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研究生： 張正憲
Cheng-Hsien Chang
論文名稱： 熱光型MZI元件背蝕刻效應研究
The Study of Backside-etching Effect in Thermo-optical MZI Device
指導教授： 葉鳳生
Fon-Shan Huang
吳清沂
Chin-Yi Wu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 61
中文關鍵詞： 熱光效應 、背面蝕刻
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    • 本篇論文主要研究以半導體製程技術製作積體光學元件-熱光型調製元件，主要是利用熱光效應改變波導的折射率，達到改變波導的光程；我們以PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)來成長二氧化矽氧化層以組成波導管的中心部分，藉由調變TEOS/ O2/ TMP的比率來控制折射率，波導核心層折射率n=1.487，覆蓋層折射率n=1.479， 的弱約束(Weakly guiding)波導。
    本文包括模擬，波導製程及測量三部份，我們利用Beam Prop 軟體模擬和設計光通道以及模擬元件之特性。在波導製程上，我們以TEOS(Tetraethoxysilane Si(OC2H5)4)為主來製作二氧化矽緩衝層，再以TMP(Trimethylphosphite P(OCH3)3)搭配，提高折射率作為導光層，其優點是沉積速率快,折射率穩定，應力小。如此我們可以沉積品質不錯且相當厚的二氧化矽氧化層而不會產生龜裂。另外由於光波導的形狀及側壁粗糙度是造成光在傳播時損耗的主要來源，所以必須以乾蝕刻RIE(Reactive Ion Etching)來製作導光層，如此才能兼顧比較好的垂直角度及側壁粗糙度；為了降低熱光型調制元件的開關加熱功率，本論文結合微機電技術，蝕刻波導管背面矽基板之體積，以減少由於矽的高導熱係數所導致的熱損失，從而達到降低開關加熱功率的效果，最後再測量成品的光強度，了解其在通道上光的損失。

    The purpose of this paper is to Mach-Zehnder interferometer (MZI) which is based on the thermo-optical effect (TOE) of the PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) SiO2.The refractive index (n) of PECVD SiO2 can be controlled by the mixture of TEOS(Tetraethoxysilane Si(OC2H5)4),O2 and TMP(Trimethylphosphite P(OCH3)3) gases,The required refractive index is 1.487 and 1.479 for core layer and cladding layer.
    We use the software called‘Beam Prop” to simulate the MZI device.According to the simulation results,the back-side etching MZI device is made.The waveguide is fabricated by deposited a 10um thick buffer with TEOS, then deposited the core layer doped with TMP to modified its index. After deposition and lithography of Cr mask the core layer is then plasma etched. The sidewall roughness and vertical profile of the waveguide are the two key factors for optical performance of the waveguide. In order to reduce the switch power,we use MEMS technology to etch the backside wafer of waveguide to reduce the volume of silicon substrate and prevent the heat loss from conduction.

    目錄 第一章 緒論 ……………………………………………………………1 第二章 熱光微調制元件之結構設計與理論架構 ……………………4 第三章 BeamPROP模擬結果與分析 ……………………………………5 3-1 BeamPROP模擬軟體介紹………………………………………5 3-2 BeamPROP 模擬熱光微調制元件 ……………………………7 3-2-1 矽基板上模擬熱分佈對其加熱功率之關係…………8 3-2-1(a) 不同電極寬度(Wm) ………………………8 3-2-1(b) 不同電極到波導核心距離(Th)…………10 3-2-1(c) 不同波導核心到矽基板的距離(Tb)……11 3-2-2 無矽基板模擬熱分佈對其加熱功率之關係 ………13 3-2-2(a) 不同電極寬度(Wm)………………………13 3-2-2(b) 不同電極到波導核心距離(Th)…………15 3-2-2(c) 不同波導核心到矽基板的距離(Tb)……16 3-2-3理想無窮覆蓋層模擬熱分佈對其加熱功率之關係…17 3-2-3(a) 不同電極寬度(Wm) ……………………17 3-2-3(b) 不同電極到波導核心距離(Th)…………19 3-2-4在無矽基板的情況下改變電極長度…………………21 第四章 元件製程 ……………………………………………………23 4-1元件製作………………………………………………………25 4-2 結果與討論 …………………………………………………31 4-2-1 沉積氮化矽( Si3N4 ) …………………………………32 4-2-2 沉積緩衝層( buffer layer ) ………………………33 4-2-3 沉積導光層( core layer ) …………………………35 4-2-4 遮罩層( Hardmask )…………………………………37 4-2-5 黃光微影(Lithography)……………………………38 4-2-6 RIE乾蝕刻core layer……………………………40 4-2-7 沉積覆蓋層(cladding layer) ……………………46 4-2-8 製作加熱電極(Heater) ……………………………47 4-2-9 KOH蝕刻矽基板 ……………………………………50 第五章 熱光微調制元件量測…………………………………………54 5-1光波導量測……………………………………………………54 5-2 量測熱效應的儀器 …………………………………………57 5-3 量測結果 ……………………………………………………58 第六章 結論……………………………………………………………60 圖表目錄 圖1-1 有背面蝕刻矽基板的熱光調制元件……………………………2 圖2-1 傳統元件之鳥瞰圖………………………………………………4 圖2-2 傳統元件之切面圖………………………………………………4 圖3-1設計流程…………………………………………………………6 圖3-2 單模波導結構圖…………………………………………………7 圖3-3不同模擬波導邊界條件結構圖(A)有矽基板(B)無矽基板(C)理 想無窮覆蓋層……………………………………………………8 圖3-4 有矽基板下，不同電極寬度之加熱功率與光輸出關係………9圖3-5 有矽基板下，不同電極寬度其溫度分佈(a)Wm=5um(b)Wm=6um (c)Wm=7um………………………………………………………9 圖3-6有矽基板下，不同電極到波導核心距離之加熱功率與光輸出關係 ………………………………………………………………10 圖3-7 有矽基板下，不同電極到波導核心距離之溫度分佈(a)Th=5um (b)Th=15um(c)Th=25um………………………………………11 圖3-8有矽基板下，不同波導核心到純矽基板距離之加熱功率與光 輸出關係 ………………………………………………………12 圖3-9有矽基板下，不同波導核心到純矽基板距離之溫度分佈 (a)Tb=10um (b)Tb=20um (c)Tb=30um…………………………12 圖3-10無矽基板下，不同電極寬度之加熱功率與光輸出關係 ……14 圖3-11無矽基板下，不同電極寬度其溫度分佈(a)Wm=5um (b)Wm=6um (c)Wm=7um ……………………………………………………14 圖3-12無矽基板下，不同電極到波導核心距離之加熱功率與光輸出關係 …………………………………………………………15 圖3-13無矽基板下，不同電極到波導核心距離之溫度分佈 (a)Th=5um (b)Th=15um (c)Th=25um…………………………15 圖3-14無純矽基板下，不同波導核心到矽基板距離之加熱功率與光輸出關係………………………………………………………16 圖3-15無矽基板下，不同波導核心到純矽基板距離之溫度分佈 (a)Tb=10um (b)Tb=20um (c)Tb=30um………………………17 圖3-16理想無窮覆蓋層下，不同電極寬度之加熱功率與光輸出關係………………………………………………………………18 圖3-17理想無窮覆蓋層下，不同電極寬度其溫度分佈(a)Wm=5um (b)Wm=6um (c)Wm=7um ………………………………………19 圖3-18理想無窮覆蓋層下，不同電極到波導核心距離之加熱功率與光輸出關係……………………………………………………20 圖3-19理想無窮蓋層下，不同電極到波導核心距離之溫度分佈 (a)Th=5um (b)Th=15um (c)Th=25um…………………………20 圖3-20電極長度對光輸出功率關係…………………………………21 圖4-1 熱光微調制元件完成圖 ………………………………………25 圖4-2 製程流程圖 ……………………………………………………31 圖4-3 金屬遮罩鉻經過黃光製程且蝕刻後的圖案(俯瞰圖) ………39 圖4-4金屬遮罩鉻經過黃光製程且蝕刻後的圖案(側面圖) ………39 圖4-5 波導圖形的側面圖( 經RIE蝕刻40分鐘 ) …………………42 圖4-6 波導圖形的側面圖( 經RIE蝕刻40分鐘 )…………………42 圖4-7 波導圖形的側面圖( 經RIE蝕刻40分鐘 ) …………………43 圖4-8 波導圖形的俯瞰圖( 經RIE蝕刻40分鐘 ) …………………43 圖4-9 波導圖形的側面圖( 經RIE蝕刻80分鐘 ) …………………44 圖4-10 波導圖形的俯瞰圖( 經RIE蝕刻80分鐘 ) ………………44 圖4-11 波導圖形的側面圖( 經RIE蝕刻120分鐘 ) ………………45 圖4-12 波導圖形的俯瞰圖( 經RIE蝕刻120分鐘 ) ………………45 圖4-13沉積覆蓋層後的側面圖………………………………………46 圖4-14 Lift off製程(俯瞰圖) ……………………………………48 圖4-15 Lift off製程 ………………………………………………48 圖4-16 加熱電極(Heater)的側面圖 ………………………………49 圖4-17 加熱電極(Heater)的側面圖…………………………………49 圖4-18 加熱電極(Heater)的俯瞰圖…………………………………50 圖4-19 比較KOH和TMAH的蝕刻速率…………………………………52 圖4-20 KOH蝕刻矽基板7小時的切面圖……………………………53 圖4-21 KOH蝕刻矽基板10小時的切面圖……………………………53 圖5-1 導光平台 ………………………………………………………54 圖5-2 probe探針加於波導上的電極(俯瞰圖) ……………………55 圖5-3 fiber對準波導(左側)………………………………………55 圖5-4 fiber對準波導(右側)………………………………………55 圖5-5波導輸出的光點 ………………………………………………56 圖5-6 NEC TH3102MR紅外線熱像儀…………………………………57 圖5-7直線波導輸出的光點 …………………………………………58 圖5-8 MZI波導輸出的光點……………………………………………58 圖5-9直線波導輸出的光點 …………………………………………59 圖5-10 MZI波導輸出的光點 …………………………………………59 表1-1不同熱光型MZ結構之比較 ……………………………………3 表3-1 BeamProp模擬軟體參數設定 …………………………………6 表3-2在無矽基板的情況下的模擬結果………………………………6 表4-1沉積Si3N4的製程參數 …………………………………………32 表4-2沉積緩衝層的製程參數 ………………………………………33 表4-3稜鏡耦合系統量測二氧化矽出來的折射率和厚度 …………34 表4-4沉積導光層的製程參數 ………………………………………35 表4-5稜鏡耦合系統量測二氧化矽摻雜TMP的折射率和厚度 ……36 表4-6 DC-sputter沉積金屬遮罩層鉻的製程參數…………………37 表4-7 RIE蝕刻製程參數(40分鐘) …………………………………41 表4-8 RIE蝕刻製程參數(80分鐘) …………………………………41 表4-9 RIE蝕刻製程參數(120分鐘) …………………………………41 表4-10 RIE蝕刻速率 …………………………………………………46 表4-11 KOH 蝕刻矽基板的時間和厚度分布…………………………51 表4-12 TMAH蝕刻矽基板的時間和厚度分布…………………………51 表5-1 波導輸出量測 …………………………………………………58 表5-2 波導輸出量測 …………………………………………………59

    [1] Ryoichi Kasahara,Masahiro Yanagisawa,”New Structure of Silica-Based Planar Lightwave Circuits for Low-Power Thermo-optic Switch and its Application to 8 x 8 Optical Matrix Switch”,Journal of lightwave technology,vol.20,NO.6,JUNE 2002
    [2] W.P.Hwang, C.L. Xu, S.T. Chu,and S.K. Chandhuri, “A finite-difference vector beam propagation method for three dimension waveguide structure”, IEEE Photon. Technol. Lett. ,vol. 4, pp. 148-151,1992
    [3] Q. Lai, W. Hunziker, Member, IEEE, and H. Melechior, Fellow, IEEE,”Low-Power Compact 2 x 2 Thermooptic Silica-on-Silicon Waveguide Switch with Fast Response”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.10,NO.5,MAY 1998
    [4] G. Ronald Hadley ,”Transparent boundary condition for the beam propagation method”,IEEEJ.QuantumElectron,vol.28,
    pp.363-370.Jan.1992
    [5] Hirosh Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara ”,Optical Integrated Circuits”
    [6] Harua,M and J.koyama,”Thermo-optic effect im LiNO3 for light deflection and switching”,Election. Lett., 17(22):842-844.Otc.1981
    [7] Harua,M and J.koyama,”Thermo-optic deflection and switching glass”,Appl. Opt.,21(19):3461-3465,Oct. 1982
    [8] Harua, M.Sec. 2.2:”Thermo-optic waveguide devices”,JARECT, Vol. 17-Optical Devices and Fibers (Y. Suematsu ed.), Tokyo,Ohmsha,Ltd., and Noth-Horlland Pub. Co.,1985
    [9] 張文昌,國立清華大學碩士論文2003
    [10] 楊國裕,國立清華大學碩士論文2001

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