行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
微機電技術應用於光纖通訊之被動元件
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2218-E-009-006- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電子工程學系 計畫主持人： 黃宇中 計畫參與人員： 楊家銘、陳志鴻、方淳弘 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 93 年 2 月 19 日行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
微機電技術應用於光纖通訊之被動元件
計畫編號：NSC 91-2218-E-009-006
執行期限：91年08月01日至92年07月31日 主持人：黃 宇 中 國立交通大學電子所教授 計畫參與人員：楊家銘、陳志鴻、
方淳弘 一、中文摘要 本計劃運用非等向蝕刻技術製程， 發展解析度為0.00625°的晶向對準 技術，於(100)矽晶圓上製作V型溝 槽，以供光纖定位之使用，進而與 光纖膠合組裝成光纖陣列，期在光 電元件構裝上，提升其效率。在實 驗中，並對蝕刻後矽晶片表面粗糙 度之改善提出最適化條件。 關鍵詞：非等向蝕刻、晶向對準、光 纖陣列、表面粗糙度 AbstractThis experiment applies anisotropic etching process to develop crystal orientation alignment techniques with resolution as to 0.00625 degree to produce V-grooves for the need in application of fiber-positioning, hence, combined with fiber curing to produce fiber array to advance the efficiency of optical-electrical device structure. This experiment also provides the most suitable condition for smoothing roughness of silicon wafer.
Keywords: anisotropic etching, crystal orientation alignment, fiber array, roughness 二、緣由與目的 微系統技術已被公認為最具發展潛 力的科技之一，其應用領域涵蓋電 子、資訊、材料、醫學、生化、通 訊及航太等方面，先進國家均積極 進行研發，為加速國內微系統產業 的發展，產官學研各界等相繼投入 研發，國家科技白皮書中亦特別明 列為重點發展科技。 同時地，光纖近幾年在光通訊 及資料傳輸上扮演著重要的角色， 因它有高傳輸容量、低損耗及不受 電磁干擾等優點。在光纖網路系統 中，主要包含了傳輸器、光纖纜 線、接收器和連接器，而元件與元 件之間的耦合效率成為一個重要的 課題。因此在這個計劃中，期以半 導體相關製程非等向性蝕刻的方 式，實現以精密的矽 V 型溝槽定位 光纖，達到提高元件構裝效率的目 的。 在此計劃規劃的方向，首先， 將利用體微細加工技術中的濕式非 等向性蝕刻製作 V 型溝槽微結構， 並控制蝕刻深度與改善蝕刻後表面 均勻度，配合奈米定位平台將光纖 膠合定位，最後進行光纖陣列的光 學測試。 三、研究成果
1. 製作 V 型溝槽 a. 製程 圖 1 表示 V 型溝槽製程。 待晶格方 向決定後，進入第二道光罩製程。 首先在晶片上塗佈 HMDS 以增加與光 阻附著力，再上光阻(圖 1(b))所 示，經過軟烤後如(圖 1(c))，再利 用微影包含曝光、顯影、定影和硬 烤如(圖 1(d))，然後藉由反應式離 子蝕刻法(RIE)將圖案轉移到晶片 上，其中包含 V 型溝槽蝕刻圖案以 及切晶片所需的定位圖案，接著除 去光阻(圖 1(e))，最後再以非等向 性濕式蝕刻，蝕刻出如圖 1(f)所示 的 V 型溝槽(v-grooves)。 Si ← 3N4 Si ← (a) Si ← 3N4 Si ← PR ← (b) Si ← 3N4 Si ← PR ←Mask ← (c) Si ← 3N4 Si ← PR ← (d) Si ← 3N4 Si ← (e) Si ← 3N4 Si ← (f) 圖 1.V 型溝槽製程 b.結果與討論 我們使用濃度 30%、溫度 80℃的 KOH 溶液進行蝕刻，利用前置蝕刻 光 罩 決 定 出 晶 向 後 ， 製 作 出 指 向 [110]方向的梯型溝槽及其局部放大 (圖 2(a))及蝕刻完全的 V 型溝槽 (圖 2(b))。 (a) (b) 圖 2. 蝕刻後之(a)梯型及(b)V 型溝槽 2.製作光纖陣列 a. 製程 圖 3 表示光纖陣列製程。首先將切 割好的矽 V 型溝槽晶片進行粗磨 (600 號水砂紙)，兩個端面皆需研 磨，直到溝槽顯露出以便放置光纖 (圖 3(a))。第二，將光纖束(fiber
ribbon)一束八芯的裸纖，先去除其 外 層 (coating layer) 只 保 留 核 心 (core) 和 披 覆 層 (cladding layer) ， 再 以 膠 帶 先 作 暫 時 的 固 定，以便光纖束能夠順利放入 V 型 溝槽。第三是光纖和矽 V 型溝槽晶 片的膠合，將矽 V 型溝槽晶片以自 行設計的吸盤吸附固定在壓電定位 平台上，在工作顯微鏡下，將光纖 束放入 V 型溝槽中(圖 3(b))，然後 上 UV 膠(Newport 的 F-UVE-61)加上 另一個相同的矽 V 型溝槽晶片並以 UV 光源照射使其定位(圖 3(c))。第 四是後研磨的部分，此部分共有四 道研磨，分別是 600 號水砂紙、 3M_6um 研磨紙、3M_1um 研磨紙、 3M_0.05um 研磨紙(圖 3(d))。 (a) (b) (c) (d) 圖 3.光纖陣列製程示意圖 b.結果與討論 圖 4 表示光纖陣列膠合後尚未研 磨。由於後續將進行兩組光纖陣列 的對準，所以端面必須十分光滑， 研磨後發現幾點現象值得注意，第 一、膠合時若未施加外力，則光纖 將 無 法 被 固 定 在 我 們 所 設 計 的 位 置；第二、以原設計上蓋亦為矽 V 型溝槽晶片的方法，不易於將光纖 定位，如圖 5(a)為以 3M 0.05um 研 磨紙研磨後的光纖陣列，於是我們 改採上蓋為未蝕刻的矽晶片，成功 地將光纖固定在 V 型溝槽中，如圖 5(b)所示。在光學測試部分，對準 第一和第八條光纖後，利用光功率 計量得其它六條光纖的功率值見表 1，由表 1 可知，其餘六條光纖在沒 有各別對準的狀況下亦有相當強度 的功率值，這證明了以矽 V 型溝槽 定位光纖所形成的光纖陣列，定位 光纖十分精確也確實提升了構裝的 效率。 圖 4. 光纖陣列膠合後尚未研磨
(a) (b) 圖 5.成功固定光纖在 V 型溝槽中 channel 1 2 3 4 功率值 (nW) 22.38 20.6 13.98 20.74 channel 5 6 7 8 功率值 (nW) 14.6 20.18 18.59 19.36 表 1. 二對光纖對準後所量測得之功 率值 四、結論與展望 在本計劃中，對基本的非等向 性濕式蝕刻特性與光纖陣列的製作 作了詳盡的研究，未來的研究方向 有三： 1. 進行光波導元件的構裝 2. 以 被 動 對 準 (passive alignment) 的 方式 進 行元 件的 構裝 3. 進一步研究光纖陣列和待構裝 元件光耦合效率的提升 本計劃對非等向性濕式蝕刻和光纖 陣列製作所應探討的各個方向均有 深入的理論分析與實作成果，可望 對於在微機電領域中進行相關製程 的人士有所幫助。 五、參考文獻
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