1-1. 前言
近年，由於元件小型化的趨勢，使得傳統的光學顯影術已無法滿 足小線寬的需求，因而幾種可輕易達到小線寬需求的微影術，被發展 出來，如 EUV Lithography，X-ray Lithography，E-Beam Lithography 等。其中又以 X-ray Lithography 和 E-Beam Lithography 較引人注目，
被大家視為下一世代微影製程技術。
1-2. 應用電子束微影術於 0.8µm 脊狀波導的製做
在本篇論文中，我們使用電子束微影術的技術來製作小於一微米 寬度的脊狀波導，由於電子束微影製程並不需要光罩的製作，並為了 配和原有的光罩設計，所以將其放在第一道製程上。
1-3. 電制吸收光調變器的特性優點
電制吸收式光調變器的驅動電壓小，具有高調變效率、高速和低 啾譜(chirp)的調變效果。因此，近幾年來，2.5 到 10 Gb/s 的光通訊 系統都普遍採用這種調變器。10 Gb/s 對調變器時間常數的要求是要 短於大約 20 psec，新一代的 40 Gb/s 系統則要求短於大約 5 psec。
因此，我們選擇縮小脊狀波導的寬度，降低脊狀波導的電容值，提高 元件的操作速度。
多重量子井電制光吸收調變器最吸引人注意的地方，在於有強的 吸收調變效應。調變器外部加一反向偏壓，會引起量子侷限史塔克效 應(Quantum-confined Stark effect : QCSE)，使吸收邊顯著的往長波長 移動。
1-4. 論文架構
本論文共分六章，第一章是緒論，第二章闡述電子束微影術的原 理，第三章闡明調變器理論基礎與運用以及調變器元件上小於一微米 寬度的脊狀波導之設計理念，及所模擬之結果，第四章詳述調變器元 件之製程步驟與實驗結果，最後則為第五章結論。
第二章 儀器架構與原理
2-1. 電子束微影術的原理 2-1-1 歷史背景
在 1960 年，以掃瞄式電子顯微鏡為架構的電子束微影系統問世 以來，這項技術就被廣泛使用至今。尤其近年來積體電路工業的急速 發展和奈米科技被大家所重視，能處理小線寬圖案的技術因而被急迫 的需要。其中，電子束微影術因其不需要光罩和高解析度的優點而眾 所矚目，加上近年掃瞄式電子顯微鏡（SEM）的價格大幅滑落，因此 以 SEM 為架構改裝成電子束微影系統的作法被研究單位大部分的使 用。
2-1-2 基本原理
一般而言，電子束微影系統的硬體部分和 SEM 大部分相同，
包括電子槍、兩個或兩個以上的聚束鏡、物鏡、孔徑。不同的地方在 於電子束微影系統可經由電腦控制電子束掃瞄方式，並根據圖案的不 同做不同的變化，其原理和傳統的光學微顯影技術相似。首先在樣品 塗佈會和電子作用的光阻，如 PMMA（polymethylmethacrylate），經 過烘烤將光阻固化後，再進行曝光的步驟，此時控制電子束在光阻上 定義出圖案，電子所具有的能量會將光阻材料的化學鍵結打斷，如圖 2-1，形成潛影，之後再將樣品放置顯影劑中，如 MIBK。此時顯影 劑會和已被打斷化學鍵的光阻進行反應，而將光阻溶解在溶劑中，因 此圖案就被定義出。
圖 2-1 電子打斷化學鍵示意圖
2-1-3. 儀器架構
改裝 SEM 成電子束微影系統的架構配置如圖一所示，我們在 column lens 中插裝一個平行電板，並外接一個放大器電路和電源供應 器，可提供一個 140 伏特可調電壓來做電子束的遮斷作用，且可經由 電腦做控制。並將物鏡中可控制掃描的瞄線圈由內部控制改裝成可外 部控制，圖形的定義和訊號的輸出則是由 NPGS（Nanometer Pattern Generation System）軟體控制，並且為了方便同時調整 SEM 的影像，
在電腦和 Operation System 之間安裝一個開關（Blue box switch）。
同時，為了量測電子束自電子槍輻射出來的電流大小，我們在樣品台 的地方設計一個法拉第杯來捕捉電子並串接一個微電流安培計，以量 得不同加速電壓下的電流大小值。
圖 2-2 儀器裝置圖
2-1-4. Proximity Effect
一般而言，傳統的 SEM（以鎢絲為電子槍源），當加速電壓在 30 至 40Kev 時電子束的 beam size 可以被局限制 3 至 4nm，也就是說理 論上使用電子束微影系統其解析度可達 10nm 至 20nm，但當圖案的 最小線寬小於 1µm 時，就會有 proximity effect 的情形，這種現象將 會影響系統的解析度，如圖 2-3 所示，兩個彎曲的波導，寬度為 1µm，
在最靠近的地方，寬度大於 1µm，這種因背向散射電子造成的局部曝 光，我們稱為 proximity effect。而這種現象會和加速電壓，基
板材料的原子序，光阻的厚度有關，其中以加速電壓影響最大。圖 2-4 [1]是模擬在不同的加速電壓下，對矽晶片上 1µm 厚度的光阻，電 子對其的散射軌跡。我們可知道當加速電壓增大時，電子束的 beam size 會較小，同時因電子具有的能量較大，所以背向散射電子會較少，
造成的局部曝光效應也會較小。
>1μm =1μm
>1μm =1μm
圖 2-3 Proximity Effect
圖 2-4 在不同的加速電壓下電子散射情形
2-2 電子束微影術的實驗結果
2-2-1 使用 Topcon SM-350 機型所實驗的結果
這裡首先要感謝中興大學孫允武老師以及謝文興學長在電子束 微影術方面的協助，提供我們在採購 NPGS 之前，可先使用他們的機 器做為研究。在寫 E-Beam 時我們要先調整 SEM 的影像至最佳的解 析度。使用標準試片，觀察放大倍率 100k 至 300k 的影像是否清晰。
圖 2-5 即是好的 SEM 影像。而為了要測試電子束微影術的解析度，
我們使用 3%PMMA 溶解於苯甲醚（Anisole）中的配方來當光阻，用 旋轉塗佈機，4000 R.P.M. ，30 秒，光阻的厚度大約有 150nm。
圖 2-5 標準試片十萬倍的影像
對於不同的圖案，電子束用的曝光量及軟體所設定的參數會有些 許不同，所以我們設定了三種不同的圖案來測試，以下是所用的條 件，以及實驗的結果。
實驗一：
定義兩個半徑 20 µm，角度為 45 度的彎曲曲線，線寬為 1 µm，間距為 0.1 µm，以下是定義圖案以及 Run file editor 的 參數。
1.轉換檔案：CAD021120 2.光阻：3％PMMA in Anisole 3.旋轉塗佈：4000 R.P.M. 30 秒 4.軟烤: 160 度 60 分鐘
5.放大倍率：700
6.電子束大小（Spot size）: 8 7.電流值：18 pA
8.電子束點和點的距離（Center to center）: 15.46nm 9.電子束線和線的距離（Line spacing）: 15.46nm 10.曝光劑量：130 µC/cm×cm
11.顯影： MIBK：IPA＝1：3 顯影時間：60 秒
顯影出來的圖案，再經過熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 7.5nm 鈦，再鍍上 35nm 金，然後利用掀離技術（Lift off）將金屬剝 離。圖 2-6 即是實驗的結果。
圖 2-6 實驗一的結果
實驗二：
測試完用對於定義曲線解析度以及曝光劑量後，接著設計 20 個 同心圓，線寬是 200nm，間距 300 nm，為一 4*4 的陣列，16 組同心 圓。以下是定義圖案以及 Run file editor 的參數。
1.轉換檔案：CAD021205 2.光阻：3％PMMA in Anisole 3.旋轉塗佈：4000 R.P.M. 30 秒 4.軟烤: 160 度 60 分鐘
5.放大倍率：700
6.電子束大小（Spot size）: 8 7.電流值：18 pA
8.電子束點和點的距離（Center to center）: 15.46nm 9.電子束線和線的距離（Line spacing）: 15.46nm
10.曝光劑量：180 µC/cm×cm 11.顯影劑比例： MIBK：IPA＝1：3 顯影時間：60 秒
顯影出來的圖案，再經過熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 7.5nm 鈦，再鍍上 35nm 金，然後利用掀離技術（Lift off）將金屬剝 離。圖 2-7 即是實驗的結果。
圖 2-7 Circle Grating
實驗三：
在前兩個實驗，解析度以達 100nm，但可寫範圍（writing field）
只有 130µm× 130µm，所以我們設計 10 組的 Linegrating，一組共有 30 條寬度 100nm，長度 450µm 的細線，放大倍率為 200，可寫的範 圍 450µm×450µm。以下是定義圖案以及 Run file editor 的參數。
1.轉換檔案：LineGrating021209 2.光阻：3％PMMA in Anisole 3.旋轉塗佈：4000 R.P.M. 30 秒 4.軟烤: 160 度 60 分鐘
5.放大倍率：200
6.電子束大小（Spot size）: 10 7.電流值：51 pA
8.電子束點和點的距離（Center to center）: 15.46nm 9.電子束線和線的距離（Line spacing）: 15.46nm 10.曝光劑量：200 µC/cm×cm
11.顯影劑比例： MIBK：IPA＝1：3 顯影時間：60 秒
顯影出來的圖案，再經過熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 7.5nm 鈦，再鍍上 35nm 金，然後利用掀離技術（Lift off）將金屬剝 離。圖 2-8 即是實驗的結果。
圖 2-8 Line Grating
2-2-2 使用 JEOL JSM840A 機型所實驗的結果
我們的 SEM（JEOL JSM840A）是由張老師由美國貝爾實驗室 帶回，我們以 NPGS 和 Beam blanking control 安裝完成。目前我們已 試出了 3％、6％、9％以及 12％的 PMMA（996K）的曝光劑量。及 以 4000R.P.M.的轉速，旋轉 60 秒，其塗佈的厚度分別為 100nm、250 nm、500 nm、1000 nm。我們用 3％濃度的 PMMA 來做線寬的測試，
以下是實驗的條件以及結果
實驗一：
1.轉換檔案：Devpat1
2.光阻：3％PMMA in Anisole 3.旋轉塗佈：4000 R.P.M. 30 秒
5.將樣品放入 SEM 中 6.真空度抽至 1.5×10-6 Torr 7.工作距離: 8mm
8.加速電壓: 35kev
9.電子槍偏壓（Gun bias）: 7
10.電子束電流（Probe current）: 6×10-12 A 11.電流值：10 pA
12.放大倍率：900
13.電子束點和點的距離（Center to center）: 9nm 14.電子束線和線的距離（Line spacing）: 9nm 15.曝光劑量：220 µC/cm×cm
16.顯影劑比例： MIBK：IPA＝1：3 顯影時間：60 秒
顯影出來的圖案，再經過熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍上 5nm 鉻，再鍍上 40nm 金，然後利用掀離技術（Lift off）將金屬剝離。
圖 2-9 即是實驗的結果。
圖 2-9 100nm 線寬
實驗二：
完成解析度的測試後，我們已可進行 EAM 所需的 process 測 試，所以我們矽晶片上塗佈 3％的 PMMA 來進行條件的測試。以下 是實驗的條件。
1.轉換檔案：EAMfor5m 2.光阻：3％PMMA in Anisole 3.旋轉塗佈：4000 R.P.M. 30 秒 4.軟烤: 165 度 60 分鐘
5.將樣品放入 SEM 中 6.真空度抽至 1.5×10-6 Torr 7.工作距離: 8mm
8.加速電壓: 30kev
9.電子槍偏壓（Gun bias）: 5
10.電子束電流（Probe current）: 6×10-11 A 11.電流值：67 pA
12.放大倍率：200
13.電子束點和點的距離（Center to center）: 14.75nm 14.電子束線和線的距離（Line spacing）: 22.13nm 15.曝光劑量：170 µC/cm×cm
16.顯影劑比例： MIBK：IPA＝1：3 顯影時間：60 秒
顯影出來的圖案，再經過熱蒸鍍機(Thermal Evaporator)，先鍍 上 5nm 鉻，再鍍上 300nm 金，然後利用掀離技術（Lift off）將金屬 剝離。圖 2-10 即是實驗的結果。
圖 2-10 0.8µm 的間距
第三章 元件設計與模擬
3-1. 電制吸收光調變器的基本原理 3-1-1. 背景
在實驗中，「調制」是一個相當普遍的機制，利用光或電來作為 調變的來源，於是有電制吸收式高速光調變器(EAM)與 Mach-Zehnder 光調變器 (Optical Modulators) 兩種調變機制。EAM 是一個 p-i-n 二 極體的結構，主要是利用量子侷限史塔克效應(QCSE)，當對元件加 一反向偏壓能帶會產生變化，而進行調制。我們亦可利用光電流頻譜 圖，來測定元件內部吸收光譜的變化。
3-1-2. 載子躍遷
半導體照光後，光子的能量被半導體中的電子所吸收，並使得電 子 由 價 帶 被 激 發 至 導 電 帶 ， 電 子 的 躍 遷 必 須 遵 守 能 量 守 恆 (Conservation of energy)定律，除了能量守恆之外亦要遵守動量守恆 (Conservation of momentum)定律，因此只有光子的能量大於能隙的能 量時，才有吸收光子的現象以產生電子電洞對，當光子能量 h? 等於 能隙能量 Eg時，如 3-1(a)圖所示。當 h? 大於 Eg時，多餘的能量會以 熱的方式由聲子(Phonon)散逸掉，如 3-1(a)圖所示。當 h? 小於 Eg時，
只有能隙中間出現物理缺陷或雜質時造成其它能態時，光子才會被吸
只有能隙中間出現物理缺陷或雜質時造成其它能態時，光子才會被吸