TWI292856B - Method to produce a grating-structure, optical element, evanescent-field-sensor plate, micro-titer-plate and information-technical optical coupler as well as device to suoervise a wavelength - Google Patents

Method to produce a grating-structure, optical element, evanescent-field-sensor plate, micro-titer-plate and information-technical optical coupler as well as device to suoervise a wavelength Download PDF

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TWI292856B
TWI292856B TW090101579A TW90101579A TWI292856B TW I292856 B TWI292856 B TW I292856B TW 090101579 A TW090101579 A TW 090101579A TW 90101579 A TW90101579 A TW 90101579A TW I292856 B TWI292856 B TW I292856B
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grating
coupling
coupler
manufacturing
field sensing
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TW090101579A
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Maisenholder Bernd
Edlinger Johannes
Heine Claus
Pawlak Michael
Duveneck Gert
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Unaxis Balzers Ag
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Description

1292856 五、發明說明（1) 枝術領域 本發明涉及一種申請專利範圍第1項前言之至少一種 相連接之光柵結構之製造方法，一種藉由本發明之方法 所成之光學元件，一種衰減場感測板，一種微滴定板以 及一種資訊技術光學耦合器，此外，本發明亦涉及一種 包含此種耦合器之監視波長所用之裝置。 本發明之方法適合用來製造一種具有光柵結構之光學 元件。依據本方法所製成之衰減場感測板及微滴定板可 用在化學分析及分子生物分析中。光學耦合器之應用領 域涉及資訊技術，特別是可用在經由光纖網路來達成之 資訊傳送領域中。本發明之特定耦合器之可能之應用是 可用在光纖網路中監視雷射光之波長所用之裝置中。 先前技藝 由ΕΡ-Α- 0 602 829中已知一種在DBR半導體雷射用 之基板上製造光柵結構所用之方法，其中首先製成一種 相位遮罩，然後使此基板（例如，I np基板）在小於 Li throw-角度之情況下經由該相位遮罩而被曝光。此種 曝光可藉由一種Hg-Xe-弧光燈（其光源之直徑是0.25mm) 來進行，其中可濾除由365nm附近之波長所形成之三條 光譜線。此基板位於相位遮罩之近場中，即，在最大是 1 0 // m之距離中。 爲了製成此種相位遮罩，則一種石英基板須以三種層 覆蓋，即光阻層，薄鍺層以及一種對電子束敏感之光阻 1292856 五、發明說明（2) 層。最上層然後藉由電子束之寫入’最上層之顯影以及 未曝光部份之去除而被結構化。此種結構藉由反應性離 子蝕刻（首先以CF3Bi*，然後以〇2來進行）而轉移至其下 方之各層且最後藉由另一個反應性離子蝕刻步驟而轉移 至石英基板本身，這些層之其餘部份被去除。光栅週期 例如可在190nm和250nm之間。此相位遮罩可以是數公 分長且此光柵可經由其整個長度而延伸。各線之長度通 常當然只有5-20 #m。較大之長度是可能的，但需要很 長之處理時間。實際上較1mm2還大之光柵幾乎不能以合 理之價格及良好之準確性來製成。 特別是電子束寫入時之偏移誤差幾乎不能避免。 由US-A- 5 675 69 1中已知一種板，其上可製成一種 耦合光柵，其過程是在由玻璃（特別是石英玻璃），陶瓷 或主要是有機材料所構成之基板上施加一種由Ti02, Ta205，Hf02，Υ203，Α12〇3，Nb205，氮化物，AlSi 或 Hf 之 氧化氮化物所構成之層，其中設有一種由3丨02所構成之 20nm厚之中間層，藉由燒蝕（Ablation)或經由準分子 (Exci me r )雷射之二個重疊光束之曝光作用使折射率改變 或藉由一種遮罩所修改之光束使該中間層被結構化。若 不用上述方式，則一種例如由T 1L 02所構成之中間層（其 中該燒蝕櫃位於較深處）須被結構化，此種中間層施加於 該層上或直接施加於基板上（此時在結構化之後該中間層 是與該層重疊）。光柵週期是375nm或440nm。光柵面積 1292856 五、發明說明（3) 可自由選取且例如是lmmXlmm或8mmX8mm。 由US-A- 5 822 472中已知一種化學分析用之衰減場 感測板，其在一種由塑料，玻璃或石英所構成之載體上 承載一種 40nm至 160nm厚之由 Ti02，ZnO，Nb2〇5， Ta205，Hf02或Zr02所構成之層，其間可配置一種lOOnm 厚之由非發光之低折射率材料（例如，石英）所構成之中 間層，其同時可用作黏合劑。設置一種耦入（couple-in) 光柵和一種耦出（couple out )光柵，其以習知之微影術 或全像術以及蝕刻方法而設置在該載體中或該層中且所 具有之光柵週期是介於200 nm和100 Onm之間。各光柵可 具有2mm(平行線）X 4mm之大小，波導板之總面積是 1 2min X 20mm 〇 由 J.Ddbendorfer，R.E.Kunz : "Compact integrated optical i mmuno sensor using replicated chirped grating coupler sensor chips" ， Applied Optics 3 7 / 1 0 ( 1 . 4 . 1 9 9 8 )已知另一種衰減場感測板，其具有一種 由聚碳酸鹽所構成之載體板，其中形成一種光柵週期在 420nm和422.8nm之間變化之耦入光柵以及一種光柵週 期在595. lnm和600. 8nm之間變化之耦出光柵。然後藉 由低溫- DC-磁控管-濺鍍而施加一種由Ti02構成之層（其 厚度是137nm且折射率是2 · 346 )，最後，使此衰減場感 測板砂院化。耦I入角是-9 . 5 ’耦I出角是2 2 · 5 ° 由US-A- 5 7 38 825中可知一種微滴定板’在其下側 1292856 五、發明說明（4) 上施加一種20nm至lOOOnm厚（較佳是30nm至500nm厚） 之由 Ti02 ， Ta205 ， Hf02 ， Zr〇2 ， Si02 ， Si3N4 ， A12〇3 ， Nb 205，或A1，Si，Hf之氮化物或氧化氮化物所構成之 層且此層由塑料層所覆蓋。在每一空穴下方設置各耦入 光柵及耦出光柵。這些光柵所具有之光柵週期是介於 3 3 0nm和lOOOnm之間（特別是400nm至800nm之間）且以 微影術或機械方法製成。 由CH-A- 688 1 65中已知一種波導板，其基板由塑料 (例如，聚碳酸鹽）所構成，基板表面以機械方式（例如， 深沖，壓鑄或濺鍍澆注）而被結構化，特別是設有一種耦 合光柵且承載一種由PVD方法所施加之層。此層由 Ti02，Ta2〇5，Zr02，Al2〇3，Si02-Ti02，Hf02，Y203， Nb 205 ’ 氮化矽，氧化氮化物，SiOxNy，HfOxNy，A10xNy， TiOxNy，MgF2或CaF2所構成。爲了使衰減時之損耗減 小，須在基板上於該層之前設置一種20nm厚之由無機介 電質材料（例如，3丨〇2)所構成之中間層，其同時用作黏 合劑。 上述全部之各板都是依據一種方法製成，利用此方法 不能使耦合光柵達到令人滿意之均勻性，耦合角之變動 因此較大。這樣所造成之結果是：在用作衰減場感測板 時該曝光裝置和該板之相對之角度狀態在每一步驟中都 需昂貴地被最佳化。在資訊技術中用作光學耦合器時， 濾波特性不能令人滿意且不足以由一組很接近之波長中 1292856 五、 發明說明（5) 々巳巳 擇 性 地濾除某一波長。上述方法中 之 一 1¾ 亦 很 昂 售. 且 在相 同 之品質時不允許很大之交貨件數£ 本 發 明 之描述 本 發 明之目的是提供一種方法，其 允 許 以 較 大 之 m 確 性 及 較 小之費用來製成（特別是串列地製成）光 柵 結 構 〇 此 a 的 由申請專利範圍第1項之特徵 來 達 成 〇 利 用 本 發 明 之 方 法，亦能以簡易且成本有利之 方 式 來 製 成 大 面 積 之 特 別 是線性平行之縱向相連之光柵 結 構 其 具 有 連 續 式 較 大 之精確性。此外，相對於光柵 結 構 之 配 置 及 構 造 而 言 可確保此構造有一種廣泛之自 由 度 0 因 此 以 相 同 設 備 來製造不同應用領域中極不相 同 之 光 學 元 件 是 可 能 的 〇 本發明之方法亦允許以相同之 品 質 來 製 成 較 大 系 列 之 光 學元件，其在狹窄之邊界中具= 有； 相 同 之 光 學 特 性 例 如，耦合效率，特別是耦合角 〇 此 外 ，亦提供一種高準確之光學元 件 其 可 藉 由 本 發 明 之 方 法而製成。光學元件特別是可 以 衰 減 場 感 測 板 構 成 或 以 與其有關之微滴定板構成。由 於 較 大 之 光 柵 長 度 中 各 邊 界（耦合角在各邊界中變動）亦很 狹 窄 5 則 可使 衰 減 場 感 測板或微滴定板之大部份被曝 光 且 可 讀 出 0 追 些 板 之 不 同之部份隨後所需進行之曝光 亦 較 簡 單 這 是 因 爲 這 板及曝光單元之相對之角位置 之 重 新 最 佳 化 是 不 需 要 的 或每一情況都可變成很簡單。 光 學 元件亦可以資訊技術用之光學 -7- 牵禹 合 器 來 構 成 〇 較 1292856 五、發明說明（6) 大之光柵結構之高準確性在此種情況下可確保所標示之 濾波器特性，特別是各別波長之極狹窄頻帶之挑出，使 波長極爲鄰近之波長-多工器是可製成的，這樣可使傳送 時之容量提高。 本發明以下將依據圖式來描述。 圖式簡單說明： 第1圖 本發明之衰減場感測板之俯視圖，其具有虛 線所示之附加件，此附加件可使此感測板擴增成一種微 滴定板。 第2圖 沿著第1圖之Π - Π切線之切面圖。 第3圖 微滴定板之使用情況，其具有本發明之衰減 場感測板。 第4 a - e ·圖 本發明之衰感場感測板製造時不同之步 驟。 第5圖 製造本發明之衰感場感測板時使光阻層曝光 用之構造。 第6圖 相位遮罩及基板，其具有曝光中之光阻層。 第7 a - g圖 製造本發明之衰感場感測板時製成一種 相遮罩所用之不同之步驟。 第8a圖 依據第一實施形式之本發明之資訊技術光 學耦ί合器之俯視圖。 第8b圖 是第8a圖之耦合器之中央縱切面圖。 第9 a圖 依據第一實施形式之耦合器之反射率。 1292856 五、發明說明（7) 第9 b - d圖 經由第一實施形式之賴I合窃之波長的苢币 選圖解。 第10圖 具有第一實施形式之耦合器之配置。 第1 1 a圖 本發明第二實施形式之資訊技術光學耦合 器之俯視圖。 第lib圖 是第11a圖之耦合器之中央縱切面圖。 第12圖 具有第二實施形式之耦合器之配置。 第13a圖 本發明第三實施形式之資訊技術光學耦合 器之俯視圖。 第13b圖 是第13a圖之耦合器之中央縱切面圖。 第14圖 具有第三實施形式之耦合器之裝置，其用 來監視一種由雷射所發出之光束之波長且使之穩定。 第1 5圖 在不同波長時第三實施形式之耦合器之傳 輸率相對於耦合光柵之位置之關係圖。 本發明之進行方式 本發明之方法以下將與本發明之衰減場感測板及其製 法一起詳述。衰減場感測板是一種板，其中可藉由表面 之一部份受到照明而形成一種衰減場，在其範圍中可配 置一種待分析之試樣。衰減場感測板因此用來作化學分 析。衰減場是一種非輻射之電磁場，其隨著此種至雜散 表面（其上可形成電磁場）之逐漸增大之距離而減少及逐 漸消失。此種場可與電場之空間調變相關連而產生在一 種平面（其週期値較波長還小）中。此種調變之最爲人所 1292856 五、發明說明（8) 知之例子是發生在介電質至空氣之界面上，當光束由介 電質之一側以一種較臨界角（cri t i cal angle )還大之角 度入射時。 哀減場感測板具有一種透明之光導層，由光導層而來 之哀減光由光導層之表面發出且與該處所鍵結之分子產 生交互作用，即，其受激發而發光。 此種哀減場感測板如第1，2圖（其未依比例繪製）所示 是由一種玻璃基板1所構成，例如，由大小1 〇2mm X 72mm及厚度〇.7_之由Schott DESAG公司之AF 45玻 璃所構成，其在一側上塗佈丨50nm厚之由Ta 205所構成 之透明層2。 在承戴此層2所用之表面上施加多個由平行而相鄰開 之條片所構成之耦合光柵3，這些光柵3以直線平行之 方式分別在衰減場感測板之整個寬度上延伸。每一條片 之寬度是0.5mm。光柵週期是△ = 360nm，溝槽/條片之 比（ratio)是1 : 1，光柵深度是20nm。界定此光柵所用 之參數在各條片之整個長度中須很準確地遵循。因此， 耦合角0之變化是保持在很小之限度內，由下方經由基 板1而對準該耦合光柵3之光束（特別是波長大約63 3nm 時）在耦合角0時以最大之耦合效率而耦合至此層2中。 沿著耦合光柵3之各線此種耦合角之最大變化値是0.05 ° / cm。在整個衰減場感測板上此種耦合角Θ相對於平均 値（其在本情況中是2 · 3 Γ )之偏差量小於0 · 1 5 ° 。 -10- 1292856 五、發明說明（9) 層2之表面設有一種塗層，其是由黏合中繼層所構 成。 若要對空腔8之內容檢驗其特定分子之濃度，例如， 對血液，血淸，尿液，唾液或一種具有強效物質之溶液 進行分析時，則須藉由適當之光源在此種耦合角0時以 特定波長之光束（在本例子中是藉由6 3 3 nm波長之He-Ne -雷射光）利用習知之方式使衰減場感測板2之相鄰之 耦合光柵3曝光。此種光經由此層2 (其形成空腔8之底 部）而導通至相鄰之耦合光柵31中且在該處又耦合而 出。此種衰減光使空腔8中鍵結至辨認元件之分子受激 發而發螢光，此種螢光由透鏡9所記錄及分析。高精確 性（藉此可在耦合光栅3之長度上遵守此種耦合角0 )允 許以較高之效率同時來檢驗這些沿著耦合光柵3而配置 之空腔。由於此種耦合角0在整個衰減場感測板上只稍 微偏離平均値，因此在檢驗下一列空腔8時此空腔8不 需昂貴地被最佳化。除了螢光之計算外，由於分子結合 至各辨認元件所造成之折射値之改變亦可記錄在空腔8 之基部。 爲了形成此層2(如第4a-e圖所示），首先在基板1上 以1 300U/分鐘之速率施加一種光阻，例如，AZ1 518， 以AZ1 500在1 : 4時稀釋之AZ1 518，此二種光阻都來自 clariant公司，且隨後在90°C時在爐中燒烤30分鐘， 接著在1 400U /分鐘之情況下施加同一公司製造之 -11- 1292856 五、發明說明（1〇) Aqua t a r且在90°C時又在爐中燒烤1 5分鐘。這樣所製成 之光阻層10所具有之厚度小於200nm，通常是150nm， 因此不會有干擾性之駐波形成在光阻層1 0中。反射率小 於1 %，使干擾性反射（其會形成牛頓環）事實上同樣不 會發生（第4a圖）。 在下一步驟中使光柵層10曝光70秒。使基板1引入 第 5圖之構造中，其是 SCiss公司（位於慕尼黑 (Mdnchen))之Aligner MA4遮罩，其含有一種改質之水 銀蒸氣燈1 1 (其後連接一種透鏡1 2及一種偏向鏡1 3 )。 此透鏡12包含一種帶通濾波器（其例如可濾除3 65nm波 長之I -線）以及一種極化器（其產生一種S -極化）。爲了 改良各光束之平行性，則該活動眼須遠離光束通道，使 用一種弧度儘可能小之燈且須離基板儘可能遠。 曝光過程藉由相位遮罩1 4來進行。此相位遮罩1 4包 含一種由透明材料（本例子中是石英）所構成之基板，其 包括：一種整面之光柵結構及一種繞射光柵，其承載一 種由透明材料（本例子中是鉻）所構成之層，此種層在本 例子中由一些以規則之間距而依序排列之條片所中斷。 此種形式之相位遮罩可在Ibsen in Fai*um(丹麥）中塗佈 且以下述方式製成。 以光阻層1 6覆蓋石英基板1 5 (第7 a圖）且以雷射-雙 射束干擾方法使光阻層1 6被曝光及顯影（第7b圖）。然 後在石英基板1 5表面上藉由光阻之蝕刻及隨後之去除而 -12- 1292856 五、發明說明（11) 在整面上形成一種繞射光柵（第7c圖）。然後使上述之表 面在整面上部覆蓋一種鉻層17(第7d圖）。在鉻層17上 施加一種連續之光阻層1 8 (第7 e圖）且經由一種由電子 束或雷射束寫入而結構化之遮罩使光阻層1 8曝光。然後 使光阻顯影（第7 f圖）且藉由蝕刻使未由光阻所覆蓋之這 些部份上之鉻層1 7被去除。最後，去除此光阻層1 8之 其餘部份以製成此相遮罩14(第7g圖）。須決定此種遮 罩之結構，以得知此相位遮罩之哪些部份是透明的。 基板1配置在相位遮罩1 4下方，使光阻層可與相位遮 罩1 4達成真空接觸作用。相位遮罩1 4之上側在一種角 度中曝光，此種角度大約等於Li throw角度（9 d此時入 射角等於第一繞射級之角度），此入射角偏離此0 ^之値 特別是不.大於1 0 ° ，最好是不大於5 ° 。在此種情況 下，在相位遮罩14之透明區下方之近場（near field)中 會形成一種明顯之繞射圖樣，其結構對應於相位遮罩1 4 之光柵結構（第6圖）。另一方式是可在一角度中使相位 遮罩14曝光，此種角度大約是0° ，即，垂直地入射或 與此垂直入射方向之偏差不大於1 0 ° (最好不大於5 ° )，如虛線所示之偏向鏡1 3 ·所示。在此種情況下此相 位遮罩1 4之近場中之繞射圖樣以此相位遮罩之光柵之半 週期而重複著。 在曝光之後，此Aquatar-層以蒸餾水來沖洗而被去除 且隨後使光阻顯影（第4b圖）。然後此基板1之表面之未 -13- 1292856 五、發明說明（12) 由光阻所覆蓋之這些部份利用Ar和0：狀1?2在0.02mbai· 之壓力時在平行板反應器中以電漿（13.6MHz且RF功率 是50W)之電容性激發來進行蝕刻。蝕刻深度是20nin。然 後去除光阻，光阻首先在0.2mbar之壓力和50W之RF功 率中在氧電漿中受到一種反應性離子蝕刻60秒，然後以 Remover AZ100，De con ex和蒸餾水使光阻脫落（第 4d 圖）。 最後，藉由反應性脈波驅動之DC磁控管濺鍍法或以一 種頻率介於IKHz和1MHz之間之AC疊加之DC磁控管濺 鍍法在Balzers Msplooo設備中類似於ΕΡ-Α-0 508 359 之方式來施加此層2(第4e圖）。此種步驟是在Ar-〇2-大 氣中在3.7ubar之壓力時進行。靶材料是鉅。最後，衰 減場感測板藉由晶圓切鋸而切割成其最終之大小。 上述方法允許以簡單之方法以大量之件數製成一些具 有光柵結構（特別是繞射式耦合光柵）之元件，這主要是 藉由實際上通常可任意再使用之相位遮罩來達成。此種 情況（相位遮罩以雙射束干擾方法而被結構化）允許在相 位遮罩（其面積是l〇cm2或更大）上製成較大之無缺陷之 光柵結構，其具有較大之精確性，其它之結構化方法（例 如’電子束寫入法）由於幾乎不可避免之偏位誤差而不適 用。具有高品質及均勻性之大面積光柵之此種較大之光 學元件不只可製成終端產品，而且亦可製成坯件，此種 坯件然後藉由晶圓切鋸，撕裂，折斷或雷射切割而分割 -14- 1292856 五、發明說明（13) 成較小之終端產品，其能以此種方式很經濟地以較高之 品質製成。 當然亦可製成一些衰減場感測板，其幾何形狀及光學 特性符合其它規範或其它需求。另一衰減場感測板因此 可具有57mm XI 4mm X〇. 7mm之尺寸且可設有二個對稱配 置之平行於縱向側而延伸之條形之耦合光柵（其寬度是 0 · 5mm)，此二個耦合光柵互相隔開9mm。光栅週期是Λ = 318nm，光柵深度是I2nm，此外，此種層及耦合光柵 之特性是與第一例中相同，耦I合角在本情況中在波長是 6 3 3 nm時是0 =· 1 2 . 1 4 °且在線性平行方向中以最多是 〇 · 1 5 ° / cm之方式改變。由平均値起始之偏離値在整個 衰減場感測板上都小於〇 . 05 ° 。在製造坯件（由此可藉 由晶圓切鋸而分割成上述之衰減場感測板）時使用一種 150mmX150mm大之相位遮罩，其具有一種承載 115mmX 1 15mm大之光柵（其光柵週期是318nm)所用之區域。對應 於此耦合光柵之區域是空著的，而此光柵之其餘部份又 由一種不透明之層（特別是鉻層）所標示。此外，此種製 程與上述者相同。 另一例子是一種基本構造與第1圖相同之衰減場感測 板，其尺寸是75mmX113.5mmX0.7mm，其承載30個平行 於寬度側而構成條片之耦合光柵（其寬度是0 . 5mm )，其 中相鄰條片之間之距離是8 . 5mm。層和光柵特性對應於 第二例。耦合角在波長是6 3 3 nm時是0 = - 1 1 . 48且在線 1292856 五、發明說明（14) 性平行方向中最大之改變量是0 · 0 5 ° / c m。在整個衰減 場感測板上此種耦合角偏離平均最多是〇 . 4° 。衰減場 感測板可藉由適當之補充而擴充成一種具有8 X 1 2空腔 之微滴定板。 除了依據本發明之方法所製成之光柵結構之上述構造 承載時所用之光學元件（用於化學分析之領域中）外，主 要是此種資訊技術上之應用亦可適用。這些元件主要適 用於高效率之光學耦合器，例如，可用在玻璃纖維網路 中。 此種耦合器之第一例子顯示在第8 a，b圖中。在由玻 璃板19所構成之基板1上及透明之材料所構成之層20 上設置一種以直線光柵（具有定値之光柵週期）構成之耦 合光柵3。此層20由Ta 205所構成之透明層2所覆蓋。 此層2用作波導。耦合光柵3依據第9 a圖所示之與波長 有關之反射率R而反射該固定波長λ B之光，而使所入射 之所有其它波長之光可透過。這顯示在第9b-d圖中，第 9a圖顯不所入射之各波長，第9b圖是反射之波長λΒ， 第9c圖是穿透之波長。因此，藉由耦合器可在玻璃纖維 網路中（其中使用波長-多工器）濾除一些指定之波長。由 於光柵之較高之品質，則反射率R之半値寬度是很小 的。因此，在很接近之波長中可以很高之效率挑出一些 波長。 使用此種耦合器之一種例子顯示在第1 0圖中。二個平 -16- 1292856 五、發明說明（15) 行之條形波導2 1 a，b所構成之習知結構在耦合區22上 以很小之間距平行而延伸，使該處50%之在第一條形波 導2 1 a中延伸之光可轉移至第二條形波導2 1 b且反之亦 然。在第一條形波導2 1 a之伸出部份中一種耦合器23是 與第8a，b圖之耦合光柵3 —起裝配，耦合晶格3可選 擇性地反射波長是λ 3之光束。 若在第一條形波導2 1 a中波長是λ ,，λ 2，λ 3，λ 4等 等之信號饋入一輸入端24，則整個信號一方面在耦合區 22中50%轉移至第二條形波導21b中，在21b中這些信 號傳送至第一輸出端2 5 a，除了第9 a - d圖之λ B所對應 之信號（其在耦合器23反射）以外，第一條形波導21a中 其餘之信號傳送至第二輸出端2 5 b，使耦合區2 2中其光 強度之50%轉移至第二條形波導21b中，該處此信號在 和此種直接由第一條形波導2 1 a所穿越之信號成相反之 方向中傳送輸出端25c，此信號在該處最後是處於隔離 狀態而可進一步被處理。至第三輸出端25a，b之信號又 可共同聚集成一種信號，其與原來只由波長λ 3之信號衰 減5 0 %所得者是不同的。 耦合器2 3可完全積體化於第一條形波導2丨a中，使其 構造就像與第一條形波導2 1 a形成單件一樣。耦合器2 3 之特徵是：其承載該耦合光柵3。 耦合.器之第二例子如第1 1 a，b圖所示，在由玻璃（例 如，Schot t DESAG AF 45，折射率是1 · 52)所構成之矩 -17- 1292856 五、發明說明（16) 形基板1上在上側縱向中互相隔開依序配置二個耦f合光 柵，一個親入（coupled in)光柵3a及一個親出（coupled out)光柵3b，這些元件分別在耦合器之整個寬度上延 伸。耦入光柵3a之光柵週期是981 nm且光柵深度是 6nm，耦出光柵3b之光柵週期Λ 2 = 1 3 50nm且光柵深度是 12nm。基板1之上側是以連續式透明層2覆蓋，此層2 由Ta 205所構成且折射率是2. 1，此層2之厚度是 400nm 〇 耦合器可用作耦出濾波器（D I* op - f i 1 t e r )以監視多模式 雷射光之各線之強度且使之穩定。上述耦合器23(第12 圖）因此配置在第一光導纖維26a之末端和第二光導纖維 26b(其配置在26a之後續路徑中）之間，使耦入光柵3a 面向26b之末端，而26a則對準耦合器23之下側。由第 一光導纖維26a所傳送之光經由耦合器23之承載該耦合 光柵3a所用之部份，1 5 50nm此線之光之一小部份（其已 透過耦合器23且小於整個光束強度之0.01% )耦合而進 入此層2中。此光束在耦合光柵3b以30°之角度耦合 而出且入射至相對應而配置之光偵測器27中，偵測器 27之輸出信號是所偵測之光線之強度的一種測量値。由 於耦入光柵3 a之很高之精確性而使耦入作用對波長很敏 感，光強度分佈之半値寬度只有0.01 nm，這樣在相鄰之 許多波長中（例如，在高傳輸容量之波長-多工器中）可適 當地監視各別之波長。 -18- 1292856 五、發明說明（17) 本發明光學親合器之第三例子顯不在第i3a’ b圖中， 矩形之基板1由折射率1 · 586之玻璃板1 9所構成且其上 側覆蓋285nm厚之由Ti03構成之透明層20(其折射率是 2 . 4 )。上側承載一種佔有整個見度之親合光概3 ’其由 此層20之整個線間之間距所形成且由另一 342nm厚之透 明層2(其由MgF2構成且折射率是1 · 38)所覆蓋。光栅深 度因此等於此層20之厚度而爲285nm。光柵週期Λ (X) 以直線式垂直於光柵線之方式而改變且由AfQTOnm增 加至 Λ2 = 977nm。 在耦ί合器製造時，就像衰減場感測板之第一例子中所 述之方式而施加各層20及2。在耦合光柵3製造時在施 加此層2 0之後以上述方式進行。因此使用一種相位遮 罩，其光柵以適當之方式（本情況中是線性方式）而改 變。可製成這些相位遮罩，使可彎曲之樣品適當地彎曲 且以雙射束干擾方法而設有一種光柵結構。相位遮罩藉 由照相影印而由平面式之樣品導出。 耦合器可有利地用在一種元件中以監視雷射28(第14 圖）之波長且使之穩定，雷射28之光束饋入纖維網路之 波導纖維29(例如，玻璃纖維）中。玻璃纖維29包含一 種部份透光之鏡面30，其配置在雷射28所發出之光束 中，另有一個配置於鏡面30之後之擴散用之第一透鏡 3 1以及一個第二透鏡3 2 (其使此種由鏡面3 0所偏向之光 束成爲平行。上述之耦合器23配置於透鏡32之後且垂 -19- 1292856 五、發明說明（18) 直於光束之方向，使光束入射在耦合光柵3上。直接在 耦合器2 3下方施加此層2 0，已如上所述。因此使用一 種相位遮罩，其光柵以適當之方式（本情況中是線性方式） 而改變。可製成這些相位遮罩，使可彎曲之樣品適當地 彎曲且以雙折射束干擾方法而設有光柵結構。相位遮罩 藉由複製（即，複印）而由平面式樣品導出。 耦合器可有利地用在一種元件中以監視雷射28(第14 圖）之波長且使之穩定，雷射28之光束饋入纖維網路之 波導纖維29(例如，玻璃纖維）中。玻璃纖維29包含一 種部份透光之鏡面30,其配置在雷射28所發出之光束 中，另有一個配置於鏡面30之後之擴散用之第一透鏡以 及一個第二透鏡32(其使此種由鏡面30所偏向之光束成 爲平行）。上述之耦合器23配置於透鏡32之後且垂直於 光束之方向，使光束入射在耦合光柵3上。直接在耦合 器23下方施加一種偵測器配置，其具有二個光偵測器 33a，b，其直接相鄰地依序配置著，使由耦合光柵3之 第一部份（其光柵週期介於Λ i和中間値Λ i之間）所傳送 之光入射至第一光偵測器3 3 a且由耦合光柵3之其餘之 部份（第二部份，其光柵週期介於Λ 1和Λ 2之間）所傳送 之光入射至第二光偵測器33b。計算 Q= (Ia-Ib)/(Ia+Ib) 且藉由偵測器配置之偏移而調整至0。由雷射28所發 出之光束之波長之改變依據此光束之方向可使Q値由〇 •20- 1292856 五、發明說明（19) 形成正或負之偏差且此種改變可由雷射28之適當之控制 來補償。光束之強度因此不扮演任何角色。只有已擴散 之光束之強度分佈（其是不均勻的且通常是遵循高斯 (Gauss )分佈）可能具有干擾作用，這可藉由適當配置之 透鏡或增設透鏡或利用電腦來補償。 本發明之光學元件可有很多變化，但都不偏離本發明 之基本原理。因此，在許多情況中在整個元件上或整個 耦合光柵上由平均値偏離0.3°或0.5°是可允許的。若 親合角Θ沿著光柵線之變化不大於〇 . 1 ° / c m，則這在衰 減場感測板中通常是足夠的。 在製造過程中，可有許多變化或依據特定之需求作特 殊之調整。在本方法中很重要之曝光步驟中此光阻層可 與相位遮罩相隔開，這樣可使曝光步驟容易進行。光阻 層須配置在近場（即，距離小於100//m)中，使繞線圖樣 足夠淸楚。此種距離可介於2 // m和1 〇 0 # m之間。若不 使用水銀蒸氣燈作爲光源，則亦可使用雷射，其光束不 是均勻的而是遵循高斯分佈，其可能造成干擾，這可藉 由透鏡之設置及增設或電腦來補償。 在製造過程中’可有I午多變化或依據特定之需求作特 殊之調整。在本方法中很重要之曝光步驟中此光阻層可 與相位遮罩相隔開’這樣可使曝光步驟容易進行。光阻 層須配置在近場（即’距離小於1 0 0 // m )中，使繞線圖樣 -21 - 1292856 五、發明說明（2〇 ) 足夠淸楚。此種距離可介於2 # m和1 〇 〇 # ni之間。若不 使用水銀蒸氣燈作爲光源，則亦可使用準分子（Ex c i me r ) 雷射或氬雷射。除了 Ta2〇5適合用作光阻層之材料以外 亦可使用其它材料，特別是Nb2〇5，T i 02，Z r02，A 12〇3， Si〇2-Ti02 ， Hf〇2 ， γ2〇3 ， Si〇xNy ， Si3N4 ， HfOxNy ， A10xNy，TiOxNy，^^?2或CaF2。可使用離子促進之蒸發法 或電漿促進之氣相沈積法作爲塗層法。最後，如上述之 實施例所述’亦可依序施加許多不同成份及厚度之層。 可藉由光柵深度及溝槽-條片-比（r a t i 〇 )之改變來達成 上述之調整作用，其可簡易地藉由專業領域中習知之程 式來計算。 符號之說明 1 基板 _ 2 層 3 耦合光柵 4 附加件 5 蓋板 6 開口 7 管區段 δ 空腔 9 透鏡 10 光阻層 11 水銀蒸氣燈 -22- 1292856 五、發明說明（21) 12 透鏡 13,13' 偏向鏡 14 相位遮罩 15 石英基板 16 光阻層 17 鉻層 18 光阻層 19 玻璃板 20 層 21 a，b 條形波導 22 親合區 23 耦合器 24 輸入端 2 5 a , b , c . 輸出端 2 6 a，b 光導纖維 27 光偵測器 28 雷射 29 光導纖維 30 部份透光之鏡面 31 第一透鏡 32 第二透鏡 3 3 a , b 光偵測器 -23-

Claims (1)

1292856 公告本_ 六、申請專利範圍 第9 0 1 0 1 579號「光柵結構之製造方法，光學元件，衰 減場感測板，微滴定板，資訊技術光學耦合器以及監 視波長所用之裝置」專利案 9匕JO 2齡瓦 <2007年10月修正） 六申請專利範圍： 1. 一種至少相連接之光柵結構之製造方法，此種光柵 結構以直線式光柵構成，依序排列之光柵線條之間 之距離是介於l〇〇nm和2500nm之間，在基板之表面區 段上 -以光阻層（10)覆蓋此表面區段， -此表面區段及光柵結構配置在相位遮罩（14)之近 場中，光阻層（10)面向此光柵結構， -相位遮罩（14)在一種角度中曝光，此種角度相對 於Littrow角度（0L)或0°之偏差値不大於1〇° ， -對此光阻層（1 0)進行顯影且使該表面區段受到一 種蝕刻過程以製成此光柵結構， -去除此光阻層（10)，本方法之特徵是： 此相位遮罩（1 4)在此種製程中以微影術利用雙射 束干擾方法而被結構化或由一種以此種方式而被結 構化之樣品中導出。 2 ·如申請專利範圍第1項之製造方法，其中相位遮罩 (14)在一種角度中曝光，而此種角度相對於Litt row 角度（0L)或0°之偏差値不大於5° 。 1292856 六、申請專利範圍 3 .如申請專利範圍第1項之製造方法，其中至少一個光 柵結構之範圍以直線平行之方式而具有至少0.5 cm。 4 .如申請專利範圍第1項之製造方法，其中至少一個光 柵結構之範圍以直線平行之方式而具有至少1 cm。 5 .如申請專利範圍第1項之製造方法，其中此相位遮罩 上之至少一個光柵結構之面積大小至少是10cm2。 6 ·如申請專利範圍第3項之製造方法，其中此相位遮罩 上之至少一個光柵結構之面積大小至少是10cm2。 7 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中光阻層（10)之曝光藉由水銀蒸氣燈（11)來達成。 8 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中光阻層（10)之曝光藉由準分子雷射或氬雷射來達 成。 9 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中相位遮罩（14)包含透明基板及已結構化之有孔之 層，其以光學方式使光柵結構不被驅動。 10.如申請專利範圍第9項之製造方法，其中該有孔之層 由不透明材料構成。 1 1 .如申請專利範圍第9項之製造方法，其中該有孔之層 由鉻層（7)構成。 1 2 ·如申請專利範圍第1 0項之製造方法，其中此透明基 板是石英基板（1 5 )。 1 3 .如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 -2 - 1292856 六、申請專利範圍 中相位遮罩（1 4 )之面向光阻層（1 0 )之此側是以去反 射層覆蓋。 14_如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中在光阻層（1 0 )曝光期間此光阻層（1 0 )是與相位遮 罩（1 4 )保持真空接觸。 1 5 ·如申請專利範圍第丨至6項中任一項之製造方法，其 中此光阻層（10)之厚度最大是200nm。 16·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中光阻層（10)在曝光之前以反射層覆蓋。 17 .如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中在光阻層（1 0 )曝光期間其與相位遮罩（1 4 )之間之 距離介於2/zm和100/zm之間。 1 8 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中蝕刻過程是反應性離子蝕刻。 1 9 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中餓刻過程是以氣體來進行，此氣體至少含有下述 成份之一：Ai:，CHC1F2，CHF3。 20 .如申請專利範圍第1至6項中任一項之製造方法，其 中此基板（1)之材料是石英，砍，熱氧化之矽，鍺， 矽-鍺，III-V-化合物半導體或鈮酸鋰。 21 ·如申請專利範圍第1項之製造方法，其中在表面區段 上在施加光柵結構之後至少施加折射率不同之基 板。 1292856 六、申請專利範圍 22 ·如申請專利範圍第2 1項之製造方法，其中須形成光 柵結構和透明層（2 )，使耦合角（0 )沿著各線之變化 量最大是0.1° /cm且此親合角（0)與額定値之間之偏 差之絕對値不超過0.5° 。 23. 如申請專利範圍第21或22項之製造方法，其中藉由 反應性DC磁控管濺鍍法。 24. 如申請專利範圍第21或22項之製造方法，其中藉由 脈波式DC濺鍍法或AC疊加之DC濺鍍法而施加透明層 (2) ° 25 ·如申請專利範圍第21或22項之製造方法，其中透明 層（2)之厚度介於50nm和5000nm之間。 26.如申請專利範圍第21或22項之製造方法，其中透明 層（2)之材料是 Ta205，Nb205，Ti02，Zr02，Al2〇3， Si02-Ti02 ， Hf02 ， Y203 ， SiOxNy ， Si3N4 ， HfOxNy ， A10xNy，TiOxNy , MgF2或 CaF2。 27 . —種衰減場感測板，其具有板形之基板（1 )，在基板 之表面區段上至少有相連之耦合光柵（3 )，其是直線 光柵，其週期介於150nm和2000nm之間，其線性平行 間之範圍至少是0 . 5 cm且其承載折射率不同於基板（1 ) 之透明層（2 )，其特徵爲：耦合角（0 )沿著直線之變 化値最大是0.1° /cm且此衰減場感測板上之耦合角 (0 )相對於額定値之偏移値之絕對値不超過〇 · 5。 28 .如申請專利範圍第27項之衰減場感測板，其中耦合 -4 - 1292856 六、申請專利範圍 光柵（3 )沿著各線之範圍至少是1 cm。 29 ·如申請專利範圍第27項之衰減場感測板，其中此耦 合光柵（3)之面積至少是10cm2。 30 ·如申請專利範圍第28項之衰減場感測板，其中此耦 合光栅（3)之面積至少是10cm2。 31 .如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中耦合角（0 )沿著直線之變化値最大是〇·〇5° / cm ° 32 ·如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中此衰減場感測板上之耦合角（0 )由其平均値 所偏離之絕對値不超過0.3° 。 33 .如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中此衰減場感測板上之耦合角（0 )由其平均値 所偏離之絕對値不超過0.15° 。 3 4 .如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中透明層（2)之折射率介於1.6 5和2.80之間。 3 5 .如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中此透明層（2)由 Ta205，Nb205，Ti02，Zr02 ’ A 1 203，Si02-Ti02，Hf02，Y203，SiOxNy，Si3N4 ’ HfOxNy，A10xNy，TiOxNy，河§?2或0&?2所構成。 36 .如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中此透明層（2)之厚度介於50nm和200nm之 間。
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申請專利範圍 37·如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 披，其中至少一個耦合光柵（3 )之溝槽-條片-比 (r a t i 〇 )介於 〇 · 3 ·· 1 和 3 ·· 1 之間。 3δ·如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中至少一個耦合光栅（3 )之溝槽-條片-比 (r a t i 〇 )介於 〇 · 7 : 1 和 1 . 5 : 1 之間。 39·如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中至少一個耦合光栅（3)之光柵深度介於5nm 和75nm之間。 40·如申請專利範圍第27至30項中任一項之衰減場感測 板，其中至少一個耦合光柵（3 )只覆蓋此衰減場感測 板之表面之一部份，其餘之部份則保持裸露。 41 ·如申請專利範圍第4〇項之衰減場感測板，其中其具 有至少一個耦合光柵（3 )，其以條片構成，此耦合光 柵（3 )以直線式平行方式在衰減場感測板之整個寬度 或長度上延伸。 42 .如申請專利範圍第41項之衰減場感測板，其中以多 個條片構成之耦合光柵（3 )互相平行而相隔開地配置 著。 43 .—種微滴定板，其具有申請專利範圍第27至42項中 任一項之衰減場感測板以及蜂巢式之附加件（4 )，其 特徵爲：此附加件（4)在側面鄰接於這些配置在規則 網目中之空腔（8 )，其底部分別由衰減場感測板所形 1292856 六、申請專利範圍 成。 44 · 一種資訊技術光學耦合器，其具有板形之基板（丨）， 在基板之表面區段上至少有一種相連之耦合光柵 (3)，其是直線光柵，其週期介於l〇〇nm和2500nm之 間，其線性平行間之範圍至少是0 . 5cm且其承載折射 率不同於基板（1)之透明層（2)，其特徵爲：耦合光 柵（3 )上之耦合角相對於額定値之偏移値之絕對値不 超過0.5° 。 45 ·如申請專利範圍第44項之耦合器，其中耦合光柵（3) 沿著各線之範圍至少是1 cm。 46.如申請專利範圍第44項之耦合器，其中耦合光柵（3) 之面積至少是l〇cm2。 47 .如申請專利範圍第45項之耦合器，其中耦合光柵（3) 之面積至少是10cm2。 48·如申請專利範圍第44至47項中任一項之耦合器，其 中此耦合光柵（3 )之沿著各線之耦合角（0 )之變化量 最大是0 . 1 ° / cm。 49. 如申請專利範圍第48項之耦合器，其中耦合角（0 )沿 著各線之變化量最大是0.05° /cm。 50. 如申請專利範圍第44至47項中任一項之耦合器，其 中表面區段上之耦合角（0 )由其平均値所偏離之絕對 値不超過0 . 3 ° 。 51 ·如申請專利範圍第44至47項中任一項之耦合器，其 1292856 六、申請專利範圍 中表 面 區段上之耦合角（0)由其平均 丨値所偏離之絕 對 値不 超 過 0· 15。。 52 · 如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中透 明 層（2)之折射率介於1 . 65和2 · 80之間。 53 如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中透 明 層（2)由 Ta205，Nb205，Ti02 ，Zr02 ， A120 3， Si〇2 -T i02，Hf02，Y203，SiOxNy， Si3N4，Hf〇xN: ， / Al〇x Ny ，TiOxNy，MgF2 或 CaF2 所構成 ο 54 如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中透 明 層（2)之厚度介於50nm和200nm之間。 55 , .如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中至 少 一個耦合光柵（3 )之溝槽-條 :片-比（r a t i 〇 )介 於0 . 3 : 1和3 : 1之間。 56 .如申 3主 m 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中至 少 一個耦合光柵（3 )之溝槽-條 :片-比（r a t i 〇 )介 於0· 7 : 1和1 . 5 : 1之間。 57 .如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之耦合器， 其 中至 少 一個耦合光柵（3)之光柵深丨 S介於5nm和75nm 之間 〇 58 .如申 請 專利範圍第44至47項中任一 項之賴合器， 其 中表 面 區段承載至少二個光柵週期 不同之規則之耦 合光 舰 ffltr (3 a，3 b ) 〇 59 .如申 請 專利範圍第44至47項中任一 -8- 項之耦合器， 其 1292856 六、申請專利範圍 中表面區段承載至少一個不規則之耦合光柵（3 )，其 中相鄰之光柵線條之間的距離不是固定的。 60.如申請專利範圍第59項之耦合器，其中在不規則之 耦合光柵（3)中光柵週期只在直線垂直方向中改變。 61 .如申請專利範圍第59項之耦合器，其中在不規則之 耦合光柵（3 )中光栅週期是以線性方式改變。 62.—種監視波長所用之裝置，其特徵爲具有申請專利 範圍第59項之耦合器（23)以及具有一個直接配置於 耦合器（23 )下方之偵測器配置，此偵測器配置具有 至少二個光偵測器（33a，33b)，它們是以直線方式 依序配置著。 63 .如申請專利範圍第62項之裝置，其中此偵測器配置 可相對於耦合器（23)而線性垂直地偏移。
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