在矽晶圓上沈積二氧化矽之一分八分光器的模擬設計與製作

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研究生：	鮑則源 Bau Tse-Yuan
論文名稱：	在矽晶圓上沈積二氧化矽之一分八分光器的模擬設計與製作 Simulation and Fabrication of a SiO2 Based 1×8 Beam Splitter Devices
指導教授：	王立康 Li-Karn Wang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	142
中文關鍵詞：	分光器、波導、多模干涉
外文關鍵詞：	beam splitter, waveguide, MMI
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由於積體光學元件（Integrated Optic Components）的蓬勃發展，因此如何在矽（Si）基板上面來設計光學元件便成為當今熱門研究。本論文主要是在探討在矽晶圓上設計Y型分光器(Y-branch beam splitter)，而Y型分光器基本的架構為光波導，因此我們在此先利用目前最具可信度的BPM(Beam Propagation Method)光學模擬軟體來模擬出單模波導的尺寸規格，並以此單模波導來設計1×8 Y型分光器及1×8MMI分光器，並探討不同分光曲線及角度所造成的分光損失（excess loss），還有探討光纖跟波導因為模態的不匹配所造成的耦合損失(coupling loss)，並針對這些損失來著手改善，以期能設計出最低損失的1×8 分光器。
當我們模擬出最佳化的1×8 分光器後，便要開始著手實現它，我們先利用PECVD(Plasma-Enhancement Chemical Vapor Deposition 電漿輔助化學氣象沈積)在矽晶片上面沈積一層緩衝層(buffer layer)，因為矽晶片的折射率遠高於我們導光層的折射率，因此在此必須沈積一層比較厚的來降低漏損耗（Leakage loss），然後再沈積一層折射率比緩衝層高的材質當導光層(guiding layer)，在此我們採用摻磷的當導光層材質，接下來利用半導體相關製程技術，將我們的元件完整無誤的呈現出來。例如利用微影製程技術將我們的波導形狀定義出來，再利用RIE離子反應乾蝕刻將波導蝕刻成脊狀波導，並藉由掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM)來觀察蝕刻後的波導形狀與尺寸，最後再沈積一層當披覆層(cladding layer)，然後研磨拋光便完成了我們所要設計的1×8 分光器，再來打光量測分析實際跟模擬之間的差異。

Chapter 1 序論.............................................1
Chapter 2 理論與原理.......................................5
  2-1 平板波導（Slab waveguide）理論.......................5
  2-2  Y型分光器（Y-branch）原理...........................9
  2-3 多模干涉（MMI）原理.................................11
     2-3-1自成像原理（Self-imaging principle).............11
     2-3-2多模波導（Multi mode waveguide）................11
     2-3-3 傳播常數（Propagation constant)................11
     2-3-4 導播模態傳播分析（Guided-Mode Propagation
           Analysis）.....................................13
     2-3-5一般干涉（General Interference）................15
     2-3-6限制干涉（Restricted Interference）.............16
 2-4 彎曲波導 (Bending waveguide).........................18
 2-5 有效折射率近似法（effective index method）...........21
 2-6 電漿增強化學氣象沈積（PECVD）原理....................24
     2-6-1 化學氣相沈積原理...............................24
     2-6-2 電漿增強式化學氣相沈積(PECVD)..................25
 2-7 稜鏡耦合器（Prism Coupler）..........................28
 2-8 直流金屬濺鍍機（DC-Sputter）原理.....................32
 2-9 活性離子蝕刻(RIE)原理................................34
Chapter 3 模擬與分析......................................35
 3-1 埋藏式通道波導結構分析...............................35
     3-1-1 模態分析.......................................35
     3-1-2 不同尺寸結構的波導對光纖耦合效率影響...........43
 3-2 分析Y型分光器........................................50
     3-2-1 傳統Y型分光器..................................50
     3-2-2 改良式Y型分光..................................51
     3-2-3 彎曲波導損耗分析...............................55
     3-2-4 利用MMI之1×2 Y型分光器.........................57
 3-3 一分八的Y型分光器....................................64
     3-3-1 波長偏差對1×8 Y-branch beam splitter的影響.....68
 3-4 雙波長1×8 Y-Branch分光器之模擬設計...................70
 3-5 1×8MMI分光器之模擬設計...............................76
     3-5-1 波長偏差對1×8 MMI beam splitter的影響..........80
 3-6 模擬結果討論.........................................82
     3-6-1 模態分析討論...................................82
     3-6-2 不同結構的一分二分光器模擬討論.................82
Chapter 4 製程與量測......................................86
 4-1 製程流程簡介.........................................86
 4-2 製程細部流程.........................................89
     4-2-1 晶片的準備與清洗...............................89
     4-2-2 薄膜沈積.......................................91
     4-2-3 製作Cr金屬遮罩層（hard mask）.................102
     4-2-4 微影製程(Lithography).........................103
     4-2-5 濕蝕刻Cr金屬遮罩層與去光阻....................113
     4-2-6 乾蝕刻導光層(guiding layer)...................115
     4-2-7 沈積披覆層(cladding layer)....................119
     4-2-8 研磨與拋光....................................119
 4-3 量測結果與分析......................................123
     4-3-1 量測數據......................................123
     4-3-2 量測結果分析..................................125
       4-3-2-1 波導側壁粗糙度(sidewall roughness)對損耗之影
           響............................................128
       4-3-2-2 波導側壁頃斜角(sidewall angle)對損耗之影響
           ..............................................131
       4-3-2-3 打光位置與角度偏差對損耗之影響............134
Chapter 5 結論...........................................136
 5-1 結論................................................136
 5-2 未來展望............................................137
Chapter 6 參考文獻.......................................139

                                

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全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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