彎曲損失與其可調制之機制

一般而言，光波導彎曲所造成的損失[15-24]，是由於光波導的彎 曲造成中心軸不在同一直線上，當傳播模態光在 core 與 cladding 的介 面處產生全反射，使得部分光束的入射角小於臨界角，而無法滿足全 反射的條件，使得部分的傳播模態光折射入cladding 中形成輻射模態

（radiation modes）向外逸散，造成光功率的損失，如圖 2.3 所示。

圖2.3 彎曲所造成的損失

播常數，t 是波導寬度，n₂，n₁，n₃分別是core，substrate，cladding

（dndT ^≅

− 3 . 0

^×

10

⁻⁴）的高分子聚合物材料做導光層，藉由改變導 光層的溫度(T)來改變導光層的折射率n T₂( )進而來改變衰減值2α 。

2.3 可變光學衰減器之設計與模擬

利用波導彎曲來造成光能量衰減的原理，我們設計了一個由雙重 彎曲（S-Shape）、嵌入式的波導（embedded waveguide）所組成的可 變光學衰減器（Variable Optical Attenuator；VOA），如圖 2.5 所示，

整體架構為長4850µm，寬 640 µm。此架構是由兩個形狀相同的彎曲 波導所相接組成的，其衰減量會比單獨只有一個彎曲的波導所組成光 學衰減器來的大[25]，而且其輸入與輸出之傳播的方向不會因為彎曲 而改變。

圖2.5 S 型光波導結構俯視圖

圖 2.6 為模擬光波在此架構中傳播，光場經由輻射場（radiation mode）形式，在兩處彎曲處，將能量逸失，造成能量衰減的現象。

圖 2.6 S 型波導之光場衰減輻射場型

由方程式(2-30)可知當 core 的折射率n T₂( )越接近 substrate 的折 射率n₁時，衰減值2α 越大。因此，我們在此元件的材料選取上 core 與substrate 在室溫下的折射率越接近，衰減的效果越顯著，也就是說 在材料選取上要匹配 core 與 substrate 的折射率，我們所選用的材料

（embedded optical waveguide）如圖 2.7 所示，波導的深度為 7µm，

寬度為6µm。另外，我們請 IPG Corp.調配出與 Schott BK7 折射率接

圖 2.7 S 型光波導橫切面圖

0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.013 -20

以折射率為座標之圖2.9 可轉換成以溫度為座標的圖 2.12。經由 我們模擬的結果，從溫度 13℃升高溫度到 46℃，我們所設計的衰減 器其衰減量可以達到20dB。

10 15 20 25 30 35 40 45 50

-20 -15 -10 -5 0

1550 nm,T/O=-1.8*10^-4

Loss(dB)

Temperature(℃)

圖2.9 模擬 S-bend VOA 損耗與溫度之關係

第三章 元件製作

這個章節中，將詳細描述整個可調式光學衰減器的製作流程，分 為兩大部分討論：圖形轉換（Pattern Transformation）及光波導製程

（Waveguide Fabrication），圖 3.1 是我們元件製程簡單的流程圖。

1. Pattern Transformation 2. Waveguide Formation

Measurement Dicing

Polymer Spin Coating

Surface Polish Die-Cap [母模] Process :

•Photo-Resistor

•Silicon

•UV Glue

Electroforming Process (mold Insert [模仁])

Molding Glass Process (Glass Substrate) Seed Layer (Sputter Gold)

End Surface Polish

圖3.1 元件製作流程圖

第一階段3.1 節是圖形的轉換（Pattern Transformation），製程步 驟包括：母模（Die Cap）製程[11]、種晶層（Seed Layer）、電鑄製程

（Electroforming Process）[12]及模造玻璃 (Molding Glass)製程[13]。

第二階段3.2 節是波導形成（Waveguide Formation），此步驟是將 Polymer 材料填入溝槽中形成導光的部分。製程步驟包括：材料塗蓋

（Core Material Coating）、表面研磨（Surface Polish）、切割（Dicing）、

端面研磨（End Surface Polish）和量測。

3.1 元件的製作流程

我們將元件製作分為兩個階段：

第一階段是圖形的轉換（Pattern Transformation），包括：母模（Die Cap）製程、種晶層（Seed Layer）、電鑄製程（Electroforming Process）

及玻璃模造(Molding Glass)製程。

第二階段是波導的形成（Waveguide Formation），此步驟為將合 適的Polymer 材料填入凹槽中形成導光的部分。包括：導光層材料塗 蓋（Core Material Coating）、表面研磨（Surface Polish）、切割（Dicing）、 端面研磨（End-Surface Polish）和量測。

以下我們將分兩階段，逐一討論每一個製程步驟。

3.1.1 第一階段圖形轉換（Pattern Transformation）

(一) 母模製程（Die-Cap Process）

我們嘗試了三種方式來製作母模[11]；討論如下：

I. 光阻母模（Photoresist Die-Cap）

利用光阻（Shiply SPR220_7.0/MicroChem SU8_5[有較佳的材料 特性但由於此型光阻的厚度無法達到7um，所以我們將不再討論此型 光阻]），並利用光蝕刻技術將光罩上的圖形轉移到光阻上，然後再濺 鍍上一層金為種晶層（seed Layer）[導電之用]。之後就可電鑄，將圖 形由光阻複製轉移到鎳板上了。電鑄是電沈積（Electro Deposition）

的過程，帶正電的鎳離子順著電場的方向，會不斷的轟擊母模表面[陰 極]，使得表面溫度上升約 50~60℃，Shiply SPR220_7.0 由於無法硬 烤，因此母模的光阻材料較軟且光阻中附著的水氣及殘留的溶劑無法 完全去除，經電鑄時會造成表面粗糙、圖形塌陷或長角等問題，使得 圖形無法完全轉換，造成後續製程的失敗，如圖3.2 所示。

(a) (b) (c) (d)

(e) (f)

圖 3.2 電鑄鎳板時會造成表面粗糙、圖形塌陷或長角等問題 (a)長角 (b)(c)(e)表面粗糙 (d)(f)塌陷

如果可以找到適當的光阻材料，此製作母模的方式是便宜、簡單 且對後續電鑄製程有容易脫模的優點的製程方式。

II. 矽母模（Silicon Die-Cap）

利用半導體蝕刻技術將圖形轉移至矽基板（Silicon Substrate）

上，既可製作一個較穩定的母模。因此，以微影製程將光罩上的圖形

至矽晶圓上，然後濺鍍上一層金當作種晶層（Seed Layer），隨後放入 電鑄槽中電鑄，脫模後既為我們所要的模仁（Mold），如圖3.3 所示。

圖3.3 利用矽蝕刻製作模仁

但經蝕刻後的矽晶圓圖形表面粗糙，造成後續電鑄後無法脫模，

如圖3.4 所示。

(a)

(b) (c)

圖3.4 (a)電鑄後無法脫模 (b)(c)蝕刻後的矽晶圓圖形表面

若能改善經蝕刻後的矽晶圓圖形表面粗糙度，使得電鑄模容易脫 離，此母模的製造方法可以獲得一個較為穩定的圖形轉換，應可以得 到較佳的電鑄模。

III. UV 膠母模（UV Glue Die-Cap）

利用(I)的方法獲得一個薄的電鑄鎳模（0.263mm），然後利用 UV 膠壓印翻模，複製圖形至塗有 UV 膠的玻璃基板上，再濺鍍上一層 金，作為種晶層（Seed Layer），電鑄後脫模就可以製作模仁了。詳細 的UV 膠母模（UV Glue Die-Cap）製程步驟及條件，討論如下。

A、 清洗製程（Clean Process）

清洗製程的目的是要去除晶片表面的particles 和有機化合物，以 增加附著力及均勻度，避免光阻塗蓋時產生的劍影或光阻剝落的現象 產生影響後續製程。

(1) 準備 4 吋矽基板（Silicon Substrate）。

(2) 將矽基板浸泡在中性清潔液+純水（1:100）中用超音波震 3 分鐘 以去除有機溶劑的殘留+DI water rinse。

(3) 將矽基板浸泡在丙酮（Acetone）內用超音波震 3 分鐘，以去除 晶片表面的 defects。

(4) 將矽基板浸泡在異丙酮（IPA）內用超音波震 3 分鐘，以去除晶 片表面殘留的 Acetone，避免因晶片表面的 Acetone 殘留污染+DI

water rinse。

(5) 將玻璃旋乾，放在 Hot Plate 上以 115℃烘烤 10 分鐘將水氣烤乾。

到此我們完成了製程前的準備工作。

B、 微影製程（Lithograph Process）

微影之定義，就是將光罩（Photo mask）上之圖案（Pattern）轉 移至光阻（photo-resist）上面，由於光阻材料之正負性質不同，經顯 影（Develop）後，光阻圖案會和光罩圖案完全相同或成互補。利用 微 影 製 程 技 術 來 製 作 我 們 所 設 計 的 S-Shape 、 embedded optical waveguide 的光阻母模（Photo-resistor Die Cap），製作流程詳細說明 如下表3.1。

Step Condition

1 Clean Wafer Acetone/IPA+DI Water rinse 2 Dehydration Bake 115℃ Contact Hot Plate 3 Spin Coating

HMDS/PR

Step1:700rpm/5sec Step2: 2500rpm/40sec 4 Soft Bake 115℃/90sec

5 Exposure 12sec

6 Develop TMAH 2.38% rinse 50~60secs / DI Water rinse

表 3.1 光阻母模（Photo-resistor Die Cap）製作流程

微影的基本製程也就是由(1) Photo-resist Coating (2) Exposure (3)

Development 等三大步驟所構成的。但為了加強圖形轉換的精確性及 可靠性，整個微影製程還包括去水烘烤（Dehydration Bake）、塗底

（Priming）、軟烤（Soft Bake）和硬烤（Hard Bake）等步驟，使整個 製程的複雜性增加。 HMDS。這個步驟通常稱為塗底（Priming） 。將 HMDS 塗蓋在晶片 上的方法主要有兩種，一則以旋轉塗蓋（Spin Coating），一則以氣相

（Vapor）塗蓋，來進行晶片上光阻塗蓋製程前的塗底步驟。

(2) 光阻（Shipley, SPR220_7.0）塗蓋（Spin Coating）

經過去水烘烤與塗底處理後的晶片，便可以進行光阻塗蓋的步驟

了。這個步驟的目的，是要在晶片的表面附上一層厚度均勻、附著性 阻（Shipley SPR220_7.0）轉數與膜厚的關係如圖 3.5 所示。

Shiply SPR220-7.0 Spin Speed Curves

6

2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700 3900 4100

Spin Speed (rpm)

PR-Film Thickness (um)

圖3.5 光阻膜厚與轉速的關係

我們的主要轉速3900rpm/40 秒，膜厚約 7.2µm。

(3) 軟烤（Soft Bake）

軟烤（Soft Bake），或稱為曝光前烘烤（Pre-Exposure Bake），是 用來將晶片上的光阻層溶劑從光阻裡驅除的步驟，使光阻由原先的液 曝光光源，我們採用的是 Shiply 的正光阻（SPR220_7.0），光阻本身 難溶於顯影劑，但遇光之後會解離成一種溶於顯影液的結構，而達到

圖形轉移的目的（從光罩轉換至光阻上）。我們所使用的曝光機台

（EV620 contact aligner）為接近與接觸型的曝光機。對應不同的光阻 膜厚需要不同的曝光量。曝光在元件的製作上是非常重要的一個步 驟，曝光量太多或太少都會讓光波導的光阻線寬（Line Width）的改 變，而影響後續製程。我們實驗中使用接觸式（Hard Contact）曝光 方式來進行曝光，所使用的光罩設計圖如圖3.6 所示，製程條件為：

mode C/I（Constance Intensity）=12 mJ cm/ ²，曝光時間為 12 秒。

圖3.6 光罩圖形 (5) 顯影（Development）

經過曝光的光阻層，便可以準備進行顯影（Development）的步 驟了，以便將光阻層所轉移的潛在圖形顯現出來。為了避免光阻因為 其他可能的副反應（Side Reaction）而改變其化學結構，經過曝光的

光阻，應該盡速的進行圖案的顯影，以免因為延遲顯影而影響結果。

曝光後，為使圖案顯現，必須移去不必要之光阻，對正光阻而言，

曝光部份將被洗去，而留下未曝光部份圖形，目前正光阻之顯影液以 不含金屬離子且稀釋過（2.38%）的 TMAH 為主。

正光阻顯影之方式概分為三種：(a)浸泡式：一次可以顯影數十片 晶片，速度快，且浸泡槽在顯影速率不變之情況下可重覆使用，成本 較低，其缺點則為顯影均勻度較差及易受污染等。(b)單片噴灑式：

一次一片且均使用新的顯影液，藉噴灑及旋轉之離心力，以達到顯影 之效果，此方法可有效改善污染問題，在均勻度之改善上，仍不盡完 美，且顯影液之用量大。(c)單片噴灑靜置式：此仍為一次一片，但先 將顯影液以慢轉速噴灑在晶片上，待顯影液完全均勻覆蓋在晶片上 時，則靠顯影液在晶片上著力做靜置顯影，此方式之顯影均勻度較噴 灑式佳，用量亦較少，且可避免污染問題，為目前較被廣泛使用之方 式。

(6) 硬烤（Hard Bake）

在光阻顯影成像後，最後仍會經過一道烘烤（Hard Bake），其 目的在移去剩餘之溶劑及水氣，使光阻內未溶解之感光化合物和樹脂

間之結合更緊密，以增加光阻對熱之穩定性及底層物質之附著力，在 將來之電鑄製程中，能確實發揮保護圖形之功能。

但此型光阻（Shiply SPR220_7.0）經硬烤後，會使得角落方正的 圖形產生塌陷（corner rounding）的現象，因此無法製作出直角的圖

但此型光阻（Shiply SPR220_7.0）經硬烤後，會使得角落方正的 圖形產生塌陷（corner rounding）的現象，因此無法製作出直角的圖

在文檔中 以模造玻璃技術製作高分子波導型可調式光衰減器之研究 (頁 14-0)