µm 的 Al2O3溶液進行拋光，而向下施加之壓力為 5 牛 頓，分別順時針拋光 90sec 和逆時針拋光 90sec，然後以超音波震盪機將其 上之 Al2O3顆粒清除 ; 再以顆粒孔徑為 0.05µm的 Al2O3溶液進行拋光而向 下施加之壓力為 5 牛頓，分別順時針拋光 120sec 和逆時針拋光 120sec，然 後以超音波震盪機將其上之 Al2O3 顆粒清除，以顯微鏡觀察後用氮氣槍吹 乾淨便可量測其波導元件之特性?而圖 4-2 為切割完之波導截面圖，如圖所
Silicon substrate
SiO2 UV-epoxy Pyrex-7740
BCB
Sol-gel
圖 4-1 波導封裝後之截面結構圖
示，經過切割之截面稍顯粗糙，故推論會有較大的耦合損耗，而圖 4-3 為 研磨完之波導截面圖，其截面經過二段式拋光後，呈現平滑面，因此推論 經過拋光後波導元件的耦合損耗會被降低 ?
圖 4-2 波導元件切割後之截面圖
圖 4-3 波導元件研磨後截面圖
4-3. 光學量測系統架設
為了量測已封裝好，並完成切割研磨程序之波導元件，需要架設一個 光學量測系統量測[11,12]波導元件的特性，其光學系統構造如所示?首先，
我們在系統的 coupler(耦合器)的 input 端光纖，其中一端利用透鏡打入波長 為 632.8nm 的 Hi-Ne Laser，做為量測時的對準光源 ; 而在另一端的 input 端光纖，則打入 1.3µm 的 laser diode(雷射二極體)光源，做為波導的損耗量 測光源 ? 接著，將 coupler 的 output 端光纖所打出的光，經過透鏡，再經 過 polarizer(極化器)，再經過透鏡聚焦到波導元件的 input 端，在系統的這 個部分可改變極化器的方向，分別量測 TE 極化和 TM 極化方向，光在波導 內部行進時的傳播損耗 ? 再來利用透鏡將波導元件 output 端的光聚焦至 detector(光檢測器)的中心，而 detector 則連接至 HP 4155 半導體參數分析 儀，detector 可將所檢測到的光強度，轉換成電流訊號，再利用 HP 4155 半 導體參數分析儀，便可計算實際量測到的光強度?最後，我們將所量測之電 流訊號帶入公式(1)中，即可計算 1.3µm lader diode 光源在波導元件裡所產 生的產生的傳播損耗 (propagation loss) ?而我們計算波導元件傳播損耗的 方法是回切法( cut-back method)[10]，也就是利用量測同一波導元件不同長 度的損耗，再由損耗及波導長度之相關對應圖中，來得知波導元件的傳播 損耗及偶合損耗 ?如以下公式所示， Pi 為波導輸入之光功率，Po 為波 導輸出功率，將波導輸出功率除以波導輸入功率的結果取 dB 值，即為波導
元件的損耗? 極化方向為 0.98dB/cm，極化相依損耗為 0.06dB/cm，而其耦合損耗為 TE 為 1.78dB ,TM 為 1.66dB?
TE:y = -0.9185x - 1.7839 Parameter analyzer 1310nm
Waveguide
Lens
Detector
第五章 實驗結果與討論
本論文提出了一個製作埋藏式高分子波導的方法，包括從材料的特性 研究，以及波導結構的設計，還有波導場型分布理論的模擬，此外也完成 了波導元件的的實際製作及特性量測 ?
在材料方面，這是第一次使用 sol-gel 混合型材料來製作波導元件，雖 然它在應用上十分方便，但由於 sol-gel 的材料尚在研究開發階段，機械特 性如：硬度和穩定度都有很大的改良空間，良好特性的 sol-gel 混合型材料 應該在波導製作上具備很大的優勢?
而且我們也利用 BPM CAD在理論上模擬了所設計的波導元件的場型分 布，以及波導內部的模態數目 ? 並且製作了埋藏式高分子波導，量得其傳 播損耗在 TE 極化方向為: 0.92dB/cm ，TM 極化方向為:0.98dB/cm ，極 化相依損耗為 0.06dB/cm，而耦合損耗為 TE: 1.78dB , TM : 1.66Db ?
在製程方面需要再對 sol-gel 混合型材料，做一些關於材料特性上的測 試，以更多了解 sol-gel 材料在波導元件上的應用，藉著特性參數的改良，
會使波導元件有更好的效率?
參考文獻
1. A. Kilian, J. Kirchof, G. Przyrembel, W. Wischmann, ?Birefringence free planar optical waveguide made by flame hydrolysis deposition (FHD) through tailoring of the overcladding, ? Journal of Lightwave Technology, , Vol. 18 , 0 pp. 193 -198,Feb 200
2. B.L. Booth,?Low loss channel waveguides in polymers, ? Journal of
2. B.L. Booth,?Low loss channel waveguides in polymers, ? Journal of