高分子光波導之製作與特行量測

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(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 高分子光波導之製作與特性量測 Fabrication and Characterization of Polyimide Optical Waveguides. 研究生：林書宏撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十二年六月.

(2) 摘要. 本論文是研究如何利用高分子材料在矽基板上製作光波導，並量測光波導的特性。首先，我們利用 BPM-CAD 光場模擬軟體設計光波導之結構，再依照計算結果製作光波導。接著，我們將不同的高分子材料塗鋪在矽基板上，作為光波導之底披覆層(Bottom cladding)及導光層(Core)，以適當溫度烘烤(Cure)使高分子固化，並以稜鏡耦合儀(Prism coupler) 量測材料之折射率。光波導之折射率對比(Index contrast)為 0.67 %，我們使用脊樑式(Ridge)的結構在光波導的水平方向產生導光效應。再鋪上頂披覆層(Top cladding)完成高分子光波導。最後，將完成之光波導，以回切法(Cut-back method)量測光波導之傳輸損耗為 2.4 dB/cm。.

(3) Abstract. Polymer based optical waveguides on silicon substrate were fabricated and the characteristics of the polyimide used were investigated. The optical waveguides were designed according to the simulation results calculated by beam propagation method.. The fabrication began. with spinning and curing two polyimide materials as the cladding and the core layers on silicon substrate.. The refractive index of polyimide. was obtained by prism coupling system.. The index contrast was 0.67. % and the waveguide was the ridge type structure obtained by reactive ion etching process.. Then a top cladding was spun on the sample and. cured to complete the waveguide fabrication. Finally, the propagation loss of the TE mode of the waveguides was measured by using cut-back method.. The loss was 2.4 dB/cm..

(4) 目錄. 第一章. 導論. 1. 第二章. 高分子材料之特性. 5. 2－1 高分子材料特性之量測及分析. 5. 2－2 烘烤條件與材料折射率之關係. 9. 2－2－1 最終烘烤溫度和折射率之關係 2－2－2 升溫速率和折射率之關係 2－3 成長蝕刻保護層. 第三章. 第四章. 9 10 11. 2－3－1 保護材料 Al. 11. 2－3－2 保護材料 Au. 13. 2－4 導光層與披覆層. 15. 2－5 結論. 17. 光波導之製作. 19. 3－1 光波導之結構與模擬. 19. 3－2 光波導之製作流程. 21. 3－3 製程成果與分析. 28. 光波導之量測與分析. 30. 4－1 量測系統. 30. 4－2 量測結果與分析. 32. 第五章結論. 34.

(5) 圖目錄. 第一章. 第二章. 導論圖 1－1. 材料測試流程示意圖. 3. 圖 1－2. 光波導之結構圖. 4. 高分子材料之特性圖 2－1. 第三章. 高分子材料加熱固化圖. 6. 圖 2－2 厚度與折射率關係圖. 7. 圖 2－3. 轉速與厚度關係圖. 8. 圖 2－4. 烘烤溫度與折射率關係圖. 9. 圖 2－5. 脊樑脫離矽基板. 17. 圖 2－6. 脊樑脫離矽基板. 18. 光波導之製作圖 3－1. 波導截面結構圖. 19. 圖 3－2. 光場模擬圖. 20. 圖 3－3. 光波導截面能量分佈圖. 20. 圖 3－4. 光波導製作流程圖. 25. 圖 3－5. 光波導脊樑之 SEM 圖. 28. 圖 3－6. 光波導脊樑 SEM 圖. 28.

(6) 第四章. 圖 3－7. 未拋光之截面圖. 29. 圖 3－8. 拋光後之截面圖. 29. 光波導之量測與分析圖 4－1. 量測系統架構圖. 30. 圖 4－2. Polyimide waveguides 量測結果. 32. 圖 4－3 Mode pattern 圖. 32.

(7) 表目錄. 第二章高分子材料之特性表 2－1. 轉速與厚度、折射率之關係. 表 2－2. 升溫速率與折射率變化. 10. 表 2－3. Polyimide 特性表. 15. 表 2－4. 烘烤次數與折射率關係表. 16. 7.

(8) 第一章. 導論. 由於資訊的快速擴充，人們對頻寬和網際網路的需求大增，尤其當數位化多媒體成為生活上所必須時，光纖網路勢必要擴展至一般用戶端，也就是所謂的截取端網路(Access network)和都會網路(Metro network)；但由於光纖網路中所需的主、被動元件，價格都非常昂貴，這一直是光纖網路發展至用戶端的主要課題；因此，如何降低成本，便是很多人致力研究的方向。而許多關於用高分子(Polymer)材料來製作光通訊元件的研究已經展開[1-4, 7]，因為高分子材料除了具有以下之特性：可調折射率、良好的導光特性、良好的熱穩定性、可以厚膜製作大尺寸元件等，並且以高分子材料製作光波導有兩項優點：(1) 製程技術簡單、(2)低製程成本。以下就將一般商業化製作光波導元件常用的兩個製程方法：以火焰水解法(Flame hydrolysis deposition, FHD)和電漿助長式化學汽象沉積(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)製作 SiO2 光波導，與高分子材料製作光波導，做一個比較[9-12]。以 FHD 成長波導材料的溫度高達約 1000 ℃，這樣高的製程溫度，便無法與 IC 製程整合；而 PECVD 製程溫度在 250 ℃~350 ℃，但其成長材料之成本及製程上之花費相較於高分子製程，就昂貴了許. 1.

(9) 多。此外，高分子材料在現今技術發展上，已經發展至感光式的高分子材料，直接以微影技術，用曝光來改變高分子材料之折射率，便能完成元件之製作[5]，甚至是以壓模的方式直接定義出元件形狀，便完成製作[6]，如這些技術發展成熟，其生產速度和成本將可大幅降低，可想而知是多麼具有競爭力。本篇論文正是研究以高分子材料來製作光波導。在第二章會先介紹論文中所使用的高分子材料。而此論文是與長興化工的合作計畫，所以實驗中所使用的高分子材料皆是由長興化工合成提供，材料的設計上其結構是屬於 polyimide，黏稠液態狀，使用上是將其塗鋪在一基板上，然後將材料中的溶劑成分(Solvent)以烘烤方式去除，並使材料中的分子鍵結固化，形成高分子膜(Film)，以此當作光波導之導光材料。由於，我們對矽晶圓(Silicon wafer)之特性有較多的了解，因此，決定用矽晶圓當作製程的基板(Substrate)。在製作光波導前，必須先了解材料之特性，並確定材料之可用性，之後再去尋找製程之參數，如：成長合適之蝕刻保護層、蝕刻參數等[8]。因此，我們做了許多實驗來了解高分子材料和其半導體製程的可行性，並藉由實驗結果來改進高分子材料，使其能以半導體製程來製作光波導元件，實驗的過程如下方的流程示意圖：. 2.

(10) 合成 Polyimide. 測試厚度與折射率，並達到要求之均勻度 (Uniformity). 尋找最佳 curing 條件. 修改高分子材料特性，使其適合保護材料. 尋找合適之蝕刻保護材料. 測試乾蝕刻條件. 開始製作光波導. 圖 1－1. 材料測試流程示意圖. 3. 更換蝕刻保護層.

(11) 第三章將介紹光波導結構之模擬設計，所採用的結構如下，利用折射對比(Index contrast)在 Z 方向產生導光效應，本論文所製作之光波導 Index contrast ＝ 0.67 ％。. Cladding Core Y. Si substrate X Z. 圖 1－2. 光波導之結構圖. 由於此所使用之高分子材料本身具有雙折射率(Birefringence)的特性，因此在模擬設計光波導結構時便只取其 TE 模態之折射率來當作模擬參數，且在元件之應用上將會有所限制；不過，由於高分子材料之折射率為可調的，因此還有可改進的空間。最後，會介紹製作光波導之過程。第四章是量測製作出之光波導之傳輸損耗，以及量測所使用的光學系統。. 4.

(12) 第二章. 高分子材料之特性. 本章共分五節，說明我們所使用的高分子材料(Polyimide)之特性，以及製作蝕刻保護層(Etching mask)之製程。第一節是先測試 polyimide 之塗鋪條件與折射率，讓我們對 polyimide 有初步之了解，並分析結果，以判定此材料是否適合使用，並改進材料之特性。第二節是測試烘烤條件對 polyimide 之影響，改變最終烘烤溫度以及升溫速率，觀察其對折射率的影響，以選擇最佳之烘烤加熱條件。第三節是說明研究製作 polyimide 的蝕刻保護層。在掌握材料之特性後，第四節介紹製作光波導之材料，導光層與披覆層。第五節是結論。. 2－1 高分子材料特性之量測及分析. 首先，準備一 3.5 ㎝×3.5 ㎝之矽基板，將其分別以丙酮(Aceton)、異丙醇(IPA)、去離子水(DI. water)，並置於超音波震盪器中以震度 9 級，將其清洗乾淨，並放入烤箱中以 120 ℃烘乾。再將 polyimide 用旋轉塗鋪機塗鋪在矽基板上，再放入高溫爐中，並通入氮氣，並參考 BCB 之加熱固化條件來測試[14]，加熱過程如圖 2－1 所示：. 5.

(13) 350 300. Temperature ( ℃ ). 250 200 150 100 50 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Time ( min ). 圖 2－1. polyimide 加熱固化圖. 我們用旋轉塗鋪機在以轉速 500 rpm，時間 10 sec 之預轉後，改變第二階段轉速 2000、3000、4000、5000、6000 rpm，時間 40 sec 來塗鋪，然後用稜鏡耦合儀(Prism coupler) Metricon Model 2010 在 1320 nm 光源下量測材料之折射率和厚度，並分析測試結果，以決定此材料是否適合使用。量測時，在同一片試片上量測五個不同位置的點，並訂定標準： 1、. 折射率之標準差不得超過 0.001，而 polyimide 之折射率調整可到達 0.001。. 2、. 厚度的均勻度＝厚度標準差 ÷ 平均厚度，不得超過 5 ％，如此才能確定材料厚度的均勻度。 6.

(14) 表 2－1 為實驗之結果：. Spin Speed (rpm) 2000 3000 4000 5000 6000. Thickness (µm) Average. STDEV.. Uniformity. Average. STDEV.. TE. 17.93. 0.74. 4.14%. 1.636. 0.0017. TM. 18.08. 0.76. 4.21%. 1.520. 0.0024. TE. 12.20. 0.24. 1.96%. 1.639. 0.0002. TM. 12.30. 0.24. 1.93%. 1.518. 0.0003. TE. 9.22. 0.15. 1.60%. 1.637. 0.0002. TM. 9.36. 0.20. 2.14%. 1.519. 0.0001. TE. 7.73. 0.28. 3.64%. 1.638. 0.0002. TM. 7.80. 0.29. 3.65%. 1.518. 0.0002. TE. 6.51. 0.16. 2.39%. 1.639. 0.0001. TM. 6.55. 0.17. 2.61%. 1.518. 0.0002. 表 2－1. 轉速與厚度、折射率之關係. 1.640. 1.527. 1.639. 1.526. 1.638. 1.525. 1.637. 1.524. 1.636. n. TE. Index. 1.523. TE. 1.635. 1.522 TM. 1.634. 1.521. 1.633. 1.520. 1.632. 1.519. 1.631. 1.518. 1.630. 1.517 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Thickness ( µm ). 圖 2－2 厚度與折射率關係圖 7. 16. 17. 18. 19. n. TM.

(15) 25. Thickness ( µm ). 20. 15. y = 25736x-0.956 10. 5. 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. Spin Speed ( rpm ). 圖 2－3. 轉速與厚度關係圖. 膜厚與轉速符合旋轉定理(Spin theory)：－N. H~Ω. 其中 H 為膜厚，Ω 為轉速，N 值則與材料的黏滯度有關。也就是膜厚和轉速成指數相關，相關係數為 99 ％，因此，我們可以用適當的轉速塗鋪出所需的膜厚。此材料所能塗鋪出的厚度約在 7~18 µm，但我們希望厚度能控制在 5~8 µm，以利於光波導之製作，因此必須再調整 polyimide 之特性。接著，我們固定一旋轉塗鋪條件，然後測試烘烤之加熱條件對 polyimide 折射率之影響。. 8.

(16) 2－2 烘烤條件與材料折射率之關係. 在不同的加熱條件下，polyimide 之特性會有不同，因此我們必須找出最適當之加熱條件。. 2－2－1 最終烘烤溫度和折射率之關係由於烘烤溫度不同，會造成 polyimide 的折射率有所不同，因此，我們做了一個實驗，改變最終溫度 250、275、300、325、350 ℃來烘烤 polyimide，觀察其折射率的變化，結果如圖 2－4：. 1.650 1.645. Refractive Index. 1.640. nTE. 1.635 1.630 1.525. nTM. 1.520 1.515 1.510 240. 260. 280. 300. 320. 340. 360. 0. Curing temperature ( C ). 圖 2－4. 烘烤溫度與折射率關係圖. 當烘烤溫度超過 Tg 點時，溫度越高則折射率 nTE 會上升，而 nTM 9.

(17) 會下降，也就是雙折射會增加，這並不太符合一般對 polyimide 的了解，一般來說當超過 Tg 點時，由於分子間的鍵結被高溫打斷，而使得雙折射變小，但我們所使用的 polyimide 並無此現象。長興化工表示，也許是分子和分子又結合成更大的分子，才造成雙折射增加，如此則更容易造成光傳播時的損耗，因此，我們不採用高於 Tg 點的溫度烘烤；但在 200 ℃的烘烤下，分子間的鍵結並不完全，這樣會降低對環境的抵抗性，因此，300 ℃會是最適合的烘烤溫度。. 2－2－2 升溫速率和折射率之關係接著，我們嘗試改變升溫速率，分別以 10 ℃/min、8 ℃/min、5 ℃/min、1 ℃/min 之升溫速率烘烤，觀察材料折射率之變化，結果如表 2－2。我們發現當升溫速率降到 1 ℃/min 時，雙折射已明顯增加，因此我們不採用 1 ℃/min 之條件；而 10 ℃/min、8 ℃/min 並無改變，所以，決定仍以 10 ℃/min 來當作升溫條件。. nTE. nTM. Birefringence. 10. 1.642. 1.521. 0.121. 8. 1.642. 1.521. 0.121. 5. 1.642. 1.520. 0.122. 1. 1.644. 1.518. 0.126. 升溫速率 (℃/min). 表 2－2. 升溫速率與折射率變化 10.

(18) 2－3 成長蝕刻保護層. 由於製作光波導時，必須選擇一個理想的蝕刻保護層[13]。一個理想的保護材料，必須硬度不能與底部材料相差過大，以免應力問題，且熱膨脹係數不能相差太大。我們做了許多實驗，在鋪有導光層之試片上，測試製作蝕刻之蝕刻保護層，以下兩小節便是成長蝕刻保護層之過程與結果。. 2－3－1 保護材料 Al 我們首先嘗試 Al 當作保護材料，以熱蒸鍍(Thermal evaporation) 之方式成長，測試過程如下：. 步驟(一) 保成長護材料 Al 1. 蒸鍍保護層 Al，厚度約 1000 Å，成長速率約 0.6~0.7 Å/sec. 步驟(二) 光微影術(Photolithography) 1. 以旋轉塗鋪機塗鋪光阻 AZ 4210，塗鋪條件為：轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 4000 rpm，時間 40 sec 以 Hot plate 溫度 90 ℃，軟烤 90 sec. 11.

(19) 2. 以 I-line 曝光 40 sec，再以稀釋濃度為 20 ％之顯影劑 AZ 400K ，顯影 43 sec 3. 再以 Hot plate 溫度 120 ℃，硬烤 120 sec. 步驟(三) 濕式蝕刻保護層 Al 1. 以 H3PO4：CH3COOH：HNO3：H2O ＝ 16：2：2：1 之蝕刻液，蝕刻 Al 以定義出脊樑的位置，蝕刻率約為 17 Å/sec. 但以 Al 當作保護層在濕蝕刻時會脫離高分子表面，可能的原因有幾個：(1) polyimide 和 Al 的硬度相差大，因此濕蝕刻時承受不住應力而脫離、(2) polyimide 和 Al 的熱膨脹係數不同，以至於濕蝕刻時受到過大的熱應力而脫離、(3) polyimide 和 Al 之間吸附力差，以至於蝕刻液很容易滲透到其接觸面而脫離。於是，我們想了一些改進的方法：改進方法. 結果. 1. 在鍍 Al 前先鍍 50~100 Å 的 Cr，期望增加 Al 之附著力。. Al 脫落. 2. 降低光阻軟硬烤溫度，期望降低應力之影響。. Al 脫落. 軟烤 70 ℃，時間 60 sec 3. 硬烤 90 ℃，時間 100 sec. 降低 polyimide 之熱膨脹係數。. Al 脫落. 原 32(ppm/℃)，降低至 16(ppm/℃). 這些改進方皆無法成功，因此我們必須改變保護材料。 12.

(20) 2－3－2 保護材料 Au 由於 Au 之延展性極佳，熱膨脹係數也比 Al 來的低，因此決定嘗試以 Au 來當作保護層。測試步驟如下：. 步驟(一) 保成長護材料 Au 1. 先蒸鍍一層 Cr，以增加 Au 之吸附力，厚度約 50 Å，成長速率 0.4 Å/sec 2. 蒸鍍保護層 Au，厚度約 1200 Å，成長速率 0.5 Å/sec. 步驟(二) 光微影術 1. 以旋轉塗鋪機塗鋪光阻 AZ 4210，塗鋪條件為：轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 4000 rpm，時間 40 sec 以 Hot plate 溫度 90 ℃，軟烤 90 sec 2. 以 I-line 曝光，再以稀釋濃度為 20 ％之顯影劑 AZ 400K 3. 再以 Hot plate 溫度 120 ℃，硬烤 120 sec. 步驟(三) 濕式蝕刻保護層 1. 以 KI：I2：H2O ＝ 8 g：2 g：20 ml 之蝕刻液，蝕刻 Au 以定義出脊樑的位置，蝕刻率約為 48 Å/sec. 13.

(21) 2. 再以 Cr-7 之蝕刻液，蝕刻 Cr ，蝕刻速率 50 Å/sec. 但以 Cr-7 蝕刻之後，可能因為 Cr-7 蝕刻液的蝕刻率太快，因此脊梁上之保護層又脫落。因此，決定在 Au 濕蝕刻完成後，以 RIE 來去除表面之 50 Å 的 Cr。到此，我們已經完成蝕刻保護層之製作。. 14.

(22) 2－4 導光層與披覆層. 在我們掌握 polyimide 之特性後，便可開始製作光波導。製作光波導需要合成兩種 polyimide，一是當作導光層，一是當作披覆層，藉由兩者之折射率差產生導光效應(Index guiding)。 NCladding NCore. nCore,TE＝1.642 ，nCore,TM＝1.521 nCladding,TE＝1.631，nCladding,TM＝1.515. NCladding △nTE = 0.67％， N.A.TE = (n 2 Core − n 2 Cladding ) ＝ 0.1897. 表 2－3 為製作光波導所使用之導光層和披覆層之特性，包括：折射率、玻璃化溫度(Temperature of glass，Tg)、熱膨脹係數(Coefficient of thermal effect，CTE)、硬度(Hardness)等。. Core film. Cladding film. Tg (℃). 320. 320. nTE. 1.642. 1.631. nTM. 1.521. 1.515. Birefringence. 0.121. 0.116. CTE (ppm/℃). 16.3. 16.3. Hardness (G/Pa). 0.54. 0.54. 表 2－3. Polyimide 特性表 15.

(23) 在光波導的製程中，底披覆層會被烘烤三次，而導光層會被烘烤兩次。因此，我們便做了一個測試，將同一片塗鋪了披覆層之試片放進烤箱中烘烤一次、兩次、三次，觀察其折射率的變化，其結果如表 2－4：. 烘烤次數. nTE. nTM. 1. 1.632. 1.517. 2. 1.632. 1.516. 3. 1.633. 1.516. 表 2－4. 烘烤次數與折射率關係表. 結果發現，經過三次的烘烤之後，折射率並沒有明顯的變化，因此，我們可以知道，polyimide 的折射率不會受到製程中熱(Thermal effect)的影響。. 16.

(24) 2－5 結論. 我們最後以圖 2－1 之加熱條件烘烤 polyimide，並且以 Au 完成製作蝕刻保護層。雖然我們用 Au 完成蝕刻保護層之製作，但 Au 的價格比起 Al 來的貴了許多，在生產上成本就會提高，所以，如能從 polyimide 之特性著手改進，如：提高其硬度，或是再降低其熱膨脹係數，使其能以 Al 當作保護層，將會是較經濟的做法。此外，在以劈裂法切試片時，我們發現 polyimide 對矽基板之吸附性不好，如圖 2－5、2－6 所示，polyimide 會脫離矽基板。因此我們將會在塗鋪底披覆層時，先塗鋪一層耦合劑 OPI N2005 coupler 增加 polyimide 與矽基板之吸附力。. 圖 2－5. 脊樑脫離矽基板 17.

(25) 圖 2－6. 脊樑脫離矽基板. 18.

(26) 第三章光波導之製作. 本章共分三節，首先會先探討光波導之模擬設計，接著介紹光波導之製作流程。最後將製作完成的光波導，蓋上玻璃 Pyrex 7740，因為在之後的傳輸損耗量測中，會對光波導做切割及研磨的動作，因此用玻璃將其保護起來，最後是對製作結果作評估分析。. 3－1 光波導之結構與模擬 Thickness. Cladding Core. 7µm. 7µm Silicon substrate Refractive index. 圖 3－1. 波導截面結構圖. 我們是以脊樑式(Ridge)當作波導結構，再以 BPM CAD 軟體來模擬，在光波導中以基模態傳撥，並有最佳的模擬侷限效率和與單模光纖耦合有最佳的模擬耦合效率，模擬之參數是以 polyimide 在 TE 模態下之折射率。模擬結果如圖 3－2、3－3：. 19.

(27) 圖 3－2. 光場模擬圖. Cladding. Core. 圖 3－3. 光波導截面能量分佈圖. FWHM ＝ 6.4 µm × 6.4 µm △n ＝ 0.67 ％ Confinement facture ＝ 93 ％. 20.

(28) 3－2 光波導之製作流程. 光波導之製作流程如下：. 步驟(一) 清洗試片 1. 將矽晶圓切一 3.5 ㎝×3.5 ㎝之試片 2. 將試片分別以丙酮、異丙醇、去離子水，於超音波震盪器中，以強度 9，震 10 分鐘 3. 將試片用氮氣槍吹乾，置入烤箱中烘烤 30 分鐘，去除水汽. 步驟(二) 塗鋪波導材料 1. 先在試片上以旋轉塗鋪機，鋪上一層 OPI coupler 以增加高分子材料對矽機板的吸附力，塗鋪條件為：轉速 4000 rpm，時間 30 sec 用烤箱以 150 ℃烘烤 30 分鐘 2. 塗鋪底披覆層，塗鋪條件為：轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 2250 rpm，時間 40 sec 先用烤箱預烤 20 分鐘，溫度 80 ℃ 再放進高溫爐中，以圖 2－1 之加熱條件烘烤，並通入氮氣 21.

(29) 3. 塗鋪導光層，塗鋪條件為：轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 2250 rpm，時間 40 sec 先用烤箱預烤 20 分鐘，溫度 80 ℃ 再放進高溫爐中，以圖 2－1 之加熱條件烘烤，並通入氮氣. 步驟(三) 保護材料 Au 之成長 4. 以蒸鍍之方式先成長一層 Cr，厚度約 50 Å，以增加保護層 Au 之吸附力，成長速率 0.4 Å/sec 5. 再蒸鍍保護層 Au，厚度約 1200 Å，成長速率約 0.5 Å/sec. 步驟(四) 光微影術 1. 以旋轉塗鋪機塗鋪光阻 AZ 4620，塗鋪條件為：轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 4000 rpm，時間 40 sec 以 Hot plate 溫度 90 ℃，軟烤 90 sec 2. 以 I-line 曝光 35 sec，再以稀釋濃度為 20 ％之顯影劑 AZ 400K ，顯影 85 sec 3. 再以 Hot plate 溫度 120 ℃，硬烤 120 sec. 22.

(30) 步驟(五) 濕式蝕刻保護層 Au 1. 以 KI：I2：H2O＝8 g：2 g：80 ml 之蝕刻液，蝕刻 Au 以定義出脊樑的位置，蝕刻率約為 48 Å/sec. 步驟(六) 乾式蝕刻導光層 1. 以活性離子蝕刻(Reactive Ion Etching, RIE)清除表面的 Cr，蝕刻條件為：反應氣體：SF6 ＝ 6 sccm 蝕刻功率：RIE power ＝ 120 W 操作壓力：15 mTorr 2. 再以 RIE 蝕刻導光層，蝕刻出 7µm 的脊樑，參數為：反應氣體：O2 ＝ 30 sccm 蝕刻功率：RIE power ＝ 120 W 操作壓力：15 mTorr 導光層蝕刻速率為 0.17 µm/min. 步驟(七) 移除保護層 1. 以 KI：I2：H2O＝8 g：2 g：80 ml 之蝕刻液去除 Au 2. 以蝕刻液 Cr-7，去除 Cr. 23.

(31) 步驟(八) 塗鋪頂披覆層 1. 轉速一：轉速 500 rpm，時間 10 sec 轉速二：轉速 2250 rpm，時間 40 sec 先用烤箱預烤 20 分鐘，溫度 80 ℃ 再放進高溫爐中以圖 2－1 之加熱條件烘烤，並通入氮氣. 步驟(九) 蓋上保護玻璃 Pyrex 7740 1. 用 UV epoxy 將玻璃 Pyrex 7740 黏在製作完成的試片上. 步驟(十) 切割及研磨光波導之斷面 1. 用鑽石切割機(Auto dicing saw)Disco DAD320 將光波導切至所需之長度 2. 用 Al2O3 拋光切割後之斷面，拋光步驟如下：第一道拋光：0.3 µm 之拋光液 Al2O3：H2O ＝ 1 g：100 g 壓力：5 牛頓. 轉速：150 rpm. 時間：4 min. 第二道拋光：0.05 µm 之拋光液 Al2O3：H2O ＝ 1 g：100 g 壓力：5 牛頓. 轉速：150 rpm. 以上十個步驟便完成製作光波導。. 24. 時間：4 min.

(32) 以下為製作流程示意圖：. (1) 塗鋪波導材料. Core Bottom cladding Silicon substrate. (2) 蒸鍍保護材料 Au Au / Cr. Core Bottom cladding Silicon substrate. (3) 光微影術 PR 4620 Core Bottom cladding Silicon substrate. 25.

(33) (4) 濕式蝕刻 Core Bottom cladding Silicon substrate. (5) 乾蝕刻導光層. Core ridge Bottom cladding Silicon substrate. (6) 去除保護材料 Core ridge Bottom cladding Silicon substrate. 26.

(34) (7) 塗鋪頂披覆層 Top cladding Core Bottom cladding Silicon substrate. (8) 蓋上保護玻璃 Pyrex 7740 Pyrex 7740 UV epoxy Top cladding Core Bottom cladding Silicon substrate. 圖 3－4. 光波導製作流程圖. 27.

(35) 3－3 製程成果與分析. 由掃描式電子顯微鏡 SEM 所拍攝的照片，圖 3－5、3－6 可知，我們已經完成一個垂直且平整之側邊。. 圖 3－5. 圖 3－6. 光波導脊樑之 SEM 圖. 光波導脊樑 SEM 圖. 28.

(36) 並且經過 Al2O3 拋光後的截面也明顯光亮平整很多，如圖 3－7、 3－8，這樣可以減低耦光時的損耗。. Pyrex 7740 UV epoxy. Polyimide. Core. Si substrate. 圖 3－7. 未拋光之截面圖. Pyrex 7740. UV epoxy. Polyimide. Si substrate. 圖 3－8. 拋光後之截面圖. 29.

(37) 第四章. 光波導之量測與分析. 在本章第一節裡，是介紹量測光波導的光學系統架構以及量測方法，第二節是對量測結果的分析與討論。. 4-1 量測系統. Glan-Tompson polarizer. Lens. Waveguides. Lens. Photo detector. Lens. 632.8nm He-Ne Laser. Semiconductor parameter analyzer. 1310nm LD Coupler. 圖 4－1. HP 4155. 量測系統架構圖. 30.

(38) 首先，先介紹量測系統架構，如圖 4－1 所示。光路部份是先將光源以透鏡聚成平行光，然後通過極化器(Glan-Tompson polarizer)，再以透鏡聚焦，耦合進光波導，在光波導之輸出端以透鏡收光，最後以光檢測器量測輸出之能量。光源部份是以 632.8 nm 之可見光來進行對準，再切換至 1310 nm 來進行量測。我們是採用 Cut-back method 來量測光波導之傳播損耗，傳輸損耗計算方法如下： Loss (dB) = 10 × log⟨. Po ⟩ Pi. 其中 Pi 為輸入功率，Po 為輸出功率. 31.

(39) 4－2 量測結果與分析. 量測結果如下：. Power loss ( dB ). 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 0. 0.5. 1. 1.5. 2. Length ( cm ). 圖 4－2. Polyimide waveguides 量測結果. 以 IR CCD 拍攝光波導輸出端之光場，結果如圖 4－3：. 圖 4－3. Mode pattern 圖 32. 2.5.

(40) 我們已經成功的使用高分子材料以半導體製程技術，完成製作光波導，其 TE mode 之傳輸損耗為 2.4 dB/cm，主要之損耗來源可能是材料本身之吸收損耗(Propagation loss)，或色散損耗(Scattering loss)，因此如從改善材料結構上著手，應能降低其傳輸損耗。但在本實驗中，TM mode 不會導光，我們猜測的原因可能為，在 TM 方向實際之折射率相差太小，使得波導不會對 TM mode 產生導光效應；而真正的原因仍有待進一步研究調查。. 33.

(41) 第五章. 結論. 我們已經了解長興化工之高分子材料之特性，包括：折射率、轉速與厚度之關係、加熱烘烤之條件，並以 Au 完成製作蝕刻保護層，乾蝕刻出垂直且平整之側邊，以半導體製程技術完成了光波導之製作。光波導在 1.3 µm 之波長下，TE 模態之傳輸損耗為 2.4 dB/cm，而 TM 模態不會導光。不過，我們相信在改善材料後，可以降低光波導之傳輸損耗。. 34.

(42) 參考文獻. 1. J. Kobayashi, T. Matsuura, Y. Hida, S. Sasaki, and T. Maruno, “ Fluorinated polyimide waveguides with low polarization-dependent loss and their applications to thermooptic switches,” J. Lightwave Technol., vol. 16, pp. 1024-1029, 1998. 2. Jae-Wook Kang, Jae-Pil Kim, Won-Young Lee, Joon-Sung Kim, Jae-Suk Lee, and Jang-Joo Kim, “Low-loss fluorinated poly(arylene ether sulfide) waveguides with high thermal stability,” J. Lightwave Technol., vol. 19, pp. 872-875, 2001. 3. G. Fischbeck, R. Moosburger, C. Kossstrzewa, A. Achen, and K. Petermann,. “Singlemode. optical. waveguides. using. a. high. temperature stable polymer with low losses in the 1.55 µm range,” Electron. Lett., vol. 33, pp. 155-519, 1997. 4. Ryoko Yoshimura, Makoto Hikita, Satoru Tomaru, and Saburo Imamura, “Low-loss polymeric optical waveguides fabricated with deuterated polyfluoromethacrylate,” J. Lightwave Technol., vol. 16, pp.1030-1037, 1998. 5. Jae-Wook Kang, Jang-Joo Kim, Jinkyu Kim, Xiangdan Li, and Myong-Hoon Lee, “Low-loss and thermally stable TE-mode selective polymer waveguide using photosensitive fluoriated polyimide,” IEEE Photon. Technol., vol. 14, pp. 1297-1299, 2002. 6. A. Neyer, T. Knoche, and L. Müller, “Fabrication of low loss polymer waveguides using injection moulding technology,” Electron. Lett., vol. 29, pp. 399-401, 1993..

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