本章節共分為三小節，將針對有機無機混成材料的特性作簡 單介紹，和此特性在元件結構方面所造成製程上的優缺點，並探討 有機無機混成材料之光學特性。
2-1. 有機無機混成材料之特性
本實驗研究所使用的光波導材料是由工業技術研究院化工所提 供的有機無機混成材料（organic-inorganic hybrid materials），而材 料一般之結構如下圖2-1.所示，
圖 2-1. 有機無機混成材料之結構。
增加熱穩定性
機能性賦予
它是由有機無機混合而成，在有機材料中導入無機成分，使得 能同時保有有機或無機之特性或有機官能基的反應性，又可藉由有 機長鏈的柔韌性改善原本無機成分的碎性，而有機結構亦能保有高 分子所賦予的機能性例如感光性或是熱交聯性，而無機結構又可提 高熱穩定性和降低-CH 鍵的吸收。
為賦予材料具備感光性，在無機之結構中則導入具感光性之有 機官能基溶膠-凝膠之前驅物，再經水解和縮合之步驟製備之感光 性有機無機混成材料。
目前工研院化工所已開發完成有機無機混成材料已具有下列五
種的特性，
(1) 可調控之折射率 (Index tenability) (2) 可曝光成像 (Photopatternable) (3) 高透光率 (High transparency)
(4) 低溫製程 (Low process temperature)
(5) 與有機或無機材料均有良好之相容性 (Good compatibility with organic or inorganic materials)
2-2.有機無機混成材料在此元件結構製程上的優缺點
在第一節中已提到有機無機混成材料具有的五項特性，在本實 驗研究中最主要的優點就是利用:
有機無機混成材料具有可曝光成像(Photopatternable)的特性，即能 以簡單的旋轉塗佈及曝光顯影方式直接做出導光線路，省卻傳統半 導體製程中必須乾蝕刻(Dry etching)和蒸鍍金屬的步驟，不僅縮短 研發到製程的時間，更可大幅減少元件製造廠的設備投資成本。在 實驗製程裡，便是利用此曝光成像的特性，可利用標 準的黃光微影 術便可做出splitter 中的 Y-branch 結構。
而有機無機混成材料對本實驗製程裡，也有一些缺點，因為材 料在未曝光之前，是呈現濕膜(wet film)的狀態，所以製程必需採用 非接觸式曝光(Proximity printing)的方法，即光罩和材料需保有一定 的距離，這樣才不會使得光罩會被沾黏到，且破壞到試片表面的材 料，且因為光罩不能和試片上的材料貼黏住，則 UV 光照射曝光下 來，在光罩線寬邊緣處會產生繞射現象(Diffraction)，使得做曝光顯 影製程時，很難準確控制出導光線路的線寬。
2-3. 有機無機混成材料之光學特性
本實驗研究所用的材料是由工研院化工所調配的有機無機混成 材料，無機與有機材料成分之比例為 1：5 的波導材料 WGC 1：5 和無機與有機材料成分比例為1：3 的波導材料 WGC 1：3。此兩種 材料皆屬於感光型材料，使用時，是在添加光起始劑來誘發材料進 行光交聯反應。材料之儲存是以封口膜封住並儲存在冷凍庫的冰箱 中以避免材料吸入水氣形成氫氧（O-H）官能基而造成光傳輸損耗。
先列舉WGC 1：5 材料測試的流程如下：
（1） 首先準備四片 3.5 cm×3.5 cm 的矽基板試片，然後分別以丙酮
（Acetone）清洗 10 分鐘，異丙醇（IPA）清洗 10 分鐘，DI water 清洗10 分鐘後，再用水沖乾淨後吹乾並放入烤箱烘烤。
（2） 接著將 WGC 1：5 從冰箱中取出退冰約 30 分鐘。再加入感光 起始劑依正常比例〈WGC: ITX : 907 = 5 : 0.05 : 0.2〉在燒杯 中調配，接著放在超音波震盪機裡degas 約 15 分鐘，使得這 兩種感光起始劑和WGC 1：5 能夠均勻地混合。混合完畢後，
再用針筒經由0.45 µm 的濾心將雜質過濾。
（3）再用旋轉塗鋪機旋鋪混合過後的材料，第一階段設為慢轉速
500 rpm，時間為 10 秒，目的是為了使材料能均勻塗滿在整片 試片。第二階段設為高轉速，我們設定了四種不同的轉速，分 別為 A：1000 rpm，B：2000 rpm，C：3000 rpm，D：4000 rpm。
由四種轉速四種對應不同材料薄膜的厚度。
（4）將旋鋪上材料薄膜的試片放入烤箱中，然後以適當的升溫速率 加熱至 80 ℃且持溫 30 分鐘，進行預烤定型的動作。
（5）將試片以 I-line 波長為 365 nm 的曝光對準機直接曝光 60 秒，使 照光能量約大於 1800 焦耳。再將試片放入烤箱以圖 2-2 中的升 溫曲線加熱至固化。
圖 2-2. Sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖。
20 40 60 80 100 120 140 160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Time (min)
Temperature (℃)
（6）將四片試片拿出烤箱退溫後，使用稜鏡耦合器 Metricon Model
0 1000 2000 3000 4000 5000
Spin speed (rpm)
Index (n)
n(TE)
圖 2-4. Sol-gel 1:5 薄膜轉速與膜厚之對應圖。
同理，WGC 1：3 材料測試的流程亦如上，轉速之實驗參數為 A：
1000 rpm，B：3000 rpm，C：4000 rpm，D：5500 rpm 。 表 2-2. Sol-gel 1:3 膜厚轉速與厚度、折射率之關係
0 1 2 3 4 5 6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Speed(rpm)
Thic kne ss (µ m )
轉速（rpm） n（TE） Thickness（µm）
1000 1.5096 3.78
3000 1.5104 1.43
4000 1.5107 1.13
5500 1.5108 0.82
圖 2-5. Sol-gel 1:3 薄膜轉速與膜厚之對應圖。
基於膜層均勻度（Uniformity）的考量，WGC 1:5 材料適合塗鋪 1∼7 µm 間的範圍，而 WGC 1:3 材料適合塗鋪 1∼4 µm 間的範圍，
而我們設計的波導尺寸也落於這個範圍內。
因為此複合有機無機混成材料仍保留著無機材料的碎裂性，所 以當無機的比例增高，也會使我們的有機無機混成材料在烘烤溫度 急遽升高使得溶劑的急速揮發下，有機無機混成膜厚會產生碎裂的 現象，而造成光傳輸的散射損耗以致於降低傳輸效率，所以實驗裡 需特別注意有機無機混成材料在烤箱內烘烤的升溫條件。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 2000 4000 6000 8000 10000
Speed (rpm)