以PECVD成長之低氮含量二氧化矽及其於高效率波導元件之應用

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(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 指導教授：朱安國. 博士. 以 PECVD 成長之低氮含量二氧化矽及其於高效率波導元件之應用. PECVD Oxide with Low Nitrogen Content for. High Performance Waveguide Devices. 研究生：曾立豐. 撰. 中華民國九十二年六月.

(2) 目錄第一章導論. 1. 第二章材料成長及特性分析. 5. 2-1 材料成長. 5. 2-2 材料特性分析. 8. 2-2-1 折射率. 8. 2-2-2 應力. 12. 2-2-3 表面粗糙度. 12. 2-2-4 元素組成分析. 13. 2-3 結論. 15. 第三章元件模擬與設計. 16. 3-1 元件結構. 16. 3-2 模擬計算結果. 17. 第四章元件製作流程. 19. 4-1 熱氧法成長二氧化矽. 23. 4-2 成長下披覆層與導光層. 25. 4-3 鉻蒸鍍與光微影定義脊狀波導之形狀. 26. 4-4 乾蝕刻脊狀導光層. 27. 4-5 成長上披覆層. 29. 1.

(3) 4-6 切割與拋光. 30. 第五章元件特性量測. 34. 5-1 量測系統. 34. 5-2 量測結果分析與討論. 35. 第六章結論. 37. 2.

(4) 表目錄第二章. 材料成長及特性分析. 表 2-1 高流量成長條件. 7. 表 2-2 低流量成長條件. 8. 3.

(5) Abstract Silicon oxynitride (SiON) films for applications of optical waveguide devices deposited using plasma-enhanced chemical vapor deposition were investigated. The SiON films were deposited on 4” silicon wafers based on the reaction of N2O/SiH4 precursors. The refractive indices of the films were adjusted by varying the partial pressure of SiH 4 in the precursors. In addition, films prepared at conventional flow (~1500 sccm) and low flow (~1000 sccm) conditions were compared. We found that the nitrogen content of the films grown at low flow conditions can be significantly reduced resulting in a reduction of absorption around 1500 nm. Therefore SiON films grown at low flow conditions would be more suitable for optical waveguide fabrication. Finally, with the aid of the beam propagation method (BPM) software, a single-mode optical waveguide based on the proposed technology was designed and fabricated. The propagation loss was 0.79dB/cm for TE polarization, and 0.73db/cm for TM polarization.. 4.

(6) 摘要藉由 N2O 及 SiH4 的化學反應，以電漿助長化學氣相沉積(Plasma enhanced chemical vapor deposition)成長之 silicon oxynitride (SiON) 厚膜可應用於平面光波導元件的製作。我們使用此法，將 SiON 沉積於 4 吋矽晶圓上。藉著改變 N2O/ SiH4 流量比，我們可以成長出不同折射率之 SiON。為了比較總流量的影響，我們又分別以高流量(~1500 sccm)及低流量(~1000 sccm)成長不同 N2O/ SiH4 流量比的 SiON，並量測其材料特性參數。我們發現總流量小的條件能得到較低氮含量的 SiON，而減小 1500nm 波長的吸收。因此選擇以低流量條件成長之 SiON 製作元件。最後，經由模擬設計，並實際製作一個單模波導，我們量得元件於 1300nm 波長的 TE 極化傳輸損耗為 0.79dB/cm，TM 極化傳輸損耗為 0.73dB/cm。. 5.

(7) 第一章. 導論. 近來由於光波導元件在光纖通訊網路中應用日增，其所受到的注意也與日俱增。這些元件有的是利用化合物半導體所製成高折射率對比的波導，有的是利用二氧化矽製成低折射率對比的波導[1-4]。其中利用二氧化矽製成的波導具有與單模光纖較為接近的折射率對比、較低的傳輸損耗以及較佳的光纖耦合效率。利用電漿助長化學氣相沉積 (Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)所成長的 silicon oxynitride (SiON) ，由於具有低損耗以及高折射率選擇彈性，許多使用 SiON 製作的積體光學元件，例如：濾波器、環型共振腔與等化器等的應用也越來越多[5-7]。本論文中，將會成長一系列條件的 SiON 厚膜並加以分析，最後再用我們成長的 SiON 製作一個脊狀光波導以驗證材料的特性品質。由於 PECVD 成長 SiON 使用 SiH4、N2O 作為反應氣體，因此成長出的膜會有氫跟氮的殘留。O-H 鍵於 1380nm 波長有較大的吸收， N-H 與 Si-H 鍵於 1500nm 波長附近有較大的吸收。這些鍵結會導致吸收頻譜的不平坦，進而使得材料無法應用於 WDM 網路元件。傳統做法係利用回火去除氫跟氮的殘留。然而如果可以於成長時就減少氮的含量，使得元件可以不必經過回火這麼高溫的製程，那麼不但可以降低成本，更可以使波導更易與其他光電元件做製程整合 [8-14]。. 1.

(8) 在本論文中，我們將會對 SiON 做詳細的材料特性分析，最後以低氮含量的 SiON 厚膜製作一個光波導元件，驗證材料特性。首先，我們以不同的 N2O/SiH4 流量比，在 4 吋矽晶圓上分別成長流量比為 10 到 80 倍的 SiON 厚膜。接著再用較低的氣體總流量，分別成長流量比為 10~80 倍的 SiON 厚膜。把這些試片做折射率量測與元素組成分析後，我們發現 (1) 折射率可從約 1.45 調至約 1.65 (2) 流量比高的試片有較低折射率 (3) 總流量低的試片有較低折射率 (4) 流量比高的試片有較低的氮含量 (5) 總流量較低的試片有較低的氮含量為了降低生成 SiON 的氮含量，我們選擇使用低流量的條件成長導光層以及披覆層。然而使用 SiON 製作光波導需要成長大於 10μm 的厚膜。而由於應力的關係，這麼厚的膜會導致晶圓表面的彎曲，使得後段光微影製程的難度增加，例如光罩與試片無法均勻接觸。因此我們需在成長 SiON 之前先用熱氧法在矽晶圓上成長一層 thermal oxide 當作應力的緩衝層。基於以上材料的特性，我們藉著 Beam propagation method (BPM). 2.

(9) 軟體的幫助，設計如下圖的元件： PEVD SiON cladding Core. PECVD SiON cladding Thermal oxide. 圖 1-1 元件結構圖我們設計中的 thermal oxide 不但可以有效降低應力的影響，更可以減小所需下披覆層的厚度。在第二章中，我們將會詳細的介紹 PECVD 成長的方法與條件，並對材料的特性加以分析。折射率是以稜鏡耦合器 Metricon Model 2010 量得，應力則是使用 KLA-Tencor 的 FLX-2320 量得試片表面曲率半徑，並加以計算得之。表面粗糙度是用表面形狀測量儀 Dektak3 量得，元素組成比例則是使用電子微探儀(Electron probe microanalysis, EPMA)進行分析，其型號為 JEOL JXA-8900R Electron Probe X-ray Microanalyzer。. 在第三章中，我們會展示元件的設計，並利用 BPM 套裝軟體加以驗證。. 3.

(10) 在第四章中，我們將會詳細列出元件製作流程，包括試片清潔、熱氧法、PECVD 成長、金屬蒸鍍、ICP 乾蝕刻以及切割研磨拋光等後段製程。在第五章中，我們將會介紹量測系統，並分別以 TE 與 TM 極化方向的入射光量得兩個極化方向的傳輸損耗分別為 0.79dB/cm 與 0.73dB/cm。第六章將會對我的論文做總結並檢討未來可以改進的方向。. 4.

(11) 第二章材料成長及特性分析 Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)是半導體製程中常用來成長薄膜的技術。他的優點是沉積速度快、成長溫度低、長膜品質良好以及膜的特性易於控制。由於 PECVD 系統使用電漿提供能量，所以成長溫度可以較一般的 CVD 系統更低；又由於改變成長條件可以改變膜的特性，例如折射率、應力、密度及元素組成，因此可以成長出適用於不同元件用途的膜。. 2-1 材料成長我們所使用的 PECVD 是位於中華電信研究所的 Oxford plasma100 for PECVD，系統示意圖如圖 2-1 所示。我們所使用的成長溫度為 350℃，操作壓力為 1.2 Torr，RF 能量為 110W，頻率為 13.56MHz，反應氣體為 N2O 與 SiH4。. 晶圓放置處. 圖 2-1 PECVD 系統示意圖 5.

(12) 成長前試片清潔步驟如下 (1) 將試片泡入丙酮中，並置於超音波震盪器中清洗 10 分鐘 (2) 將試片泡入甲醇中，並置於超音波震盪器中清洗 10 分鐘 (3) 將試片泡入去離子水中，並置於超音波震盪器中清洗 10 分鐘 (4) 用去離子水沖洗試片 2 分鐘 (5) 用氮氣吹乾試片後將試片放入 120℃烤箱中烘烤 30 分鐘在我們的實驗中，我們用改變氣體流量的方式來改變膜的特性。改變氣體流量的方式有改變反應氣體流量比(N2O/SiH4)及改變總流量兩種方式。由於我們所使用的 SiH4 是以氮氣中和成 10%的混和氣體，所以為了討論總流量大小的影響，還需要另外通入氮氣以保持總流量不致變化太大。成長條件如下： (1) High flow，總流量約 1500 sccm 固定 N2O 流量為 640 sccm，依 N2O/SiH4 流量比改變 SiH4 流量並保持氮氣總流量為 800 sccm。要注意的是表中所列出來的 SiH4 流量為混合氣體流量，故所含 SiH4 為流量的 10%。例如流量比 N2O/SiH4=10 的條件通入 640 sccm 的 SiH4 混合氣體，其中的 SiH4 流量為 64 sccm，其餘 576 sccm 為氮氣。. 6.

(13) N2O/SiH4 10 15 20 30 40 50 60 70 80. SiH4 (10%) 640 428 320 213 160 128 107 91 80. N2O 640 640 660 640 640 640 640 640 640. 表 2-1 高流量成長條件. N2 224 415 517 608 656 685 704 718 728 單位 sccm. (2) Low flow，總流量約 1000 sccm 固定 N2O 流量為 426 sccm，依 N2O/SiH4 比例改變 SiH4 流量並保持氮氣總流量為 533sccm。 N2O/SiH4 10 15 20 30 40 50 60 70 80. SiH4(10%) 426 284 213 142 106 85 71 61 53. N2O 426 426 426 426 426 426 426 426 426. 表 2-2 低流量成長條件. 7. N2 150 277 342 406 438 458 470 479 485 單位 sccm.

(14) 2-2 材料特性分析我們用稜鏡耦合器量得 SiON 厚膜的折射率及厚度，每一片晶圓都取樣五個點以求其均勻度。應力是使用光學量測量得晶圓的曲率半徑，代入 Stoney equation 求得。表面粗糙度係使用表面形狀測量儀，於晶圓表面取樣五個點作平均。元素組成則是藉由 EPMA 量得。各項材料特性的量測方法與結果詳列如下：. 2-2-1 折射率由於 PECVD 成長 SiON 使用 N2O、SiH4 等氣體作反應氣體，因此在沉積過程中會有氮、氫雜質的殘留。所以只要藉著改變反應氣體的流量而改變氮的含量，就能改變生成厚膜的折射率。我們用來量測折射率的稜鏡耦合器是 Metricon Model 2010，量測的方法是在每片晶圓各取五個點取算數平均，如圖 2-2 所示. 2. 3 1. 4. 5. 圖 2-2 晶圓表面取樣點示意圖量得的折射率分布圖如圖 2-3 所示. 8.

(15) 1.7. 1.65. 1.6422 1.6003. 1.6 High Flow Low Flow. 折射率. 1.5482 1.55 1.5103 1.5282. 1.5. 1.4834 1.4681. 1.4943 1.4677. 1.45. 1.4588. 1.4545. 1.4498. 1.4507. 1.4498. 1.4499. 1.45. 1.4518. 60. 70. 80. 1.4542. 1.4. 1.35 10. 15. 20. 30. 40. 50. 氣體流量比. 圖 2-3 成長條件與折射率關係圖由成長條件與折射率關係圖中我們可以發現，當總流量相同時， N2O/SiH4 流量比越高，成長出來的厚膜折射率越低。而且當總流量較低時，所成長出來的厚膜折射率也較低。我們的成長條件可把折射率從最低約 1.45 調至最高約 1.65。我們定義均勻度算法如下： Uniformity%=( Max-Min ) /Avg×100% Max:一片晶圓量得五點中的最大值 Min:一片晶圓量得五點中的最小值 AVG:一片晶圓量得五點的平均值. 9.

(16) 我們所量得折射率的均勻度<0.1%。由於使用稜鏡耦合器量測折射率的同時可以量得厚度，我們量得厚膜的厚度均勻度<4%。. 10.

(17) 2-2-2 應力成長 SiON 的晶圓會受應力的影響而產生形變，進而造成後段製程例如光微影的難度。因此我們必須對材料的應力加以量測，以免後段進行光微影製程時，發生光罩與試片無法緊密接合，造成線寬不一的問題。我們所使用的矽晶圓是 4 吋，方向為<100>。我們用來量測生成厚膜應力的是 KLA-Tencor FLX-2320 光學應力量測儀。其方法是在沉積前，先利用光學應力量測儀量得晶圓表面的曲率，完成沉積後再量一次曲率半徑。把成長前與成長後的曲率半徑，以及矽基材厚度、成長膜厚代入 Stoney equation 如下：. E h2 1 1 σ= ( − ) 1 − υ 6t R2 R1 σ 是應力 E 是楊氏係數，值為 130GPa υ. 是 Poisson’s ratio，值為 0.28. R1 是成長前的曲率半徑 R2 是成長後的曲率半徑 t. 是成長膜厚. h 是矽基材厚度量測的結果如下圖 2-4 所示： 11.

(18) 應力(MPa). 0 -50. High flow. -100. Low flow. -150 -200 -250 -300 10. 20. 30. 40 50 流量比. 60. 70. 80. 圖 2-4 成長條件與應力關係圖由圖可以看出， N2O/SiH4 流量比高的條件成長出的厚膜應力較大；而總流量低的條件所成長的厚膜也會有較大的應力。. 2-2-3 表面粗糙度光波導元件需要有平滑的表面，避免因表面過於粗糙而加大 scattering loss。我們粗糙度的量測是用表面形狀測量儀 Dektak3 完成，結果列於下圖 2-5，單位為 nm。. Roughness(nm). 10 8 High flow. 6. Low flow. 4 2 0 10. 15. 20. 30. 40. 50. 60. 流量比. 圖 2-5 成長條件與表面粗糙度關係圖 12. 70. 80.

(19) 將粗糙度結果與量得的應力結果加以比較，可以發現應力大的厚膜的表面粗糙度比較大。這是因為為了釋放膜的應力，應力大的膜表面會變得比較粗糙。. 2-2-4 元素組成分析由於光在波長 1500nm 附近會因為 N-H 鍵的存在而被吸收，增加元件的損耗。傳統做法是用回火的方式來減少 N-H 鍵結。然而由於回火通常都需要極高溫度才能有效降低 N-H 鍵結，不但會增加元件的成本，同時也會使得元件更難與其他製程作整合。因此我們希望能在一開始成長時就減小 N-H 鍵的存在，這樣就不必加入高溫的製程以減少製程的複雜度。我們借用位於中山大學貴儀中心的 EPMA 進行元素組成的分析。結果如下圖 2-6 與 2-7 所示。縱軸分別是 O、N 對 Si 的比例，橫軸是 N2O/SiH4 的流量比。從圖 2-6 可以發現折射率越低，氮的含量就越少。而且較低的總流量可以得到氮含量較低的 SiON 厚膜。. 13.

(20) 0.25 0.20. 0.20. 0.20. 氮對矽比例. 0.20. High flow N 0.16. Low flow N. 0.15 0.14. 0.14 0.12 0.10. 0.09 0.06. 0.05. 0.05 0.02. 0.05. 0.04 0.01. 0.01. 0.00. 0.00 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 流量比. 圖 2-6 成長條件與氮對矽組成比例關係圖. 2.50. 2.00. 1.97 1.85. 氧對矽比例. 1.86 1.73 1.50. 1.00. 2.03. 2.15 2.03. 2.02. High flow O. 1.39 1.24. 1.15 1.04. 2.12 1.97. 2.05 1.95. Low flow O. 0.50. 0.00 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 流量比. 圖 2-7 成長條件與氧對矽組成比例關係圖. 14. 80.

(21) 2-3 結論根據元素分析的資料，我們認為降低氣體總流量可以有效減少 SiON 厚膜的氮含量，因此我們決定使用總流量低的條件來製作我們的光波導元件。然而由於總流量低以及流量比高的條件(即折射率低，氮含量也較低的條件)生成的厚膜 SiON 有較大的應力，因此我們需要先用熱氧法於矽晶圓上成長一層 thermal oxide 作為應力的緩衝層。這層 thermal oxide 除了可以作為應力的緩衝層，也可以減少所需的下披覆層厚度，這是因為 thermal oxide 折射率比我們所成長的 SiON 都還要來的低。. 15.

(22) 第三章. 元件模擬與設計. 3-1 元件結構我們依據材料的特性設計了如下圖 3-1 的結構：. 圖 3-1 元件結構設計圖元件的折射率對比是 0.69%，而由於下披覆層底下有折射率更低的 thermal oxide，所以厚度可以比上披覆層薄一點，這正是 thermal oxide 作為應力緩衝層以外的第二個好處。我們選擇折射率的方法是以我們成長條件中氮含量最低的條件作為下披覆層，再用約光纖兩倍的折射率對比計算出導光層的折射率。. 16.

(23) 3-2 計算結果我們利用 Optiwave 的 Beam propagation method software(BPM CAD) 模擬我們的設計，模擬出來的場型如下圖 3-2 與 3-3：. 圖 3-2 光場模擬計算結果. 圖 3-3 波導能量分布模擬圖 17.

(24) 模擬場型的半高寬為 5.904μ m × 6.03μ m，confinement factor 為 91.16%。. 18.

(25) 第四章. 元件製作流程. 本章一開始會先簡介元件製作的流程圖。接下來的各個小節中將會詳細介紹各項製程的原理以及製程參數。元件製作的流程圖如下： (1) 矽晶圓上用熱氧法成長 6μm 二氧化矽. Thermal oxide. Silicon. (2) 用 PECVD 成長 4μm 下披覆層. Bottom cladding Thermal oxide Silicon. (3) 用 PECVD 成長 6.5μm 的導光層. Core Bottom cladding Thermal oxide Silicon. 19.

(26) (4) 蒸鍍鉻，厚度 2500Å Cr. Core Bottom cladding Thermal oxide Silicon. (5) 塗鋪光阻 AZ 4210 PR Core Bottom cladding Thermal oxide. Cr. Silicon. (6) 曝光顯影 PR Core Bottom cladding Thermal oxide. Cr. Silicon. 20.

(27) (7) Cr-7T 濕蝕刻鉻 PR. Cr. Core Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. (8) 去光阻後進行 ICP 乾蝕刻 Cr. Core Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. (9) CR-7T 去除殘餘的鉻 Core Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. 21.

(28) (10)用 PECVD 成長 10μm 上披覆層 Top cladding Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. (11) 上 UV 膠黏貼 Pyrex 7740. Pyrex 7740. UV epoxy Top cladding Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. 以下各節將列出各製程的條件以及詳細步驟. 22.

(29) 4-1 熱氧法成長二氧化矽熱氧法是利用 1000℃高溫，使氧與矽晶圓表面反應生成二氧化矽。我們採用的是濕氧法，即將氧氣通入接近沸騰的純水中，氧氣就會帶著水汽進入石英爐管，與矽晶圓反應。示意圖如下圖 4-1：. 圖 4-1 熱氧法系統示意圖熱氧法的製程步驟詳列如下： (1) 將矽晶圓泡入丙酮溶液中，以超音波震盪器清洗 10 分鐘 (2) 將矽晶圓泡入甲醇溶液中，以超音波震盪器清洗 10 分鐘 (3) 將矽晶圓泡入去離子水溶液中，以超音波震盪器清洗 10 分鐘 (4) 用去離子水沖洗矽晶圓 2 分鐘 (5) 用氮氣槍吹乾矽晶圓表面 (6) 將吹乾的矽晶圓放入 120℃烤箱中烘烤 30 分鐘 (7) 將烤好的矽晶圓均勻放入石英載具 (8) 將氧氣通入石英爐管 10 分鐘以沖淨爐管空氣，再將放好矽晶圓 23.

(30) 的石英載具放入爐管 (9) 通氧氣 10 分鐘後開始升溫 (10) 於 1000℃維持 120 個小時即可成長出 6μm 厚的 thermal oxide. 24.

(31) 4-2 成長下披覆層與導光層 (1) 將晶圓泡入丙酮溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (2) 將晶圓泡入甲醇溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (3) 將晶圓泡入去離子水溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (4) 吹乾晶圓後，把晶圓放入 120℃烤箱中烘烤 60 分鐘 (5) 使用表 2-2 中流量比為 60 倍，即 SiH4 = 71 sccm，N2O = 426 scm N2 = 470 sccm 的條件成長厚度為 4μm 的 SiON 厚膜，此為下披覆層。 (6) 重複步驟(1)~(4)，把長好 SiON 的晶圓再次清潔 (7) 使用流量比為 34 倍的條件，即 SiH4 = 125 sccm，N2O = 426 scm N2 = 420 sccm 的條件成長厚度為 6.5μm 的 SiON 厚膜，此為導光層。. 根據實驗結果，我們發現如果長完下披覆層不把晶圓退出，而直接留在腔體內繼續成長導光層，會因為腔體剛完成沉積容易有顆粒掉落而造成污染。因此繼續成長導光層前，我們會拿出晶圓後再度清潔。. 25.

(32) 4-3 鉻蒸鍍及光微影技術定義脊狀波導的形狀 (1) 將四吋晶圓切成 3.5 cm ×3.5 cm 的試片 (2) 將試片泡入丙酮溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (3) 將試片泡入甲醇溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (4) 將試片泡入去離子水溶液中，以超音波震盪器清洗 20 分鐘 (5) 以氮氣槍吹乾試片後，將試片放入 120℃烤箱烘烤 60 分鐘 (6) 用熱蒸鍍機蒸鍍 2500 Å 的鉻作為保護材料，並將成長速率控制在 0.4Å /sec (7) 用氮氣槍吹試片 1 分鐘 (8) 塗鋪光阻 AZ4210，條件為以 500 RPM 旋轉 10 秒，以 6000 RPM 旋轉 40 秒 (9) 將鋪好光阻的試片放到烤盤上以 100℃烤 90 秒 (10) 用 I-line 光源曝光 50 秒 (11) 顯影液比例為 AZ 400K:DI water =1:4，顯影時間 35 秒 (12) 順著定義出形狀的方向，用去離子水洗淨殘餘顯影液 2 分鐘 (13) 吹乾試片後，放到烤盤上以 120℃烤 120 秒 (14) 於室溫中用 Cr-7 對鉻作濕蝕刻，蝕刻速率為 16.67Å (15) 用去離子水洗淨殘餘蝕刻液，時間為 2 分鐘. 26.

(33) 4-4 乾蝕刻脊狀波導我們所使用的乾蝕刻機是位於中華電信研究所的 Oxford plasma100 with ICP380。蝕刻的條件如下： O2 = 2 sccm C4F8 = 55 sccm ICP power = 3245 W RF power = 90 W Pressure = 8 mtorr 由於該機台只適用於整片晶圓的蝕刻，因此蝕刻前我們用真空膠將試片黏貼於 4 吋矽晶圓上。黏貼時要注意的是不可讓真空膠超過試片的範圍，否則蝕刻時會污染腔體。另外，由於 ICP 的能量很大，為了使試片溫度不要升高太多，我們每蝕刻五分鐘就退出試片，等試片降溫再繼續進行蝕刻。下圖 4-2 即蝕刻出脊狀波導後，拍 SEM 的照片：. 27.

(34) 圖 4-2 蝕刻脊狀波導 SEM 照片從照片中可以看出我們的脊狀波導非常垂直。. 28.

(35) 4-5 成長上披覆層當試片完成乾蝕刻後，我們要先用棉花棒沾三氯乙烷擦乾淨試片背面的真空膠。這是由於真空膠無法存活於我們成長 PECVD SiON 的 350℃，因此務必要在成長上披覆層前完全去除背面的真空膠。同時也要注意不可以讓真空膠沾到正面，以免毀掉試片並污染腔體。擦淨真空膠後，我們再依下列步驟清洗試片： (1) 將試片泡入丙酮溶液 20 分鐘 (2) 將試片泡入甲醇溶液 20 分鐘 (3) 將試片泡入去離子水溶液 20 分鐘 (4) 以氮氣槍吹乾試片後，放入 120℃烤箱烘烤 60 分鐘 (5) 放入 PECVD 成長上披覆層，所使用的參數與下披覆層一樣，厚度為 10μm. 29.

(36) 4-6 切割與拋光由於我們使用 Cut-back method 量測波導的傳輸損耗，所以必須在波導元件上蓋一層玻璃才能進行切割以及拋光。我們使用的玻璃是 Pyrex 7740，黏著玻璃與試片的膠是 UV epoxy。要注意的是黏貼時，膠不可以有氣泡殘留，否則切割時容易受損。我們使用的切割機台是 automatic dicing saw DAD 320。切割完畢後，拋光的步驟如下： (1) 將 0.3μm 與 0.05μm 的氧化鋁粉各以 1%的比例，以去離子水溶成水溶液。 (2) 第一道拋光的條件如下：研磨液：0.3μm 氧化鋁粉壓力：5 牛頓轉速： 150 RPM 時間： 180 秒 (3) 用超音波震盪器把殘餘氧化鋁粉震乾淨。 (4) 第二道拋光的條件如下：研磨液：0.05μm 氧化鋁粉壓力：5 牛頓轉速： 150 RPM. 30.

(37) 時間： 240 秒 (5) 拋光以後再次用超音波震盪器把殘餘氧化鋁粉震乾淨，即可進行量測。拋光前與拋光後的照片如下圖 4-3 與 4-4 所示：. Pyrex 7740. UV epoxy Top cladding Core. Bottom cladding Thermal oxide Silicon. 圖 4-3 拋光前元件截面圖. 31.

(38) Pyrex 7740. UV epoxy. Top cladding Core. Bottom cladding Thermal oxide Silicon. 圖 4-4 拋光後元件截面圖下圖 4-5 是我們波導導光發亮的圖。. 32.

(39) Pyrex 7740. UV epoxy. Top cladding Core. Bottom cladding Thermal oxide. Silicon. 圖 4-5 元件導光照片. 33.

(40) 第五章. 元件特性量測. 5-1 量測系統我們使用的光源分別是 632.8 nm 以及 1310 nm。632.8 nm 光源是對準用的可見光，1310 nm 則是我們用來量測傳輸損耗的光源。這兩個光源連到一個耦光器輸出，這樣耦合對準時就不需要不斷地切換光源。接著光源會先通過透鏡成為平行光，再通過極化器讓光源成為 TE 或 TM 極化。再把已經極化的平行光聚焦並打入波導，輸出的光則由一透鏡聚到光檢測器以測量輸出的能量。系統架構如下圖 5-1. 圖 5-1 量測系統示意圖 34.

(41) 5-2 量測結果分析與討論我們用 Cut – back method 測量傳輸損耗，量測的結果如下圖 5-2。 0 -0.5 -1. 損耗(dB). -1.5 -2 -2.5. TE. -3. TM. -3.5 y = -0.7904x - 2.4691. -4 -4.5. y = -0.7322x - 2.7238 -5 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 長度(cm). 圖 5-2 量測結果. TE 的傳輸損耗為 0.79dB/cm，TM 的傳輸損耗為 0.73dB/cm， Polarization dependent loss 為 0.06dB/cm。TE 的耦合損耗為 2.47dB， TM 的耦合損耗為 2.72dB。我們量得的耦合損耗比較大，我們猜測這可能是因為耦合面還夠好，未來需要加強研磨拋光製程，把斷面處理得更好以減小耦合損耗。接著我們用 IR CCD 拍攝波導輸出端的場型，如下圖 5-3：. 35. 3.

(42) 圖 5-3 輸出場型照片拍得的照片證明我們成功製作了單模波導元件。. 36.

(43) 第六章. 結論. 二氧化矽製作的光波導在光通訊網路中有很重要的應用。本論文提出使用 PECVD 成長低氮含量 SiON 的方法，並對材料的折射率與元素組成比例等特性作詳細分析。我們使用減少總氣體流量的方法成長出折射率均勻度小於 0.1%，厚度均勻度小於 4%的 SiON 厚膜。並以此方法製作單模波導，其 TE 傳輸損耗為 0.79dB/cm，TM 傳輸損耗為 0.73dB/cm。我們量測到的 TE 耦合損耗為 2.47dB，TM 耦合損耗為 2.73dB。最後，使用 IR CCD 拍到的輸出場型也證明我們製作的波導確實為單模波導。. 37.

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(46) 40.

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