建立在矽基板之單模態埋藏式高分子波導

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(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 建立在矽基板之單模態埋藏式高分子波導 Single Mode Buried Polymer Waveguides on Silicon Substrate. 研究生：吳銘仁撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十二年六月.

(2) 致謝. 在研究生生涯短短兩年內，有歡笑有淚水，在過程中我受到很多. 幫助和鼓舞，在這裡我要衷心地說聲感謝 ? 首先，要感謝我的家人，支持我完成碩士的學業 ? 而指導教授朱安國教授則是在我這兩年內影響我最多的人，老師不僅教我們做學問的道理，更重要的是他教會了我們做人做事的態度 ? 還有縫治､榮位､靖淵､建福､壽志､沛宸和怡箴...學長姐們不厭其煩的教導，我們的實驗基礎才得以建立 ? 更幸虧有書宏､奕任､立豐､虹任等同學，我們一起學習､一起弄壞機器､一起挨罵､一起經過一切一切的事件，希望我們永遠都是好夥伴 ? 當然少不了幫我們分擔雜務及勞心勞力的學弟們，欲智､斳倫､金龍､群豪､裕家，謝謝你們 ! 我很珍惜我還有一些好朋友，我們一起難過，一起歡樂，跟我一起發牢騷的宏賓，幫我解問題的永豐，常常借我東西的閔進和文琦，失戀陪我逛街的婉琦､謝謝你們 !! 材料所的小杜，電機所的 larry，外文所的 sandy，我們永遠都是死黨，希望大家畢業都順利 ? 最後就是高雄市教會的弟兄姊妹們，還有中山弟兄之家的弟兄們，謝謝你們在愛裡扶持我 !.

(3) 摘要本論文的目的是在長好二氧化矽(SiO 2)厚膜的矽基板上製作單模態埋藏式高分子波導(Single mode buried polymer waveguides)。首先我們以 BPM CAD 光場模擬軟體計算此波導之光場分佈，並確定為單模波導，再將其結構製作在已成長二氧化矽的矽基板上。接著，我們以乾蝕刻的方式在二氧化矽中蝕刻出槽溝(trench)，在其中填入苯環丁烯(Benezocy-clobutene, BCB)，當作波導的導光層(guiding layer)，槽溝底部的 SiO 2 當作底披覆層(bottom cladding layer)，再以回蝕法 (etching back method)將 BCB 層蝕刻到與槽溝等高，最後塗鋪上一層 sol-gel 混合型材料，當作頂披覆層(top cladding layer)同時使波導表面平坦化。在量測上，我們利用回切法(cut back method)來量得波導的傳輸損耗(propagation loss)及耦合損耗(coupling loss)此波導的傳輸損耗為：TE 波 0.91dB/cm 和 TM 波 0.97dB/cm，極化相依損耗為 0.06dB/cm，而耦合損耗為 1.78dB ?.

(4) Abstract. In this paper, a single mode buried polymer waveguide on silicon dioxide layer on silicon substrate is presented. The waveguide was completed by first obtaining the optical field distribution using a beam propagation method. The waveguide structure is carefully designed to ensure a single-mode operation of this device. The waveguide was fabricated. by. first. etching. a. trench. on. SiO 2. layer.. Then. Benezocy-clobutene (BCB) polymer was deposited onto the layer and cured in proper conditions. Finally, a thin hybrid sol-gel layer was used as the top cladding layer after the BCB polymer etch-back process. The propagation losses are 0.91dB/cm and 0.97dB/cm for TE and TM polarized lights. The polarization dependent loss is 0.06dB/cm. The coupling loss of the waveguide is 1.78dB..

(5) 目錄第一章序論. 1. 第二章埋藏式高分子波導特性與理論模擬. 6. 2-1.埋藏式高分子波導之結構特性與分析. 6. 2-2.高分子材料的特性分析及應用. 9. 2-3.波導理論模擬第三章埋藏式高分子波導元件製作. 13 16. 3-1.製程流程圖. 16. 3-2.埋藏式高分子波導製程說明. 17. 3-3.實驗結果與討論. 27. 第四章高分子埋藏式波導量測與分析. 30. 4-1.埋藏式高分子波導封裝及研磨. 30. 4-2.高分子埋藏式波導切割及研磨. 30. 4-3.光學量測系統架設. 33. 第五章實驗結果與討論. 36.

(6) 表目錄第一章序論第二章埋藏式高分子波導特性與理論模擬表 2-1 波導結構特性參數列表. 8. 表 2-2 BCB 材料特性參數表. 10. 表 2-3 Sol-gel 塗鋪轉速和厚度. 13. 表 2-4 波導參數模擬結果表. 14. 第三章埋藏式高分子波導元件製作表 3-1 光阻乾蝕刻參數表. 17. 表 3-2 SiO 2 乾蝕刻參數表. 20. 表 3-3 BCB 回蝕參數表. 22. 第四章高分子埋藏式波導量測與分析第五章實驗結果與討論.

(7) 圖目錄第一章序論圖 1-1 波導類型圖. 5. 第二章埋藏式高分子波導特性與理論模擬圖 2-1 埋藏式波導截面結構圖. 8. 圖 2-2 BCB 塗鋪轉速對應厚度. 11. 圖 2-3 BCB 固化溫度對應折射率圖. 12. 圖 2-4 波導模擬光場分布圖. 15. 第三章埋藏式高分子波導元件製作圖 3-1 波導製程流程圖. 16. 圖 3-2 BCB 加熱固化圖. 21. 圖 3-3 Sol-gel 加熱固化圖. 23. 圖 3-4 高分子波導之製程示意圖. 26. 圖 3-5 為波導槽溝截面圖. 28. 圖 3-6 為完整波導截面圖. 29. 第四章高分子埋藏式波導量測與分析圖 4-1 波導封裝後之截面結構圖. 31. 圖 4-2 波導元件切割後之截面圖. 32. 圖 4-3 波導元件研磨後截面圖. 32.

(8) 圖 4-4 光學量測系統圖. 35. 圖 4-5 波導元件長度對應損耗圖. 35.

(9) 第一章序論隨著半導體科技日新月異地進步,個人電腦的效能不斷的提升,以及網際網路的多媒體應用,甚至金融、期貨、證? 都在網路上提供服務，人們對網路的依賴性日益地增加，造成頻寬的需求大增，光纖通訊產業的蓬勃發展。而在光纖通訊系統中, 其中光纖通訊元件與設備都佔有很大的市場比例，而在光電元件又分為主動元件及被動元件 ? 主動元件有：光發送器、光接收器、光收發器以及光放大器 ;被動元主動元件有：光纖、光纜、光連接器、分光器/光耦合器、光分波/合波器、光隔離器、光衰減器、偏光器 ? 在製程上，光電元件一直很難像 IC 製程一樣，達到完全機器量產自動化的情形，因此如何將台灣現有的半導體產業經驗有效的應用到光電產業中，以達到降低成本的目的，進而增加光電產業的競爭力，實在是一個值得我們好好思考的課題 ? 而以平面光波導 (Planar light wave circuit, PLC) 技術而言，平面光波導(PLC)是一種在平面上製作許多光波導線路使其具分. 合光、光學切換. (optical switch) 等功能，進而可以將平面光波導製作成分光器/光耦合器、光隔離器、光衰減器甚至包括陣列波導光柵分波多工多工器等高單價元件。一般光波導是在矽基板上沈積一層二氧化矽，接著在其上以半導體的.

(10) 製程製作出所需要的光波導元件，由於考量矽基板成本價格便宜及二氧化矽與光纖是同一材質，因此有傳播損失小且折射率相互匹配等優點。加上 PLC 之製作是以半導體製程進行，使其具有穩定性佳、可量產、可積體化等特點，因此被公認為是「高密度波長多工通訊系統」(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) 光通訊系統產業中的明日之星 ? 決定平面光波導製作成本的因素包括：材料和製程方式，以及後段的封裝量測?以材料而言，一般普遍使用火焰水解法(Flame Hydrolysis Deposition, FHD)二氧化矽[1]來製作平面光波導，也就silica-on-silicon的技術，它的優點包括:低雙折射、低沉積溫度、較大的折射係數選擇範圍、對環境的高抵抗能力以及較高的半導體製程匹配特性，加上技術成熟，實在是平面光波導一個很好的發展方向?但是由於FHD SiO 2製程成本較高及耗時，對於將平面光波導元件導入家用光通訊市場的可能性實在不大，而高分子(polymer) 材料的問世剛好可以解決這個問題? 高分子(polymer)[2,4,6]材料不同於半導體無機材料，它是以溶劑和固體材料依其需要所調製而成的膠狀物質，經過加熱後可固化成我們所要的薄膜?高分子材料具有：低傳播損耗(low propagation loss) 、高熱光係數(high temperature/thermal coefficient)、製程簡單、對酸鹼環境的高抵抗力以及價格便宜的優點?但高分子材料有較大的雙折射特性和對環境的抵抗力差，加上它的穩定性比半導體無機材料來的差，因此高分子材料還有很大的進步.

(11) 和改良空間?不過近年來已有許多高分子材料相關之研究及文獻，包括材料的開發、製程的簡化以及主被動元件的製作，如偶合器(coupler) 、分光器 (optical splitter)、濾波器(filter) 、光開關(optical switch)以及陣列式波導光柵等元件?因為唯有高分子材料能將簡化光波導元件的製程，以及降低產品的價格，對於將昂貴的光波導元件導入家庭用產品，有很大的可行性;而新興的奈米科技或許可以不同的技術合成特性更佳或是成本更低的高分子材料? 一般而言的光波導的類型可分為： (1) 埋藏式波導 ( buried waveguides ) (2) 脊樑式波導 ( ridgewaveguides ) (3) 擴散式波導 ( diffusion waveguide );如圖 1-1 所示，若以埋藏式波導與脊樑式波導作比較，埋藏式波導具有平坦的特性，適合製作積體化光電元件，與其他半導體元件，如：半導體雷射( laser diode) 、光檢測器( optical detector ) 有較大的積體匹配能力，在元件製程上有較大的良率?而以埋藏式波導與擴散式波導作比較的話，埋藏式波導的導光層的折射係數較好控制，導光層厚度也較擴散式波導來的大，在選擇光波導的特性參數上有較大的範圍?而埋藏式波導在往微菱鏡偏折(micro-prism bending)結構[9]及分岔 (branch)結構[10] 上，在分岔的尖角形狀上的定義都比脊樑式波導來的簡單，而在埋藏式波導中我們也可以利用底材當作微菱鏡偏折的材料，不必像脊樑式波導還須以不同折射係數的材料來製作，製程上不僅複雜且成本更高?.

(12) 本論文是在以 PECVD 方式成長 SiO 2 cladding layer 的矽基板，在其上製作高分子材料的埋藏式結構波導?其中，平面光波導之導光層以及上披附層皆為高分子材料和有幾-無機混合型材料，因此我們只要具備已成長完 SiO 2 的矽基板，再加上高溫爐，即可以旋轉塗鋪(spin-coating)的方式製作我們所要的高分子薄膜? 在本文的第二章會介紹到我們所設計的平面光波導結構[5]，並就其結構的特性作一個說明;接下來將為我們製程所用到的有機-無機混合型材料 (sol-gel)[11]和高分子材料的特性做一個討論，最後我們會利用 Beam Propagation Method (BPM) CAD 這套軟體來模擬我們所設計的結構，得到平面光波導之光場分布圖，以確保我們的平面光波導之特性參數的正確度? 第三章則是介紹埋藏式高分子波導的詳細製作流程[8,12]，包括鉻金屬蒸鍍、光微影術、濕蝕刻、BCB 塗鋪及固化、BCB 回蝕、sol-gel 塗鋪及固化等製程 ? 而在第四章中，我們將為所製作的平面光波導搭設一個光學量測系統 [1,10]，其系統光源為光通訊系統常用之 1.3μm 的光源，以測量我們所製作之平面光波導在通訊系統中所造成之光能量損耗，包括傳輸損耗 (propagation loss) 以及偶合損耗(coupling loss) ，並就所量測之數據做實驗討論及分析 ?.

(13) 在第五章中是本篇論文的結論，我們會對所製作之埋藏式高分子波導，其材料、設計、製程、量測結果及改進方向做一個總結 ?. core core. 埋藏式波導. core. 脊樑式波導. 圖 1-1 波導類型圖?. 擴散式波導.

(14) 第二章埋藏式高分子波導特性與理論模擬. 在本章中介紹到我們所設計之平面光波導之結構，在第一節中先對設計之波導的的結構尺寸及材料特性參數做個說明，並且討論其結構的優缺點 ? 在第二節中將介紹我們在波導製程中所用到的兩種材料，包括它們特性以及在光波導元件的應用 ? 而在第三節中，我們會把所設計的平面光波導結構及特性參數，利用 BPM CAD 這套軟體來計算模擬，而得到波導內部的光場分布?. 2-1. 埋藏式高分子波導之結構特性與分析本文之埋藏式高分子波導是利用，如圖 2-1 所示，以 PECVD 的方式在矽基板上沉積厚度為 10µm 的 SiO 2 的厚膜，其折射率(nSiO2)=1.565，當作波導的批覆層 ? 而我們再利用乾蝕刻(dry etching)的方式在 SiO 2 層中蝕刻出截面形狀為 5µm×5µm 的槽溝(trench)，接著我們在槽溝中填入苯環丁烯 (Benezocy-clobutene, BCB)[3]，BCB 折射率(nBCB)=1.578，做為波導的導光層?最後我們會塗鋪上一層 sol-gel(溶凝膠)無機-有機混合型材料，厚度為 1µm 其折射率(nsol-gel=1.47)，做為波導的頂披覆層(top-cladding layer) ，表 2-1 即為此波導結構之各項特性參數列表?.

(15) 此波導的結構及材料特性具備了下列幾項優點： 1. 平坦化波導結構 2. 價格低廉 3. 製程簡單由於波導的結構是屬於埋藏式波導，所以在製作完波導的晶片表面是一個平坦的表面結構，當我們將此平面結構的光波導元件繼續發展成，其上加金屬線之光衰減器或者是光開關的製程上，比起一般的脊樑型波導會有較大的製程良率[9,12]? 而它平坦化的一個結構，在與其他光電元件做製程匹配上，也會有較大的積體整合能力? 至於我們在此一結構的波導製程中，只有底披附層的材料是二氧化矽的材料，其餘的導光層和頂披附層都是使用高分子和溶凝膠材料;在製程成本上，比完全利用 PECVD 製程成長的平面光波導便宜許多 ? 加上本製程不需要 PECVD 的設備，只需要購買已成長二氧化矽的矽基板便可製作，加上處理高分子材料只需要靠旋轉塗鋪機，將材料以適當轉速塗鋪到基板上，再放至真空腔體中或高溫爐中，加熱使其材料固化形成我們所需之折射率之厚膜，這樣的製程不僅減少了製程的時間，也可以使波導元件達到商業化的量產 ?.

(16) Sol-gel Thickness. BCB SiO 2 Silicon n 圖 2-1 埋藏式波導截面結構圖. layer top-cladding layer(sol-gel). index(for?=1.3µm). thickness(µm). 1.565. 1. core layer (BCB). 1.578. 5. bottom-cladding layer(SiO 2). 1.47. 5. 表 2-1 波導結構特性參數列表.

(17) 2-2.高分子材料的特性分析及應用本論文製程中使用到兩種高分子材料，BCB 和 sol-gel(溶凝膠)材料，分別為波導的導光層和頂披覆層? 在 BCB 的方面，我們所使用的是美國陶氏化學公司 Cyclotene 4026-46 的 BCB 產品，此材料具有低介電常數、高頻低損耗、低烘烤溫度、熱穩定性佳、良好的化學電阻值等特性，其特性參數如表 2-2 所示 ?在開始製程前，我們必須找出適合我們元件薄膜塗鋪的適當轉速和固化溫度，所以我們先清潔 sample 以便沉積薄膜，再以不同的轉速在旋轉塗鋪機上，塗鋪我們的薄膜? 再來將塗鋪完 BCB 之 sample，先以低溫預烤，目的是為了使 BCB 的表面稍微定型?由於 BCB 必須在無氧環境中加熱達到固化，使分子完成鍵結;所以我們會將 sample 置於真空腔體中，在真空中加熱固化，將固化時產生之氣泡吸出，以減少波導的散射損耗? 再來我們會利用菱鏡耦合器(prism coupler) [10,11]以 1.3µm 的光源去量測我們所塗鋪之 BCB 的薄膜厚度和折射率，之所以用 1.3µm 的光源的原因是，此光源與我們在光纖通訊系統中的傳輸光源相同? 再來我們會根據所量測到的厚度和折射率，來選擇我們所要塗鋪 BCB 的轉速和固化的溫度..

(18) Property Dielectric Constant(1kHz~20GHz) Dissipation Factor(1kHz~1MHz) Volume Resistivity(O-cm). value 2.65 0.0008 1x1019. Thermal Conductivity(W/m°k) Tg(℃) CTE(ppm/℃) Viscosity Stress(Mpa). 0.29 >350 52 1100 28. 表 2-2 BCB 材料特性參數. 而圖 2-2 為所量得轉速與膜厚對應圖，由此來選擇塗鋪 BCB 的轉速，我們選擇的轉速是 5000rpm，厚度為 7.3µm 的這個參數?由於我們是將 BCB 塗鋪在已蝕刻出槽溝的 Sample 上，因此我們需要使在槽溝上方之 BCB 薄膜表面越平整越好，加上未來還有利用乾蝕刻 etching back 的製程，所以我們選用 5000rpm 的參數，以增加薄膜表面的平整性以及減少薄膜的厚度? 而圖 2-3 為 BCB 固化溫度與折射率對應圖，如圖所示，其折射率可控制範圍為 1.570~1.578 ; 我們選擇 200℃的溫度來加熱固化 BCB 薄膜，原因是 BCB 的固化溫度越高，其雙折射的現象越大，另一個原因是 BCB 材料的玻璃轉換溫度(glass transform temperature,Tg)為 350℃，在此溫度固化的 BCB 材料，其材料結構與玻璃相似，為非規則性晶體結構，其結構對光的吸收率較大，故我們選用遠離 Tg 點的溫度固化 BCB，不僅為了降低導光層 BCB 對光的吸收率，也可增加波導對光的 Confinement factor(侷限係數)?.

(19) 16 14 Thickness(um). 12 10 8 6 4 2 0 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. Speed(rpm). 圖 2-2 BCB 塗鋪轉速對應厚度圖. 1.579 1.57826 1.578 1.57834. 1.5776. TE TM. 1.577 1.57732. Index. 1.576 1.575. 1.57496 1.57464. 1.574 1.573 1.572. 1.57122. 1.571. 1.57046 1.57 175. 200. 225. 250. 275. 300. Curing temperature(℃). 圖 2-3 BCB 固化溫度對應折射率. 325. 350. 375.

(20) 而另一種在本論文所用到的材料是由工業技術研究院化工所提供的 Si-1114 型 sol-gel 材料，sol-gel(溶凝膠)混合型材料[11]，正如它字面的意思一般，它是由 inorganic(無機)和 organic(有機)的材料以 sol-gel 這個製程混合而成的的一種材料? 由於有機高分子的材料具備很好的光學性質，如：很大的折射率調整範圍、很高的透光率、還有製程簡單的優點;但是其機械性質不如無機材料般優良，如：表面硬度、應力、熱穩定性、以及對環境的抵抗力等 ? 因此便有人想出以 sol-gel 的製程將有機和無機的材料混合成一種新的混合型材料?因此它具備了有機和無機材料的優點如：大的折射率調整範圍、高的透光率、表面硬度應力、熱穩定性、以及對環境的抵抗力?而它的製程也十分簡單,只需以旋轉塗鋪機塗鋪 sol-gel 材料，然後在至於烤箱中烘烤即可，而我們在使用前需要做塗鋪轉速的測試，由菱鏡耦合器量測 sol-gel 厚膜特性結果如表 2-3 所示:. 轉速(rpm). 厚度(μm). 1000 1250 3000 4000 5000. 3.5 2.1 1.5 1.2 0.7. 表 2-3 Sol-gel 塗鋪轉速和厚度對應表.

(21) 我們從以上的結果選擇轉速為 5000rpm 厚度為 0.7µm 的參數，原因是我們希望 sol-gel 的厚度小於 1µm，目的是使波導為單模操作，而加熱固化的溫度是 170℃，折射率為 1.47，這樣會使的光的場量在頂披覆層中迅速的衰減，使波導外露出的能量減到最小; 此外由於 sol-gel 加熱固化後表面的材質有點近似玻璃，因此也可當作元件的保護層?. 2-3. 波導理論模擬當我們設計完波導的結構[5,8,12]，還需要利用理論去驗證我們的想法，其中較常用的方法是利用光場傳播模擬程式去模擬我們的波導結構，當模擬結果驗證我們的波導結構時為單模態波導時，再實際製作埋藏式高分子波導? 本論文是利用 BPM CAD 這套軟體來模擬我們的波導? 在程式中，我們會先畫出波導每一層的結構，設定其相對之折射率，經過計算後得知，其波導結構的內部傳播光場分布，以及 Confinement factor(侷限係數) 和 Spot size(模場直徑)，我們也可經由程式計算得知波導和光纖偶合的效率?其模擬的結果及波導內光場分布分別如下表 2-4 及圖 2-4 所示：.

(22) 模擬結果. 數值. Spot size Confinement factor Coupling loss to single mode fiber. 4.8µm × 4.2µm 89.2% 1.2 dB. 表 2-4 波導參數模擬結果表. 圖 2-4 波導模擬光場分布圖.

(23) 如圖 2-4 所示，是經由 BPM CAD 所模擬的光場分布圖，由圖可推算其 Spot Size 為 4.8µm × 4.2µm，而其波導內的侷限係數為 89.2%，此光場與所模擬之單模光纖光場的偶合損耗為 1.2 dB ? 有了模擬的結果的驗證波導結構的正確性，我們便可以開始此波導的製程?.

(24) 第三章埋藏式高分子波導元件製作這一個章節將介紹埋藏式高分子波導製造流程[8,12]，在 3-1 我們會介紹製程的簡單流程，而在 3-2 會詳細說明每一個製程流程的條件參數及實驗目的，最後 3-3 我們會對製程結果做一個討論及分析 ?. 3-1. 製程流程圖 Sample 清潔. Sol-gel 塗鋪及. 及烘乾. 固化. Cr 金屬蒸鍍. BCB Etch back. 光微影術. BCB 塗鋪及固化. Cr 金屬濕蝕刻. SiO2 乾蝕刻. 圖 3-1 波導製程流程圖.

(25) 3-2.埋藏式高分子波導製程說明. 步驟(一)：Sample 清潔及烘乾 (1)將 Sample 置於 Acetone(丙酮)溶液中，在超音波震盪機內，以震度九的強度，清洗二十分鐘 ? (2)將 Sample 置於 Isopropyl Alcohol (異丙醇)溶液中，在超音波震盪機內，以震度九的強度，清洗二十分鐘 ? (3)將 Sample 置於 DI water(去離子水)溶液中，在超音波震盪機內，以震度九的強度，清洗二十分鐘 ? (4)將 Sample 以去離子水沖乾淨，用氮氣槍吹乾後至於烤箱中，在 120℃ 下烘烤 60 分鐘 ?. 步驟(二) ：金屬 Cr 熱蒸鍍(Thermal Evaporation ) 蒸鍍條件: 1.腔體壓力：5.0×10-. 6. 2.蒸鍍電流：75 Amp 3.蒸鍍速率：0.4 Å /sec. torr.

(26) 4 .蒸鍍厚度：3000 Å. 步驟(三)：光微影術(Photo-lighthography) (1). 以光阻塗鋪禨將 AZ4210 型的光阻，以 500rpm 的轉速旋轉 10 秒再以 5500rpm 的轉速旋轉 40sec，塗鋪至 sample 上?. (2). 在 hot plat 上以 100℃加熱 90sec 使光阻軟烤，然後在 I-line 下曝光 45sec，在 AZ4000 型的顯影液中顯影 30~40sec?. (3). 在熱墊板上以 120℃加熱 120sec 使光阻硬烤，目的是為了增加光組及 Cr 金屬間的的吸附力，以當作濕蝕刻時的保護層?. 步驟(四)：Cr 金屬濕蝕刻(wet etching) (1). 在 120ml 的燒杯中盛裝 100ml 的 Cr-7T 鉻蝕刻液，溫度為室溫?. (2). 將 sample 以氮氣槍吹乾淨後，在 Cr-7T 中蝕刻約 60sec 後沖水，再以氮氣槍吹乾，蝕刻率為 50Å/sec ，在進行乾蝕刻前需將金屬保護層上之光阻清理乾淨 ?.

(27) 步驟(五):SiO 2 乾蝕刻 (1). 先以活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch, RIE )去除 sample 上殘餘的光阻，乾蝕刻參數如下：. (2) 乾蝕刻參數. 數值. RIE power. 80W. 操作氣壓氣體流量(O2) 操作時間. 15 mtorr 6 s.c.c.m 10 min. 表 3-1 光阻乾蝕刻參數表. (3). 接下來我們再以活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch, RIE )和電子環繞共振式(Electron Cyclotron Resonance, ECR)蝕刻，在 SiO 2 層中蝕刻出波導的槽溝結構，其參數如下：.

(28) 乾蝕刻參數. 數值. POWER. RIE=100W; ECR=200W. 操作氣壓. 8~10mtorr. 氣體流量(SF6). 6 s.c.c.m. 操作時間. 83 min. 蝕刻率. 602 A°/min 表 3-2 SiO 2 乾蝕刻參數表. 步驟(六)：Cr 金屬保護層移除 (1) 乾蝕刻製程結束後，將 sample 至於 Cr-7T 鉻蝕刻液中，目的是為了移除 Cr 金屬層 ?. 步驟(七)：BCB 塗鋪及固化 (1) 將已蝕刻完波導之槽溝結構的 Sample 以氮氣槍吹淨後，以兩段式轉速將 BCB 塗鋪至 Sample 上，轉速和時間分別為：500rpm 時間 60sec 和 5000rpm 時間 40sec ? (2) 然後再將以塗鋪完 BCB 之 Sample 至於烤箱以 70℃的溫度烘烤 20 分鐘，在烤箱中加熱是為了表面形狀之定型，在來我們將 sample 至於真空腔體中以下加熱曲線圖加熱使其達到真正的固化 ?.

(29) 250. 200. Temperature(℃ ). 150. 100. 50. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Curing Time (min). 圖 3-2 BCB 加熱固化圖. 步驟(八)：BCB etch back (1) 為了平坦化 BCB表面，在進行 etch back 前需要塗鋪一層光阻 AZ4620，其塗鋪轉速為 4000rpm，時間為 40sec ，然後將塗鋪完光組的 Sample 在 hot plate 上以 120℃加熱 120sec ? (2) 然後我們以乾蝕刻的方式，去回蝕 BCB 和光阻直到 BCB 的表面和槽.

(30) 溝的頂部齊高，其蝕刻條件如下：. 乾蝕刻參數. 數值. 蝕刻功率. RIE=100W, ECR=200W. 操作壓力. 8~10 mtorr. 氣體流量. SF6=6 s.c.c.m ; O2=4 s.c.c.m. 蝕刻速率. 1967 Å/min. 表 3-3 BCB 回蝕參數表. 步驟(九)：sol-gel 塗鋪及固化 (1) 將 Sample 以氮氣槍吹乾淨後，在以 5000rpm 的轉速，時間為 40sec 塗鋪 sol-gel 材料 ? (3) 再將塗鋪完 sol-gel 之 sample 至於烤箱中，以下圖之加熱曲線加熱使其達到固化：.

(31) 180. 160. 140. Curing Time(℃ ). 120. 100. 80. 60. 40. 20. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. Temperature(min). 圖 3-3 Sol-gel 加熱固化圖以上九個步驟即為埋藏式高分子波導之完整製程 ? 以下為埋藏式高分子波導之製程示意圖： (1). Cr 金屬蒸鍍： Cr. SiO2. Silicon. 80.

(32) (2)光微影術： PR Cr. SiO2. Silicon. (3)鉻金屬濕蝕刻： PR Cr. SiO2. Silicon n. (4) 移除光阻：. Cr. SiO2. Silicon Silicon n.

(33) (5) SiO 2 乾蝕刻：. Cr. SiO2. Silicon. (6)鉻金屬移除：. SiO2. Silicon. (6)BCB 塗鋪及固化：. BCB. SiO2. Silicon.

(34) (6) 塗鋪光阻平坦化 BCB：. PR BCB. Cr. SiO2. Silicon. (7) BCB 回蝕：. BCB SiO2. Silicon. (8) Sol-gel 塗鋪及固化： Sol-gel BCB SiO2. Silicon. 圖 3-4 高分子波導之製程示意圖.

(35) 3-3. 實驗結果與討論我們利用以上的製程，成功地製作出埋藏式高分子波導，而在製程中有幾個需要注意的地方： (1). Cr 金屬的厚度：. 在此我們所取得之已長好 SiO 2 厚膜的矽基板，經實驗發現，若蒸鍍之金屬厚度為 3500Å 時，在 sample 進行濕蝕刻製程時，Cr 會有龜裂的情形，因此我們把 Cr 的厚度降低至 3000 Å，避免濕蝕刻時的應力變化太大，造成 Cr 的龜裂? (2). 濕蝕刻完後光阻的清除：當我們結束濕蝕刻製程後，在乾蝕刻製程前，若是在 Cr 金屬上殘餘大. 部分光阻的話，可能會造成槽溝測邊蝕刻形狀不佳，以及在乾蝕刻時槽溝底部會有高分子沉積物的產生，所以我們在濕蝕刻製程後，將 sample 浸泡於 50℃ ~60℃的丙酮中，然後再以丙酮沖去大部分的光阻，再以異丙醇和去離子水沖淨後，最後以氮氣槍吹乾即可? (3). SiO 2 乾蝕刻的時間：為了避免乾蝕刻時 sample 表面溫度變化太大，經過測試後決定每次乾. 蝕刻操作時間為 5 分鐘，sample 溫度變化小於 3℃，目的是為了防止，因.

(36) sample 表面溫度變化太大，導致波導槽溝內的表面粗糙，造成光在波導內行進時有較大的散射損耗? 以上幾點則為此波導製程中需要注意的點，而在圖 3-5 為 SiO 2 乾蝕刻完後的波導槽溝的截面 SEM 圖，由圖所示為一寬 5µm 高為 5µm 的槽溝結構，其表面粗糙度不大，因此推論光在波導內行進時不會有太大的散射損耗 ?而圖 3-6 為完整波導截面圖，如圖所示由上而下依序為：sol-gel 頂披覆層、BCB 導光層、SiO 2 底披覆層、Silicon substrate ?. 圖 3-5 為波導槽溝截面圖.

(37) 圖 3-6 為完整波導截面圖.

(38) 第四章高分子埋藏式波導量測與分析. 在本章會說明波導元件量測前的封裝?、切割以及研磨處理，再來將介紹量測波導元件特性的光學系統，最後會針對所量得之波導元件之參數做一個說明 ?. 4-1 埋藏式高分子波導封裝：當 sample 完成波導製作之製程後，在量測之前需要先做封裝研磨的處理，以降低波導與雷射光耦合時的偶合損耗 ? 首先，將 sample 以氮氣槍吹乾淨後放置平台上，在 sample 中央滴上適量之 UV 膠，然後蓋上 Pyrex-7740 玻璃，在 sample 上施以適當壓力，將多餘的 UV 膠和氣泡擠出，再以 UV 曝光機對 sample 和 Pyrex-7740 玻璃間的 UV 膠加以曝光固化，即完成波導元件的封裝，圖 4-1 為波導元件封裝後之截面結構圖?. 4-2. 高分子埋藏式波導切割及研磨: 將封裝好的波導元件底部擦拭乾淨後，然後將波導元件置於 Blue-tape 上，放置切割機之真空吸附陶瓷工作盤上，以鑽石刀切割.

(39) Pyrex-7740 UV-epoxy. Sol-gel. BCB. SiO 2 Silicon substrate. 圖 4-1 波導封裝後之截面結構圖. 已封裝好之波導元件之前後端，使其元件量測頭尾端面露出，切割過程中需以冷卻水冷卻切割面以及鑽石刀，避免因溫度過高而造成切割端面及鑽石刀片的損壞 ? 接著，將切割完之波導元件放置於我們所設計之夾具，使量測端面露出以便研磨，將夾具放至於切割機上之孔洞，在拋光絨布上進行拋光，首先以顆粒孔徑為 0.3µm 的 Al2O3 溶液進行拋光，而向下施加之壓力為 5 牛頓，分別順時針拋光 90sec 和逆時針拋光 90sec，然後以超音波震盪機將其上之 Al2O3 顆粒清除 ; 再以顆粒孔徑為 0.05µm 的 Al2O3 溶液進行拋光而向下施加之壓力為 5 牛頓，分別順時針拋光 120sec 和逆時針拋光 120sec，然後以超音波震盪機將其上之 Al2O3 顆粒清除，以顯微鏡觀察後用氮氣槍吹乾淨便可量測其波導元件之特性?而圖 4-2 為切割完之波導截面圖，如圖所.

(40) 示，經過切割之截面稍顯粗糙，故推論會有較大的耦合損耗，而圖 4-3 為研磨完之波導截面圖，其截面經過二段式拋光後，呈現平滑面，因此推論經過拋光後波導元件的耦合損耗會被降低 ?. 圖 4-2 波導元件切割後之截面圖. 圖 4-3 波導元件研磨後截面圖.

(41) 4-3. 光學量測系統架設為了量測已封裝好，並完成切割研磨程序之波導元件，需要架設一個光學量測系統量測[11,12]波導元件的特性，其光學系統構造如所示?首先，我們在系統的 coupler(耦合器)的 input 端光纖，其中一端利用透鏡打入波長為 632.8nm 的 Hi-Ne Laser，做為量測時的對準光源 ; 而在另一端的 input 端光纖，則打入 1.3µm 的 laser diode(雷射二極體)光源，做為波導的損耗量測光源 ? 接著，將 coupler 的 output 端光纖所打出的光，經過透鏡，再經過 polarizer(極化器)，再經過透鏡聚焦到波導元件的 input 端，在系統的這個部分可改變極化器的方向，分別量測 TE 極化和 TM 極化方向，光在波導內部行進時的傳播損耗 ? 再來利用透鏡將波導元件 output 端的光聚焦至 detector(光檢測器)的中心，而 detector 則連接至 HP 4155 半導體參數分析儀，detector 可將所檢測到的光強度，轉換成電流訊號，再利用 HP 4155 半導體參數分析儀，便可計算實際量測到的光強度?最後，我們將所量測之電流訊號帶入公式(1)中，即可計算 1.3µm lader diode 光源在波導元件裡所產生的產生的傳播損耗 (propagation loss) ?而我們計算波導元件傳播損耗的方法是回切法( cut-back method)[10]，也就是利用量測同一波導元件不同長度的損耗，再由損耗及波導長度之相關對應圖中，來得知波導元件的傳播損耗及偶合損耗 ?如以下公式所示，. Pi 為波導輸入之光功率，Po 為波. 導輸出功率，將波導輸出功率除以波導輸入功率的結果取 dB 值，即為波導.

(42) 元件的損耗?. a. =.   10 . ×. Log.  P   P. o i.      . ------- (1). α =波導元件之損耗 (dB). Pi=波導輸入之光功率 Po=波導之輸出光功率. 如圖 4-5 所示，即為波導元件之長度和損耗對應圖，橫軸是波導元件的長度，而縱軸是波導元件的損耗，由圖中之線性曲線所示，斜率即為波導元件之傳播損耗，而由曲線推算到波導元件長度為零之損耗值，即為耦合損耗 ; 由圖 4-5 中我們可知波導元件的傳播損耗在 TE 極化方向為 0.92dB/cm，TM 極化方向為 0.98dB/cm，極化相依損耗為 0.06dB/cm，而其耦合損耗為 TE 為 1.78dB ,TM 為 1.66dB?.

(43) Polarizer. 1310nm. Couple. Detector Waveguide Lens Lens. 632.8nm Hi-Ne. Lens. Len HP4155. 圖 4-4 光學量測系統圖 Semiconductor Parameter analyzer. 0 -0.5 -1 -1.5 Loss (dB). TE:y = -0.9185x - 1.7839 -2 TM:y = -0.9795x - 1.662 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5 0. 0.5. 1. 1.5. 2. Length (cm). 圖 4-5 波導元件長度對應損耗圖. 2.5. 3.

(44) 第五章實驗結果與討論本論文提出了一個製作埋藏式高分子波導的方法，包括從材料的特性研究，以及波導結構的設計，還有波導場型分布理論的模擬，此外也完成了波導元件的的實際製作及特性量測 ? 在材料方面，這是第一次使用 sol-gel 混合型材料來製作波導元件，雖然它在應用上十分方便，但由於 sol-gel 的材料尚在研究開發階段，機械特性如：硬度和穩定度都有很大的改良空間，良好特性的 sol-gel 混合型材料應該在波導製作上具備很大的優勢? 而且我們也利用 BPM CAD在理論上模擬了所設計的波導元件的場型分布，以及波導內部的模態數目 ? 並且製作了埋藏式高分子波導，量得其傳播損耗在 TE 極化方向為: 0.92dB/cm ，TM 極化方向為:0.98dB/cm ，極化相依損耗為 0.06dB/cm，而耦合損耗為 TE: 1.78dB , TM : 1.66Db ? 在製程方面需要再對 sol-gel 混合型材料，做一些關於材料特性上的測試，以更多了解 sol-gel 材料在波導元件上的應用，藉著特性參數的改良，會使波導元件有更好的效率?.

(45) 參考文獻 1. A. Kilian, J. Kirchof, G. Przyrembel, W. Wischmann, ?Birefringence free planar optical waveguide made by flame hydrolysis deposition (FHD) through tailoring of the overcladding, ? Journal of Lightwave Technology, , Vol. 18 , 0 pp. 193 -198,Feb 200 2. B.L. Booth,?Low loss channel waveguides in polymers, ? Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, pp. 1445 -1453, Feb 1989 3. C.F. Kane, R.R. Krchnavek, ?Benzocyclobutene optical waveguides, ? IEEE Photonics Technology Letters , Vol. 7 , pp. 535 -537 , May 1995 4. C.W. Phelps, T.S. Barry, D.L. Rode, R.R. Krchnavek, ? Low-loss, single-mode, organic polymer waveguides utilizing refractive index tailoring ,? Journal of Lightwave Technology, , Vol. 15 , pp. 1900 -1905, Oct 1997 5. L. Robitaille, C.L. Callender, J.P. Noad, ?Design and fabrication of low-loss polymer waveguide components for on-chip optical interconnection, ?IEEE Photonics Technology Letters ,Vol. 8 , pp. 1647 -1649, Dec 1996 6. M. Usui, M. Hikita, T. Watanabe, M. Amano, S. Sugawara, S. Hayashida, S. Imamura, ?Low-loss passive polymer optical waveguides with high environmental stability, ? Journal of Lightwave Technology, , Vol.14 , pp. 2338 -2343, Oct 1996 7. A.J.Beuhler, D.A. Wargowski, K.D. Singer, T. Kowalczyk, ?Fabrication of low loss polyimide optical waveguides using thin-film multichipmodule process technology, ? 44th Electronic Components and Technology Conference, pp. 618 -620, May 1994 8. 黃亦德 "應用佛列斯涅折射原理建構偏折之埋藏式高分子複合波導, " 國立中山大學光電工程研究所碩士論文,2001 9. J.Y. Lin, I.C. Yang, P.C. Lee and A.K.Chu, ?Compact 1x2 Optical Couplers.

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