應用電子束微影術於電制吸收光調變器之研製

全文

(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 應用電子束微影術於電制吸收光調變器之研製 Application of Electron-Beam Lithography to the Fabrication of Electroabsorption Modulators. 研究生：陳宏賓撰指導教授：張道源博士. 賴聰賢博士. 共同指導教授：邱逸仁博士. 中華民國九十二年六月.

(2)

(3)

(4)

(5) 論文名稱（英）： Application of Electron-Beam Lithography to the Fabrication of Electroabsorption Modulators 學位類別：. 碩士. 語文別：. 中文. 學號：. 9035610. 提要開放使用：頁數：. 是. 62. 研究生姓名（中）：陳宏賓研究生姓名（英）：. Hung-Ping Chen. 指導教授姓名（中）：. 張道源、賴聰賢. 指導教授姓名（英）：. Tao-Yuan Chang、Tsong-Sheng Lay. 關鍵字（中）（1）：電制吸收式調變器關鍵字（中）（2）：電子束微影術關鍵字（英）（1）：Electroabsorption modulators 關鍵字（英）（2）：Electron-Beam Lithography.

(6) 摘要由於近幾年半導體的蓬勃發展，傳統的光學微影術以無法滿足最小線寬的需求。因此，電子束微影術是突破此瀕頸的關鍵技術之一。在我們的元件設計中，第一道製程使用了電子束微影術，以達到小於一微米寬度的波導。藉此用以降低調變器的電容值，並調整傳輸線的長度，降低電壓反射係數，以達到高速操作的需求。我們自行架設電子束微影術系統，並設計三種圖案來測試最好的線寬，以求第一道製程可以達到最好的線寬。使用 3％PMMA 溶解於甲苯或苯甲醚中形成厚度 1500A 的光阻，以 30keV 的電子束，成功地完成 100nm 線寬的圖案。在元件的製程上，我們使用乾式蝕刻，蝕刻出脊形波導的形狀。且以高分子材料將波導兩邊平坦化，再將傳輸線的上電極和信號的墊板鍍在高分子材料之上。並用特殊的斜坡腐蝕法，把接地平板引到與信號墊板相同的高度，以利於使用 coplanar microwave probe 直接在晶片上進行高頻的測試。. I.

(7) 目錄第一章緒論… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .1 1-1. 前言… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..1 1-2. 應用電子束微影術於 0.8μm 脊狀波導的製做… … … ..1 1-3. 電制吸收光調變器的特性優點… … … … … … … … … … ..1 1-4. 論文架構… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..2. 第二章儀器架構及原理… … … … … … … … … … … … … … … … … … ..3 2-1 電子束微影術的原理… … … … … … … … … … … … … … .3 2-1-1.歷史背景. … … … … ...… … … … … … … … … … ...3. 2-1-2.基本原理… … … … ..… … … … … … … ...… … … ..… 3 2-1-3.儀器架構 … … … … … … … … … … … … … … … … 4 2-1-4 . P r o x i m i t y E f f e c t… … . … … … … … … … … … 5 2-2 電子束微影術的實驗結果 … … … … … … … … … . 7 2-2-1.使用 TOPCON SM350 所實驗的結果 … … … .… ...7 2-2-2.使用 JEOL JSM840A 所實驗的結果… … … … … ..… 12. 第三章電致吸收光調變器的原理與設計… … … … … … … … … … … 16 3-1. 電制吸收光調便器的基本原理… .… … … … … … … … 16 3-1-1 背景 … … ..… … … ..… … … … … … … … … … … .16 3-1-2 載子躍遷 … … . … . . … … … … … … … … … … .16 3-1-3 量子侷限史塔克效應 (QCSE)… … … … 3- 2 微帶線 ( M i c r o s t r i p L i n e ) … … … … … … … … … 18. III.

(8) 3-3. 電路設計與模擬結果… … … … … … … … … … … … … 23 第四章元件製程… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 34 4-1. 製程示意圖… … … … … ...… … … … … … … … … … … … .34 4-2. 光調制器之製程步驟與實驗結果… … … ...… … … … … .39. 第五章結論 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 51. 參考文獻… … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … 52. IV.

(9) 圖目錄第二章儀器架構與原理圖 2-1 電子打斷化學鍵示意圖… … … … … … … … … … … … ..4 圖 2-2 儀器裝置圖… … … … … … … ..… … ..… … … ..… … … … .5 圖 2-3 Proximity Effect… ..… … … … … … … .… … … … … … 6 圖 2-4 在不同的加速電壓下電子散射情形… … .… … … … ..… .6 圖 2-5 標準試片十萬倍影像… … … … … … … … … … … .… ..… .7 圖 2-6 實驗一的結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 9 圖 2-7 Circle Grating… … … … … … … … … … … … … … … … .10 圖 2-8 LineGrating… … … … … … … … … … … … … … … … ..12 圖 2-9 100nm 線寬… … … … … … … … … … … … … … … … ..14 圖 2-10. 第三章. 0.8μ m 間距… … … … … … … … … … … … … … … 15. 元件設計與模擬. 圖 3-1 載子躍遷之三種機制… … … … … … … … … … … … … 17 圖 3-2 （a）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈（b）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈… … … … … … 18 圖 3-3 四種不同型態傳輸線之剖面圖… … … … … … … … … 19 圖 3-4 (a)微帶線示意圖 (b)電磁場線分佈圖… … … … … … .19 圖 3-5 2μm 脊狀波導和 78Ω傳輸線的俯視圖….… … … … 23 圖 3-6 頻率響應比較… … … … … … … … … … … … … … … ..25 圖 3-7 2μm脊狀波導的光場模態… … … … … … … ...… … … 26 圖 3-8 0.9μm脊狀波導光場的模態… … … … … ..… … … … ..26 圖 3-9a. 0.8μm 脊狀波導… … … … … … … … … … ..… … … .27 V.

(10) 圖 3-9b. 0.8μm 脊狀波導… … … … … … … … … … ..… … … .27. 圖 3-10 Type1 傳輸線結構.… … … … … … … … … … … … … .30 圖 3-11 Type1 傳輸線頻率響應… … … .… ...… … … … … … ..31 圖 3-12 Type1 傳輸線 Inpluse Response… … … ...… ..… … 31 圖 3-13 Type2 傳輸線結構… … … … … … .… … … .… … … … .32 圖 3-14 Type2 傳輸線的頻率響應… … … … … … … … … .… ..32 圖 3-15 Type2 傳輸線 Inpluse Reponse… … ...… … … … … ..33. 第四章. 元件製程. 圖 4-1 0.8μm 乾蝕刻用遮罩… … ..… … … … … … … … … … .40 圖 4-2 2μm 脊狀波導… … … … … … … … … … … … … … … .43 圖 4-3 EAM15QWC 2μm 脊狀波導… … … … … … … … … ..44 圖 4-3 腐蝕斜坡 … … … … . … … … … … … … … . . . … … . 50. VI.

(11) 第一章緒論 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.

(12) 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。. 2.

(13) 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。. 3.

(14) 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。. 4.

(15) 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 5.

(16) 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. 圖 2-3 Proximity Effect. 圖 2-4 在不同的加速電壓下電子散射情形. 6.

(17) 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. 7.

(18) 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。. 8.

(19) 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 9.

(20) 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. 10.

(21) 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。. 11.

(22) 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 4.軟烤: 165 度 60 分鐘 12.

(23) 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。. 13.

(24) 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. 14.

(25) 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. 15.

(26) 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，光子才會被吸收，如 3-1(c)圖所示。(a)和(b)兩種轉換過程稱為本質躍遷 (intrinsic transitions) ，(c)轉換稱為外質躍遷 (extrinsic transition) [5]。. 16.

(27) h. 圖 3-1 載子躍遷之三種機制 (a) h? > Eg (b) h? = Eg (c) h? < Eg. 3-1-3. 量子侷限史塔克效應 (QCSE) 電制吸收式調變器 (Electroabsorption Modulators) 主要便是利用量子侷限史塔克效應的機制，來加以選擇其對應之吸收波長。半導體量子井的能帶圖形會隨著外加電場的增加而相對的傾斜，就如圖 3-2 所示，當外加電場增大時，其導電帶波函數與價電帶波函數也會相對外加電場強度而錯開，因而減少電子、電洞對的吸收與再結合之機率，能隙 Eg 亦會隨之變小，而史塔克效應其隨外加偏壓增大而波長往長波長方向移動，此一般又稱之為『紅移』（red shift）現象，其能量變化量如式(3-1)[2]所示： ∆ E ∝ ( m* ⋅ e 2 ⋅ F 2 ⋅ L4 ) *. (3-1). 式子(3-1)中， m 為有效質量、e 為電子電量、 F 為外加電場、L 為量子井寬度。. 17.

(28) F=0. F. L. 圖 3-2 （a）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈（b）未受外加電場的能帶圖形與波函數分佈. 3-2. 微帶線在 1965 年前，微波設備不外是利用同軸，波導或平行板的方式，近幾年來才有微波積體電路的探討。傳輸線有相當多種形式，如圖 3-3 所示，其中 3-3（d）的形式稱為微帶線。現在將此種傳輸線個別做詳細說明與分析。我們的高頻電路主要便是利用微帶線原理做一系列的設計與模擬分析，圖 3-4[3]為較詳細之微帶線示意圖，微帶線亦稱為開路帶線 (Open-strip line)，圖 3-4(a)中基板厚度為 h，基板介電常數為 ε r ，上端電極厚度為 t、寬度為 w，圖 3-4(b)為微帶線電磁場線分佈圖。. 18.

(29) 圖 3-3 各種傳輸線的形式. 圖 3-4(a)微帶線示意圖 (b)電磁場線分佈圖微帶線中存在射散損耗的問題，尤其在不連續面或彎角處，然而若是使用薄且高介電值材料便可以降低射散損耗，微帶線的數值分析 19.

(30) 相當複雜，於是可以使用保角轉換 (conformal transformations) 法取代複雜的數值分析。特性阻抗的計算，在這裡因為 EAM 截面積遠小於 40GHz 波長，所以微帶線中可以採取準橫向電磁波 (quasi-TEM) 模式做計算，由圖 3-4(a)中可知，微帶線的特性阻抗和基板厚度為 h、基板介電常數為 ε r ，上端電極厚度為 t、寬度為 w 有關[4]。在 t h 為零的條件下特性阻抗 Z 0 和有效介電常數 ε eff 的近似公式由 Hammerstad 於 1975 年所提出，之後於 1977 年由 Bahl 和 Garg 提出在有限的上端電極厚度下的特性阻抗和有效介電常數，其近似運用式子如下所示[5]，特性阻抗：. Z0 =.  8 W 60 ln  + 0 .25 ⋅ e h ε reff  We h.   , . W ≤1 h. 120 ⋅ π We  We  Z0 = + 1 . 393 + 0 . 677 ⋅ ln + 1 . 444    ε reff  h  h . (3-2). −1. ,. W ≥1 h. (3-3). 其中. We W 1.25 t  4πW  = + ⋅ 1 + ln  , h h π h t . W 1 ≤ h 2π. We W 1.25 t  2h  = + ⋅ 1 + ln  , h h π h t . W 1 ≥ h 2π. 20. (3-4). (3-5).

(31) 有效介電常數：. −1 2 2 ε r + 1 ε r − 1  12  W   1 +  = + + 0.041 −   − C , 2 2  W h  h    . ε reff. W ≤1 h. (3-6) ε + 1 ε r − 1 12  = r + 1 +  2 2  W h . ε reff. −1 2. −C ,. W ≥1 h. (3-7). 其中. C=. εr −1 t h ⋅ 4.6 W h. (3-8). 以上並未考慮損耗 (loss) 之情況，現將損耗加入一併討論。考慮損耗性傳輸線時衰減常數 (attenuation constant) a 不再為零，衰減常數與相位常數表示式如下所示，. 衰減常數：. 1+ α = 1+. 1.25 ⋅ t 1.25  4πW  + ⋅ ln   π ⋅W π  t  , We h. 21. W 1 ≤ h 2π. (3-9).

(32) 1−. t   h + 1.25 ⋅ ln  2  t  π π  h , We h. 1 .25. α =1 +. W 1 ≥ h 2π. (3-10). 相位常數：. 2. 32 − We 1.38 ⋅ Rm  h β= ⋅ 20 ⋅ log(e ) ⋅ h ⋅ t ⋅ Z 0 32 + We  h.    ⋅α , 2   . W 1 ≤ h 2π. We   6 .1 ⋅ 10 − 15 R m ⋅ Z 0 ⋅ ε reff  We 0.667 ⋅ h  β= ⋅ ⋅ + ⋅α , 20 ⋅ log(e ) h ⋅t  h We + 1.44  h  . (3-11). W 1 ≥ h 2π. (3-12) 其中 Rm 為每平方單位金屬的表面電阻。. 傳輸線之複數傳播常數 (complex propagation constant). γ=. 2πf ⋅ ε reff 300. − jβ. (3-13). 由以上之式子便能計算出損耗傳輸線之特性阻抗. Z0loss. R + jωL 2π f ⋅ ε reff = = − jβ γ 300. 22. (3-14).

(33) 由式子(3-14)便能繪出特性阻抗與頻率關係圖。. 3-2. 電路設計與模擬結果我們的元件設計主要包含接線墊板 (pad)、調變器脊狀波導、接線墊板與調變器波導之間電信號傳輸線路 (feeder line) 、輸入訊號源和 50O 終端電阻，模擬乃是使用張道源老師所撰寫的一套完整之程式，亦可使用數值分析軟體計算。傳輸線的特性阻抗可由前節的公式計算出，至於調變器脊狀波導之特性阻抗計算方法特殊，也由張道源老師一併撰寫入模擬程式中。在新的設計中我們保留 2µm 寬度的脊狀波導和 78O 的傳輸線，並設計一個 0.9µm 或 0.8µm 寬度的脊狀波導來做比較，對於 feeder line 部分，2µm 寬度的脊狀波導保留原有設計，如圖 3-5，對於 0.9µm 或 0.8µm 寬度的波導，因其特性阻抗相差甚遠，所以必須重新設計。. 圖 3-5 2µm 脊狀波導和 78O 傳輸線的俯視圖. 23.

(34) 在表 3-1 中我們可知道對於不同的寬度的脊狀波導會有不同的特性阻抗。我們若以訊號源和 50O 終端電阻及接線墊板（pad）、脊狀波導間阻抗匹配為考量，當我們提高波導的特性阻抗至將近 50O 時會有較好的頻率響應結果，圖 3-6 是比較不同寬度脊狀波導的頻率響應圖，虛線是舊有 2µm 寬度脊狀波導配合 78O 傳輸線的頻率響應，實線是 0.9µm 寬度脊狀波導配合 50O 傳輸線的頻率響應，我們可知道在新的設計中會有較好的頻寬。但是當波導的寬度縮小時，元件和光纖之間的耦合效率也會變差，同時當寬度小於 0.8µm 以下，對於操作在光波長 1.55µm 會有基模無法被侷限在波導中的問題。我們以本實驗室磊晶組同學成長晶片 EAM15QWC 為例，利用 FIMMWAVE 模擬軟體，模擬光在此結構的光場分佈，在此要特別感謝馮瑞陽學長的幫忙。表一為 EAM15QWC 的結構表，其中每一層的折射率（n），是參照 M. J. Mondary, D. I. Babic, 等人在 1992 年所發表的論文[6]所求得。. 表 3-1. 不同寬度脊狀波導的特性阻抗. Width of the ridge waveguide Characteristic impedance of the ridge waveguide 2 µm. 24.58 O. 1 µm. 36 O. 0.9 µm. 37.9 O. 0.8 µm. 40.55O. 24.

(35) 10. 100 response 0.9 µm ridge response 2 µm ridge. 1.0. normalized V-L integral. 0.8. 1.0. 0.8. 0.6 0.6. 22.4 GHz. 45 GHz. 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 1. 10. 0.0 100. Frequence(GHz). 圖 3-6 頻率響應比較圖. 我們設定脊狀波導的高度為 2.2µm，並將主動層的折射率取平均值，圖 3-7 是脊狀波導寬度設定 2µm 的模擬結果，圖 3-8 是脊狀波導寬度設定 0.9µm 的結果。若我們將寬度減少至 0.8µm 時，用此結構模擬出來，光將無法被侷限在波導中，所以我們又模擬了兩種不同的情形，第一種蝕刻脊狀波導至主動層，波導高度為 1.79µm，其模擬結果如圖 3-9a，寬度 0.8µm 的脊狀波導將會有一個模態，第二種情形，蝕刻至基版，並在脊狀波導兩旁重新成長摻雜鐵的磷化銦，其模擬結果如圖 3-9b。以下我們選擇以 0.9µm 寬度的脊狀波導來做不同傳輸線長度頻率響應、反射係數以及 Impulse response 的模擬。. 25.

(36) 圖 3-7. 2µm 脊狀波導的光場模態. 圖 3-8. 0.9µm 脊狀波導光場的模態. 26.

(37) 圖 3-9a 高 1.79µm，寬 0.8µm 的脊狀波導光場模態. 圖 3-9b 高 2.2µm，寬 0.8µm 的脊狀波導光場模態. 27.

(38) 表 3-2 EAM15QWC 磊晶層明細表. Structure name : EAM15QWC. 磊晶層配置 p-contact layer p-contact grading step P-layer. x15 Quantum Wells /barriers. In0.532 Ga(1)0.468As. doping 厚度(A). n. Be:8E18. 600. 3.479. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As Be:5E18. 300. 3.3494. p-upper cladding layer 3. In0.523 Al(1)0.477 As. Be:3E18 15000 3.2005. p-upper cladding layer 2. In0.523 Al(1)0.477 As. Be:2E18. 1000. 3.2005. p-upper cladding layer 1. In0.523 Al(1)0.477 As. Be:1E18. 1000. 3.2005. p-region SCH/etch-stop In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As Be:1E18. 300. 3.3494. i-region SCH. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As. 300. 3.3494. Spacer. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As. 16. 3.3494. Sub-well 3. In0.683 Ga(2)0.317As. 13.2. 3.429. Internal barrier 2. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As. 8. 3.3494. Sub-well 2. In0.532 Ga(1)0.468As. 28. 3.479. Internal barrier 1. In0.36Ga(1+2)0.484 Al(2)0.156 As. 11.7. 3.4448. Sub-well 1. In0.532 Ga(1)0.468As. 14. 3.479. Strain balancing. In0.36Ga(1+2)0.484 Al(2)0.156 As. 40.1. 3.4448. Electron barrier. In0.699 Al(2)0.301 As. 40. 3.2005. Lower set-back layer. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As. 300. 3.3494. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As Si. 100. 3.3494. Si. 26. 3.2005. In0.421 Ga(2)0.195Al(1)0.384 As Si. 43. 3.2912. Si. 900. 3.2005. In0.421 Ga(2)0.195Al(1)0.384 As Si. 43. 3.2912. 26. 3.2005. 200. 3.3494. Balanced strain grading steps for conduction band. N-layer. 組成. Lower cladding Balanced strain grading steps for conduction band. T(2sec)+10. In0.699 Al(2)0.301 As. In0.523 Al(1)0.477 As. In0.699 Al(2)0.301 As. Si. In0.528 Ga(2)0.245Al(2)0.228 As Si：2E18. substrate. InP. 28. S. 3.166.

(39) 表 3-3 SQW80d 磊晶曾明細表 Structure name : 磊晶層配置. SQW-8od. 組成. p-contact layer. In0.53Ga0.28 Al0.19As In0.523 Al0.477 As In0.532 Ga0.468 As In0.523 Al0.477 As In0.532 Ga0.468 As In0.42Ga0.58 As In0.53Ga0.28 Al0.19As In0.65Al0.35As P In0.41Ga0.22 Al0.37As In0.523 Al0.477 As In0.523 Al0.477 As In0.523 Al0.477 As In0.523 Al0.477 As In0.523 Al0.478As In0.41Ga0.22 Al0.37As p-region SCH/etch-stop In0.65Al0.35As In0.445 Ga0.392 Al0.163 i-region SCH As In0.65Al0.35As In0.532 Ga0.468 As x20 In0.445 Ga0.392 Al0.163 Quantum As Wells In0.532 Ga0.468 As /barriers In0.42Ga0.58 As In0.53Ga0.28 Al0.19As In0.65Al0.35As In0.53Ga0.28 Al0.19As In0.65Al0.35As In0.41Ga0.22 Al0.37As N-layer In0.523 Al0.477 As In0.523 Al0.477 As In0.41Ga0.22 Al0.37As In0.65Al0.35As In0.53Ga0.28 Al0.19As substrate InP 29. doping. 厚度(A). n. Be:5E18 Be:5E18 Be:5E18 Be:5E18 Be:1E19 Be:1E19 Be:1E19 Be:1E19 Be:1E19 Be:5E18 Be:5E18 Be:2.5E18 Be:2.5E18. 3300 1200 3300 1200 300 35 66 65 34 500 15000 3000 1000 300 34 32. 3.37746 3.20049 3.479 3.20049 3.479 3.521 3.37746 3.42758 3.30215 3.20049 3.20049 3.20049 3.20049 3.20049 3.30215 3.42758. 73.3. 3.42219. 43.2 44. 3.42758 3.479. 9. 3.42219. 18 28 28.8 26.7 48 32 34 200 1350 34 32 384. 3.479 3.521 3.37746 3.42758 3.37746 3.42758 3.30215 3.20049 3.20049 3.30215 3.42758 3.37746 3.166. Si：2E18 Si：2E18 Si：2E18 Si：2E18 S.

(40) 第一種的電路設計，如圖 3-10 所示，輸入的傳輸線長度為 0.276mm，輸出長度 0.584 mm，傳輸線接於脊狀波導的兩端，其特性阻抗為 50O，接線墊板（pad）的特性阻抗為 9.9O，脊狀波導因其為半導體 p-i-n 構造的調變器，寬度為 0.9µm，所以特性阻抗為 37.9O，經模擬後結果如圖 3-11，其 3-dB 處的頻寬可達 45GHz。圖 3-12 是模擬 Impulse response 的結果，這個設計雖然有較寬頻的結果，但其 Impulse response 的結果並不好，所以我們做了另一種設計。第二種設計，如圖 3-13 所示，傳輸線的輸入長度為 1.216mm，輸出長度 0.276 mm，其所得的頻率響應模擬結果如圖 3-14 所示，頻寬降至 37GHz，但其 Impulse response 的模擬結果是較好的，如圖 3-15 所示。. 圖 3-10 Type1 傳輸線結構. 30.

(41) response VRC. 1.0. normalized V-L integral. 0.8. 45GHz 0.6. 0.4. 0.2. 0.0 10. 100. frequence (GHz). 圖 3-11 Type 傳輸線光調變頻率響應. Impulse response. 1.2 1.0 0.8. a.u.. 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0. 10. 20. 30. 40. 50. t (ps). 圖 3-12 Type1 傳輸線輸出光的 Impulse Response 31.

(42) 圖 3-13 Type2 傳輸線結構. 10. 100. response VRC. 1.0. normalized V-L integral. 0.8. 37GHz. 0.6. 0 0.4. 0.2. 0.0 10. frequence (GHz). 圖 3-14 Type2 傳輸線光調變的頻率響應. 32. 100.

(43) Impulse response. 1.2 1.0 0.8. a.u.. 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 0. 20. 40. t (ps). 圖 3-15 Type2 傳輸線輸出光的 Impulse Reponse. 33.

(44) 第四章元件製程在此章節中，我們將介紹電制吸收式高速光調變器製作方法、步驟與製程實驗結果。. 4-1. 製程示意圖 1.電子束微影術定義 0.8µm 的脊狀波導 PMMA. SiO 2 Epi-Layer. InP Coating PMMA. PMMA. PMMA SiO 2. Epi-Layer. InP Define two goove using E-Beam Lithography. PMMA SiO2. PMMA SiO2. Epi-Layer. InP Etching SiO 2. 34.

(45) PMMA. PMMA. SiO2. SiO2. InP Remove PMMA and dry etching. InP Define pad ( Photolithography). 2.用 photolithography 定義 2µm 的脊狀波導. SiO2. InP substrate Etching 2μm. SiO 2. InP. 3.用 ICP RIE 乾蝕刻出脊狀波導 35.

(46) SiO 2. InP. 4.蝕刻出特殊斜坡. Ground pad. Ground pad. InP substrate. Etching. InP substrate Remove PR. 5.鍍上接地電極. 36.

(47) InP substrate Evaporate Au. Lift-off. 6.塗佈高分子材料做平坦化 Polyimide. 7.利用反應式離子蝕刻露出脊狀波導和接地電板. 37.

(48) 8.鍍上訊號電極. Ground Pad. Electrode. 38. Ground Pad.

(49) 4-2. 光調制器之製程步驟與實驗結果一、鍍上氮化矽這裡要感謝中華電信研究所幫我們在晶片上成長 5000? Si3N4. 二、用 E-Beam Lithography 定義 0.9μm 間距. A. 製程步驟 (1)清洗晶片 (2)塗佈光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 PMMA 轉速：4000 轉 60 秒光阻厚度：~1.2µm b.放在 160℃ hotplate 上軟烤 60 分鐘 (3)定義光阻圖案 a.放入 SEM 的 specimen chamber 中，將真空抽至 2×e-6 Torr b.將加速電壓升至 30Kev c.設定參數 d. Run file process e.顯影液比例：MIBK：IPA=1:3 顯影時間：65 秒 f.光學顯微鏡檢查 g.硬烤：放入 90℃烤箱中硬烤二十分鐘 (4)反應式離子蝕刻，定義 Si3N4 的圖案反應條件： 39.

(50) CH4: 20 sccm Power: 100 瓦蝕刻時間： 4 分鐘 a.去除 PMMA ACE 震洗 5 分鐘. B. 實驗結果這裡我們已成功利用電子束微影術，定義出兩條長度 450µm，寬度 5µm 的溝槽，其間距為 0.8µm，並用 RIE 蝕刻 Si3N4，如圖 4-1 為蝕刻完後的圖案。. SiO2 InP 圖 4-1 0.8µm 乾蝕刻用遮罩. 40.

(51) 三、用電感耦合式反應式離子蝕刻（ICP RIE）蝕刻出 2µm 和 0.9µm 的脊狀波導 A. 製程步驟. (1) 清洗晶片 (2) 塗佈光阻 a.塗舖第一層光阻，利用旋轉塗佈機舖上 S-1813 光阻轉速：4000 轉 30 秒 b.放入 90℃烤箱中軟烤 10 分鐘（3）第一層光阻曝光 a.曝光時間：15 秒 b.將曝光後之晶片泡在松節油 (Turpentine) 中 10 分鐘 c.將晶片泡在去離子水中 2 分鐘 d.以高壓空氣將晶片吹乾 e.放入 90℃烤箱中軟烤 5 分鐘. (4) 塗佈第二層光阻 a.利用旋轉塗佈機舖上 S1813 光阻轉速：4000 轉 30 秒光阻總厚度：~2.2µm b.放入 90℃烤箱中軟烤 10 分鐘. (5)定義光阻圖案 a.曝光時間：30 秒 b.顯影液比例：AZ Developer：H2O = 1：2 c.顯影時間：50 秒 41.

(52) (6)反應式離子蝕刻，定義二氧化矽的圖案 a.蝕刻反應條件：100 瓦 17 分鐘 b.去除光阻 ACE 震洗 5 分鐘 (7)脊狀波導的蝕刻 a.利用電感式電漿耦合反應式離子蝕刻（ICP RIE）蝕刻條件： CH4：H2：Ar＝10：85：6 RIE power: 230 瓦 ICP power: 500 瓦蝕刻時間：60 分鐘蝕刻深度：2.6µm b.利用濕式蝕刻，蝕刻至 n 層蝕刻條件：溶液：. H3PO4: H2O2:H2O=1:2:17. 蝕刻時間：3 分鐘蝕刻深度：3.5 µm c.利用 RIE 將 Si3N4 去除蝕刻條件： Gas: CF 4 Power: 100 瓦蝕刻時間：5 分鐘. B. 實驗結果做此項實驗，同時使用 SQW88c、SQW80d、EAM15QWC 等三種不同的晶片，前兩款是由張道源老師於美國貝爾實驗室利用 MBE 42.

(53) 所成長之晶片，磊晶層厚度約 3.5µm。第三種晶片是由本實驗室 MBE 組同學所成長之晶片，磊晶層厚度約 2.2µm。以相同的條件做乾式蝕刻，蝕刻一小時後，蝕刻的深度分別為 2.5µm、2.6µm、1µm。由於 EAM15QWC 蝕刻後，脊狀波導已由 2µm 縮至 1µm，且 Si3N4 的寬度由 2µm 縮至小於 1µm 以下，如圖 4-3 所示，而 SQW88c 和 SQW80d 的 Si3N4 寬度約還有 1µm，所以我們選擇用 SQW88c 和 SQW80d 繼續做濕式蝕刻，蝕刻至 n 層。圖 4-2 為做完乾式蝕刻後 2µm 脊狀波導的剝面圖。我們可看到雖然脊狀波導有較垂直的形狀，但是卻是呈階梯狀。. 圖 4-2 SQW80d 2µm 脊狀波導. 43.

(54) 圖 4-3 EAM15QWC 2µm 脊狀波導. 在做 ICP RIE 的蝕刻過程，我們以 SQW80d、SQW88c、 MQW50b、Tao8nb1 等張老師由美國帶回的晶片做蝕刻的測試。以下就詳述其測試的條件和結果，表 4-1、4-2、4-3。其中 SQW80d、 SQW88c 是以 Si3N4 當遮罩，而 MQW50b 是以 SiO 2 當遮罩，實驗的過程中我們發現 3000? 的 Si3N4 可以經得起長時間的蝕刻（60 分鐘以上），但 SiO 2 就較不理想。. 44.

(55) 表 4-1 SQW88c 蝕刻結果 Gas：. Set. RIE. ICP. Time. DC. CH4 :H2 :Ar. pressure. (W). (W). (min). Bias. (m Torr). APC. Depth (µm). (V). Run1. 12:80:6. 12. 300. 1000 15. 60. 34.8. 1.2. Run2. 12:80:6. 12. 400. 1000 15. 130. 34.8. 1.23. Run3. 12:80:6. 12. 200. 1000 15. 19. 34.4. 1.1. Run4. 12:80:6. 12. 200. 1000 30. 17. 34.6. 1.37. Run5. 12:80:6. 12. 200. 100. 15. 17. 34.6. 1.37. Run6. 10:80:4. 12. 200. 1000 15. 17. 34.4. 1.4. Run7. 10:85:6. 12. 200. 1000 60. 19. 34.8. 2.1. Run8. 10:80:6. 12. 300. 1000 60. 10. 34.3. 2.3. 45.

(56) 表 4-2 SQW80d 蝕刻結果 Gas：. Set. RIE. ICP. Tim. Dc. CH4 :H2 :. pressure. (W). (W). e. Bias. Ar. (m Torr). (min). (V). Run1. 12:80:6. 12. 200. 1000. 60. 13. 34.8. 1.3. Run2. 10:80:6. 12. 200. 1000. 60. 14. 34.4. 1.8. Run3. 10:85:6. 12. 200. 1000. 60. 14. 34.4. 1.78. Run4. 10:80:6. 12. 300. 1000. 60. 98. 34.3. 1.61. Run5. 10:85:6. 12. 200. 1000. 60. 15. 34.8. Run6. 10:85:6. 12. 200. 1000. 60. 56. 35. 1.83. Run7. 10:85:6. 12. 200. 1000. 60. 14. 35. 1.8. Run8. 10:85:6. 12. 200. 1000. 60. 42. 35. 1.9. Run10. 10:85:6. 12. 200. 100. 60. 25. 35. 1.8. Rum11 10:85:6. 12. 200. 700. 60. 49. 34.2. 1.7. Run12. 10:85:6. 12. 230. 700. 60. 70. 35. 1.75. Run13. 10:85:6. 12. 250. 1000. 60. 53. 34.4. 2.1. Run14. 10:85:6. 12. 230. 500. 60. 133. 34.8. 2.75. Run15. 10:85:6. 12. 230. 500. 20. 115. 35. 1.35. (repea t#3). 表 4-3 蝕刻結果 46. APC. Depth (µ m).

(57) Gas：. Set. RIE. ICP. Time. DC. CH4 :H2 :Ar. pressure. (W). (W). (min). Bias. (m Torr). APC. Depth (µ m). (V). Run1. 8:80:5. 6. 150. 2000 15. 2. 90. 0.5. Run2. 4:80:5. 6. 150. 2000 15. 2. 90. 0.3. Run3. 12:80:5. 6. 150. 2000 15. 2. 90. 0.52. Run4. 12:80:5. 7.8. 150. 2000 15. 2. 90. 0.52. Run5. 12:80:6. 7.8. 150. 2000 15. 2. 90. 0.59. Run6. 12:80:6. 12. 150. 2000 15. 2. 34.8. 0.42. Run7. 12:80:6. 12. 150. 1000 15. 7. 34.8. 0.48. Run8. 12:90:6. 12. 150. 2000 15. 36.2. 0.43. Run9. 16:80:6. 12. 150. 2000 15. 2. 36.2. 0.52. Run10 16:90:6. 12. 150. 2000 15. 3. 37.9. 0.51. Run12 10:80:6. 12. 150. 1000 15. Run13 12:70:6. 12. 150. 1000 15. 2. 33.4. 0.4. Run14 12:80:6. 12. 150. 1000 15. 4. 34.7. 0.43. Run15 12:80:6. 12. 200. 1000 15. 15. 34. 0.52. 47. 0.38.

(58) 四、蝕刻出特殊斜坡這裡我們選用晶片 SQW88c 繼續下面的製程。. A. 製程步驟. (1) 清洗晶片 (2) 塗佈光阻 a.塗舖第一層光阻，利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻轉速：4000 轉 30 秒 b.放入 90℃烤箱中軟烤 3 分鐘 c.將晶片泡在松節油 (Turpentine) 中 10 分鐘 d.將晶片泡在去離子水中 2 分鐘 e.以高壓空氣將晶片吹乾 f.放入 90℃烤箱中烤 2 分鐘 g.塗舖第二層光阻，利用旋轉塗佈機舖上 AZ1500 光阻轉速：4000 轉 30 秒 h.放入 90℃烤箱中軟烤 3 分鐘. (3) 定義光阻圖案. a.用光罩對準機以光罩定義阻擋區對舖好光阻的晶片曝光，之後以顯影液 (AZ Developer) 顯影製作出所定義形狀的光阻層。 a-1 曝光時間：25 秒 a-2 顯影液比例：AZ Developer：H2O = 1：2 顯影時間：45 秒 48.

(59) b.光學顯微鏡檢查. (4)增強光阻硬烤放入 90℃烤箱中硬烤 4 分鐘 (5)反應式離子蝕刻 (RIE) 清潔晶片表面殘留光阻蝕刻反應條件：80 瓦 30 秒蝕刻速率：23Å/sec. (6)半導體蝕刻利用濕式蝕刻蝕刻出特殊斜坡 a. 溶液 C：H3PO4：HCl：H2O2：H2O = 1：1：1：37 蝕刻時間：35 分鐘. (7)去除光阻利用丙酮將光阻洗去. B. 實驗結果由於 ICP RIE 的蝕刻條件尚未最佳化，在蝕刻的過程會有階梯的形狀出現，所以在蝕刻特殊斜坡時，會造成階梯的形成，如圖 4-3。. 49.

(60) 圖 4-4 腐蝕斜坡. 50.

(61) 第五章結論對於 SEM，我們已成功將其改裝成電子束微影系統。並可做出我們所要求的小於 1µm 寬度的脊狀波導，而目前為止，我們的系統最小線寬，已可達到 100nm。最小線寬的限制，目前因環境的限制，這主要來自於電源供應或外界的頻率雜訊（Line frequence noise）、外界磁場的干擾以及環境的噪音和震動。而這些影響因素在我們觀察高倍率的 SEM 影像時，會造成影像的劣化。而影像的劣化代表著電子束不穩定，這自然會影響最小線寬的表現，所以我們正積極的準備電源穩壓器來解決頻率雜訊的問題，相信這會讓我們往更好的線寬邁進。對於元件的製程上，主要問題在於蝕刻 1.5µm 的 InAlAs 上，我們發現，對於現在所使用的 ICP RIE 條件去蝕刻類似的結構時，會有階梯狀的現像發生，且此現像會隨著 DC Bias 值的漂移而有所不同。使用 SiO 2 或 Si3N4 當遮罩皆會有寬度縮小的問題，所以在蝕刻 0.9µm 或 0.8µm 的脊狀波導時，未達所要求的深度，SiO 2 或 Si3N4 即被側蝕完，這種情形在我們加深 SiO 2 或 Si3N4 的厚度後依然沒有得到改善。在第二道光罩，腐蝕特殊斜坡時，因乾蝕刻造成的階梯狀導致原本所使用的溶液配方無法蝕刻出完美的斜坡，已致接地電極無法順利引至 n 層。整個元件的製作無法完成，時抱遺珠之憾。. 51.

(62) 參考文獻 [1] F. Murai, J. Yamamoto, H. Yamaguchi, S. Okazaki, K. Sato, and H. Hayakawa, “High-speed single-layer-resist process and energydependent aspect rations for 0.2μm electron beam lithography” , J. Vac. Sci. Technol., B12, 3874(1994). [2] G. Bastard, E. E. Mendez, L. L. Chang, and L. Esaki, “Variational calculations on a quantum well in an electric field” , Physical Review B, Vol.28, No.6, pp.3214-3245, 1983. [3] Samuel Y. Liao, Microwave devices and circuits, 2nd ed. pp.472, Prentice Hall, 1990. [4] Samuel Y. Liao, Microwave devices and circuits, 2nd ed. pp.473-474, Prentice Hall, 1990. [5] I. J. Bahl and R.Garg, “Simple and Accurate Formulas for a Microstrip with Finite Strip Thickness,” IEEE Proceedings Letters, Vol.65, pp.1611-1612, 1977. [6] M. J. Mondary, D. I. Babic, J. E. Bowers, and L. A. Coldren, “Refractive Indexes of ( Al, Ga, In ) As Epilayers on InP for Optoelectronic Applications, ” IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 4, pp 627-630, 1992.. 52.

(63)