臺灣博碩士論文加值系統

本實驗利用半導體製程技術,製作出積體光學元件─三色混光元件。先將雷射光偶合入光纖,再以光纖對準光波導，分別偶合進入元件中，再經過Y形的分支（Y-branch）結構將三種光源混合起來。若可以達到輸入光源比例一樣，則可以得到白色光的輸出,同理若可以控制輸入光量的比例即可達到輸出不同顏色光的目的。要控制光的輸入量可以在光輸入處加上一個調變器(power modulator),或將光波導設計成Mach-Zehnder干涉器的形式，再加上電極以調變折射率，使得光產生干涉來達到調整輸入比例[1].但此種型式的波導材質必須為晶體材料（如LiNbO3,KTP）,才可以利用電場效應來調變。但二氧化矽無法以電場來調變,因此不能設計成這種形式。為了組出一個顯示器的系統, 外部必須再加一個掃描鏡片及控制電路， 透過鏡片的掃描即可將混光元件的輸出投影到顯示器上。本篇論文主要針對此混光元件的製程做一個基本的研究並實際製作及量測;未來還可進一步將光源用雷射二極體來取代,整合控制電路及光波導在同一個晶片上,有效的縮小顯示器的體積及避免複雜的組裝步驟。三色混光元件基本上是由三條完全相同的光波導組成;波導材質是以有機材料TEOS(Tetraethoxysilane Si(OC2H5)4)為基本,利用PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)成長一層折射率較低的二氧化矽當緩衝層(buffer layer),然後再沉積一層折射率比較高的二氧化矽層當導光層(core layer ,核心層)。沉積緩衝層的目的是由於二氧化矽折射率比矽基板（n=3.75）小，光容易從矽基板漏出,因此必須在矽基板上再沉積一層折射率比核心層低的緩衝層，以避免光在傳播過程中損耗掉。在折射率的控制方面,若少量加入有機材料ＴＭＰ(Trimethylphosphite P(OCH3)3),如此成長的二氧化矽層會摻雜磷,可以讓折射率提高。根據實驗結果，TMP的流量越多,折射率越高，同時可降低應力,但吸水性越強;因此太高的參雜並不適用於波導的製作。本實驗是以參雜3~4 SCCM來作為導光層。以TEOS來製作光波導,優點是沉積率快,同時應力低。但是因為要避免光從矽基板漏出,緩衝層必須越厚越好,而為了與光纖偶合效率佳,導光層最好有5um以上(一般的core layer5-8um, buffer layer7-20um，[2][3])，若加上上面的被覆層(cladding),則最多需沉積約30um的二氧化矽層。實驗中試過沉積20um的緩衝層加上10um的波導層，雖不會產生龜裂,但整片晶片變形嚴重,如此將會增加後續的製程困難度,同時波導也會因此增加損耗.（Bending Loss）。因此研究如何使應力降的更低是有其必要性的。本實驗嚐試用RTA 來做回火，實驗證明經回火後緩衝層的應力變小,但對於有加TMP的導光層而言,應力反而變大，這是需要注意的地方。實際上本篇論文所製作的緩衝層約8um,導光層約6um,如此比較不會受到應力影響後續的製程。當導光層沉積完成後,再以直流式濺鍍機（DC-Sputter）沉積金屬鉻，或厚光阻來作為蝕刻的遮罩,經過黃光製程後，波導形狀就被定義出來,再以乾蝕刻（ICP -- Inductively Coupled Plasma Etching,或RIE- Reactive Ion Etching）方式蝕刻未被遮罩處的二氧化矽,如此就可以製作出光波導,再將其餘的鉻去除，上方沉積一層約3um的被覆層(cladding),即完成波導製作.蝕刻遮罩層一般有金屬及光阻兩種。光阻是最常用的遮罩材料，優點是製作容易，缺點是選擇比低，依現有機器而言,選擇比＜１.5：１若要蝕刻6um的波導則光阻至少要4um以上,光阻越厚，一般而言最後波導的線寬損失越多,同時製作出來的波導,邊緣垂直角度(Sidewall angle)不佳，且側壁粗糙度(Sidewall roughness)較差。所以一般皆以金屬來當遮罩材料,其中以鉻最普遍，以文獻來說,選擇比可到70:1 [4],亦即只要鍍上1000A即可。因為鉻可以比較薄, 即使鉻是以濕蝕刻方式來去除,線寬的損失亦較少，垂直角度較佳, 側壁粗糙度較小。當然要得到更陡的角度, 就要連金屬也用乾蝕刻方式來去除,限於設備,本文全部是使用CR-7T,濕蝕刻方式來去除鉻。對於矩形光波導而言,側壁粗糙度,是光在波導傳遞損耗的主要來源[5][6],因此必須對蝕刻二氧化矽的製程參數做最佳化,以便做出粗糙度最小的側壁。由文獻上可知, 一般RIE所蝕刻出來的側壁粗糙度約在1000A左右,以非晶矽(amorphous silicon)當蝕刻遮罩,透過製程參數改良可以達到500A以下甚至200A以下[7]。限於量測設備,本實驗僅以不同乾蝕刻機器(ICP or RIE)的SEM圖來做一個大約的比較。在實驗過成中,我們發現蝕刻二氧化矽後機器會對其他的材質的蝕刻率有影響,尤其是Si;推測可能是因為蝕刻過程中產生的化合物堆積在腔體（Chamber）中,造成蝕刻率的下降。因此, 當蝕刻完後最好做適當的清機動作。 波導製作完成後,再委請專業廠商將波導切割出來,由於切面對偶合效率影響很大,必須使用研磨機盡量將切面拋光。量測的結果,使用ASE寬頻光源（波長1530~1560nm）可量到不錯的結果,但使用紅光（波長633nm）,光只在波導中傳播約0.5cm即損耗殆盡,推測可能是側壁的粗糙度未臻理想之故。

A RGB-color-mixing device has been studied. To achieve full-range color-mixing and color image generation¸
the use of three basic colors, selectively modulated in three separated intensity modulators, is mandatory. A three-branch optical waveguide , use two Y junction to form a single output is designed and fabricated. The waveguide is fabricated by firstly deposited a 8um thick buffer with TEOS, and 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. We compared the etching characteristic between ICP and RIE and studied the residual stress and the influence of RTA process on the deposited waveguide structure. The fabricated device is tested and shows successfully performing the mixing of light although the loss is still large due to the sidewall roughness resulted from dry etching of the waveguide.

Abstract……………………………………………………………….Ⅰ
中文摘要………………………………………………………………Ⅱ
誌謝……………………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………………Ⅳ
圖表目錄………………………………………………………………Ⅶ
第一章 緒論…………………………………………………………..1
雷射顯示器基本概念……………………………………….....1
第二章 三色混光元件原理…………………………………………..5
2-1光線的紅綠藍三原色……………………………………....5
2-2 波導原理…………………………………………………...5
2-2-1光的反射,折射,全反射…………………………............5
2-2-2 介電層平面波導 ………………………………............7
2-2-3三維光波導………………………………………...........11
2-2-4馬卡的里近似法 (Marcatili’s Method)...............14
2-2-5有效折射率近似法(the Effective Index Method).......15
2-3 混光器的設計 …………………………………………… ... 17
第三章 元件製程研究 ……………………………………………. 19
3-1 PECVD沉積原理……………………………………...........19
3-2 RIE乾蝕刻原理 ………………………………..............21
3-3元件製作流程…….…………………………..............23
3-4參雜物對折射率( refractive index)的影響……………....26
3-5 光纖偶合損耗(couple loss)…………………………….....27
3-6 影響波導loss因素………………………………………......28
3-7 與波導製程有關的製程參數……………………………......30
第四章 製作結果與討論………………………………………….…34
　 4-1 TMP 材質的吸水問題…………………………………..34
4-2 應力的影響………………………………………………......36
4-2-1沉積壓力對應力的影響……………………….............38
4-2-2 CF4對應力的影響………………………………...........40
4-2-3 使用爐管回火對應力的影響…………………............42
4-2-4 使用RTA回火對應力的影響………………….............42
4-3波導蝕刻結果比較……………………………………….......43
4-3-1 濕蝕刻結果……………………………………............44
4-3-2 ICP 蝕刻結果…………………………………............44
4-3-3 RIE蝕刻結果……………………………………...........47
第五章　量測結果……………………………………………………50
5-1量測平台介紹……………………………………………….....50
5-2 樣品的準備………………………………………………......52
5-3 量測結果─紅外光………………………………………......53
5-4 可見光的混光………………………………………………....58
第六章 結論與未來展望………………………………………….…59

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