TWI390242B

TWI390242B - 利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法

Info

Publication number: TWI390242B
Application number: TW097128906A
Authority: TW
Inventors: Ching Fuh Lin; Shih Che Hung; Shu Chia Shiu
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2013-03-21
Also published as: US20100025871A1; US8048344B2; TW201005321A

Description

利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法

本發明係有關一種製作方法，特別是關於一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法。

光學共振腔是光電領域裡非常重要的一種裝置，這種裝置應用增加特定波長強度的特性，已經大量地使用在各種光電元件上，如微雷射(micro－laser)、光波過濾器(optical filter)、光開關(optical switching)、高敏感偵測器(ultrafine sensor)、高解析度光譜儀(high－resolution spectrosopy)等等。

隨著半導體製程技術的進步，許多研究致力於低成本的、微小的、整合式之光學元件，然而，微小尺寸的光學共振腔由於表面粗糙(surface roughness)會承受過量的散射損耗(scattering loss)，導致密集的、微小的、整合的光路(integrated optical circuit)的實現會受到阻礙。

J.S.Xia等人利用係半導體製程製作圓盤型微米尺寸的光學共振腔，在室溫下觀察到增強30倍以上的矽發光譜，並且觀察到了耳語廊模式(WGM，whispering gallery mode)。其所製作的光學共振腔Q值(quality factor)在500－700之間。他們相信，如果改善側表面粗糙，共振腔的Q值就會大幅提高。Satoshi lwamoto等人則利用矽半導體製程技術製作光子晶體式次微米尺寸的光學共振腔。他們利用此共振腔觀察到增強310倍的光激發光(photoluminscence)強度，其所製作的光學共振腔Q值約在5000左右，然而這比理論的21000低上許多，他們認為製程上造成測表面粗糙是造成實驗上的Q值比理論低的主要原因。

許多方法已經被用來改善表面粗糙來減少散射損耗，包含氫氣加熱法(hydrogen annealing)、乾式蝕刻法(dry oxidation)、化學濕式蝕刻法(wet chemical etching)等等。氫氣加熱法是將樣品放置到攝氏1100度的高溫爐裡3分鐘，並在其中充滿氫氣，如此可將表面粗糙度之方均根粗糙值(root－mean－square roughness)降至0.11奈米，乾式蝕刻法是將樣品放置到攝氏1100度的高溫爐裡50分鐘，使其生成自生氧化層，其可將表面粗糙度之方均根粗糙值降至0.5奈米，化學濕式蝕刻法是利用化學溶液將樣品表面氧化，其可將表面粗糙度之方均根粗糙值降至0.7奈米。

上述方法各有著不同的優點與缺點，氫氣加熱法與乾氧化法必須承受高溫，一般來說，若要將光學元件和電子元件整合在一起，如此高溫將對電子電路之晶格品質(crystal quality)有嚴重的影響。乾氧化法和化學濕式蝕刻法對於表面粗糙的改善能力有線，而且氧化的方法不但消耗了原本的材料，也改變原本材料的形貌。

因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其係可進而提升光學元件的共振或波導效果。

本發明之主要目的，在於提供一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其係可提升光學元件的共振或波導效果。

本發明之另一目的，在於提供一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其係能使光學元件具有更好的波長選擇性，且能應用在整合的元件上，以製作出高效量的電路與光路。

為達上述目的，本發明提供一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，首先提供至少一光學元件，此光學元件具有粗糙表面，接著將雷射照射於光學元件的粗糙表面，使粗糙表面吸收雷射的能量而融化成液態，並藉由粗糙表面之表面張力將其變得平整，俟冷卻成固態後，就可形成一平滑表面。

茲為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第1(a)圖至第1(e)圖，其係為本發明使光學元件表面平滑化之各步驟示意圖，首先如第1(a)圖所示，提供同時設有至少一光學元件16與電子元件12的基板10，光學元件16可為波導管或共振腔，且其材質可為矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、介電材料，共振腔可為法布立－培若(Fabry－Perot)共振腔或光子晶體共振腔，其形狀可為圓盤形、球形、橢圓形、長方體形、立方體形、三角柱形，波導管的形狀為圓柱形，基板10可為透明基板、半導體基板、金屬基板、陶瓷基板。接著如第1(b)圖所示，在欲保護的電子元件12上形成一光阻檔層14，此光阻檔層14之材質可為吸收光或反射光之材質，如金屬、光阻或介電材料。再來如第1(c)圖所示，將光學元件16放在設計好的光路上，使用雷射照射之，雷射照射的環境可為真空或充滿氣體，氣體可為空氣、氫氣、氮氣、氬氣，且雷射照射時的溫度範圍為克氏100度至1000度，當雷射照射時，光學元件16的粗糙表面會吸收雷射的能量而融化成液態，並藉由粗糙表面之表面張力將其變得平整，俟冷卻成固態後，會如第1(d)圖所示，光學元件16的粗糙表面就會變成一具原子級平滑度之平滑表面。最後如第1(e)圖所示，將光阻檔層14移除，就可以順利在基板10上得到具平滑表面的光學元件16。

雷射照射的方式可同時對全部之光學元件16照射或逐一群組之光學元件16照射，因為同時對全部之光學元件16照射，若不小心照射到鋪有光阻檔層14之電子元件12，依然不會對電子元件12有影響，不過以逐一群組之光學元件16方式照射，跟上述方式相比則雷射強度可控制地更精準。雷射除了可以直接照射至光學元件16上之外，另外因為雷射光束的強度為外弱中強，因此雷射在照射到光學元件16 之前，為了要使其粗糙表面接受到雷射的強度是一樣的，可先使雷射經過一光學系統，使其強度均質化後，再照射至光學元件16上。

為了將光學元件16表面融化，因此必須使用適當能量的雷射，適當能量的雷射可以只融化材料的表面，而保留主體的部分，使用上，雷射光的波長必須是材料可以吸收的波長，雷射可為準分子雷射(excimer laser)、固態雷射、氣體雷射、半導體雷射，而雷射的模態可為連續(CW，continue wave)模態或脈衝(pulse)模態二種。此外，除了控制雷射的強度外，由於電磁波在不同的入射角度有不同的穿透係數，因此可以控制雷射的入射角度，來調整材料欲吸收的能量，而雷射入射角度可以是0度(垂直於光學元件16表面)到90度(平行於光學元件16表面)。

以下請參閱第2圖，其係為脈衝雷射能量密度與矽表面粗糙度的關係圖，此脈衝雷射之脈衝時間為25×10^－9 秒，由於原矽表面的粗糙度之方均根粗糙值為13.95奈米(nm)，方形資料點代表矽表面接受一發脈衝雷射之後所具有的方均根粗糙值，當脈衝雷射能量為0.99焦耳/平方公分、1.21焦耳/平方公分、1.35焦耳/平方公分、1.4焦耳/平方公分時，則矽表面之方均根粗糙值為5.75奈米、0.857奈米、0.562奈米、0.28奈米；圓形資料點代表矽表面接受五發脈衝雷射之後所具有的方均根粗糙值，當脈衝雷射能量為0.99焦耳/平方公分、1.21焦耳/平方公分、1.35焦耳/平方公分、1.4焦耳/平方公分時，則矽表面之方均根粗糙值為5.5奈米、0.81奈米、0.529奈米、0.239奈米。

以下以製作具光滑平面之矽共振腔為例來說明本發明之方法，首先請參閱第3圖，其係為本發明之均質化光學系統示意圖，雷射首先經由反射裝置18射至均質化鏡組20，雷射藉由均質化鏡組20被分成18份，這些被分化的光被投影到均質化鏡組22上，均質化鏡組22將雷射光重新排列到適當的位置，接著雷射光經由反射裝置24反射，並依序通過聚光鏡26與場鏡28，使的所有被分開的光在遮罩30的地方投影到同一個位置，遮罩30的目的是擋去邊緣不均質的光，最後雷射光透過反射裝置32照射到處於真空腔體36中的樣本34，照射到樣本34時的雷射，其尺寸為4釐米×4釐米，強度變化為最高5%。

在此例選用氟化氪(KrF)準分子雷射當作雷射光源，其波長為248奈米，為脈衝形式的光源，其脈衝時間為25×10^－9 秒，最高能量可達到2焦耳/平方公分，為了樣本34不被污染或氧化，因此將樣本34置於真空的環境下照射。

請繼續參閱第4(a)圖至第4(e)圖，首先如第4(a)圖所示，提供一絕緣上矽(SOI)基板，其係由矽基板38、二氧化矽層40與矽層42所組成，並在矽層42形成一圖案化光阻層44，以定義出欲求之區域。接著如第4(b)圖所示，在矽層42上之定義區域鍍上鉻遮罩46，並移除光阻層44。繼續如第4(c)圖所示，對矽層42進行反應式離子蝕刻，以得到所需要的圖案。再來如第4(d)圖所示，移除鉻遮罩46，就可以得到矽共振腔48。最後如第4(e)圖所示，此為利用1.4焦耳/平方公分的雷射光照射之後的具平滑表面之矽共振腔48。

在製作矽共振腔時，係利用原子力顯微鏡(atomic force microscopy)來觀察未照射過雷射和已照射過雷射之矽共振腔之表面粗糙度的狀況，如第5(a)圖所示，此為未照射過雷射之矽共振腔，其表面粗糙度之方均根粗糙值為14奈米，而如第5(b)圖所示，此為照射一發雷射光後的矽共振腔，其表面粗糙度之方均根粗糙值降至0.28奈米，此種平整程度已經是原子級的光滑。

本發明提供另一種利用雷射製作光學共振腔的方法，一般來說，製作矽共振腔必須製作在SOI基板上，以提供足夠的折射率差，達到共振腔的效果，但是SOI的基板非常昂貴，也非一般積體電路製程所使用的材料，因此，本發明提出使用矽基板製作矽共振腔的方法。首先如第6(a)圖所示，提供一矽基板50。接著如第6(b)圖所示，於矽基板50上形成至少一圖案化遮罩52，以定義出共振腔之位置。接下來如第6(c)圖所示，利用活性離子蝕刻(RIE)、感應耦合式活性離子蝕刻(ICP－FIE)等蝕刻方式依遮罩52對基板50蝕刻出所需要之圖案，如線寬或直徑較小的形狀。再來如第6(d)圖所示，於基板50上形成一層折射率較基板50低之介電層54，材質如二氧化矽。繼續如第6(e)圖所示，移除遮罩52及其上方的介電層54，就可以得到柱狀結構之矽共振腔56。最後將整個結構放置於雷射下照射，就可形成具平滑表面之球狀結構之矽共振腔56，球狀之矽共振腔56比柱狀之Q值(quality factor)大的多，另外由於共振腔56下方的矽部分較小，所以等效所提供的折射率差亦可達到共振腔的效果。此外，上述製作好的共振腔56，可繼續加熱以氧化矽的部分，使的共振腔56部分的矽與基板50的矽被氧化的二氧化矽分離，達到更佳的共振效果，甚至可以持續對共振腔56加熱，製作出具平滑表面的二氧化矽共振腔。

本發明亦提供另一種利用雷射製作光學波導管的方法，首先如第7(a)圖所示，提供一矽基板58。接著如第7(b)圖所示，於矽基板58上形成至少一圖案化遮罩60，以定義出波導管之位置。接下來如第7(c)圖所示，利用活性離子蝕刻(FIE)、感應耦合式活性離子蝕刻(ICP－FIE)等蝕刻方式依遮罩60對基板58蝕刻出所需要之圖案，如片狀。再來如第7(d)圖所示，於基板58上形成一層折射率較基板58低之介電層62，材質如二氧化矽。繼續如第7(e)圖所示，移除遮罩60及其上方的介電層62，就可以得到片狀結構之矽波導管64。最後將整個結構放置於雷射下照射，就可形成具平滑表面之片狀結構之矽波導管64，另外由於波導管64下方的矽部分較小，所以等效所提供的折射率差亦可達到波導管的效果。此外，上述製作好的波導管64，可繼續加熱以氧化矽的部分，使的波導管64部分的矽與基板58的矽被氧化的二氧化矽分離，達到更佳的波導效果。

本發明可應用在各種材質的光學元件上，如砷化鎵(GaAs)、砷化鎵鋁(GaAIAs)、磷化銦(InP)、磷化銦鎵鋁(InGaAIP)、氮化鎵 (GaN)，且共振腔經過本發明之處理後，會具有更好的波長選擇性，如共振腔利用在矽光子光路中，則可以增加發光效率，減低臨界電流，減少損耗，以大幅改善共振腔的效能，本發明除了可以和積體電路製程整合在同一晶片中，亦可以應用在整合的元件上，製作出高效量的電路與光路。

綜上所述，本發明可使光學元件之表面平滑化，進而提升光學元件的共振或波導效果，是一種相當實用的發明。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧基板

12‧‧‧電子元件

14‧‧‧光阻檔層

16‧‧‧光學元件

18‧‧‧反射裝置

20‧‧‧均質化鏡組

22‧‧‧均質化鏡組

24‧‧‧反射裝置

26‧‧‧聚光鏡

28‧‧‧場鏡

30‧‧‧遮罩

32‧‧‧反射裝置

34‧‧‧樣本

36‧‧‧真空腔體

38‧‧‧矽基板

40‧‧‧二氧化矽層

42‧‧‧矽層

44‧‧‧光阻層

46‧‧‧鉻遮罩

48‧‧‧共振腔

50‧‧‧基板

52‧‧‧遮罩

54‧‧‧介電層

56‧‧‧共振腔

58‧‧‧基板

60‧‧‧遮罩

62‧‧‧介電層

64‧‧‧波導管

第1(a)圖至第1(e)圖為本發明使光學元件表面平滑化之各步驟示意圖。

第2圖為本發明之脈衝雷射能量密度與矽表面粗糙度的關係圖。

第3圖為本發明之均質化光學系統示意圖。

第4(a)圖至第4(e)圖為本發明製作具光滑平面之共振腔的各步驟示意圖。

第5(a)圖為本發明之共振腔在未處理時，其表面位置與表面粗糙度之關係圖。

第5(b)圖為本發明之共振腔在經處理後，其表面位置與表面粗糙度之關係圖。

第6(a)圖至第6(f)圖為本發明另一製作具光滑平面之共振腔的各步驟示意圖。

第7(a)圖至第7(f)圖為本發明製作具光滑平面之波導管的各步驟示意圖。

10‧‧‧基板

12‧‧‧電子元件

14‧‧‧光阻檔層

16‧‧‧光學元件

Claims

一種利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，包含下列步驟：(A)於一基板上提供至少一光學元件，該光學元件具有粗糙表面；(B)將雷射照射於該光學元件的該粗糙表面，使該粗糙表面吸收該雷射的能量而融化成液態，並藉由該粗糙表面之表面張力將其變得平整，俟冷卻成固態後，就可形成一平滑表面；以及(C)加熱使該基板之部分氧化，以分離該光學元件與該基板之該部分。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該光學元件之製造方法係包含下列步驟：(A1)於該基板上形成至少一圖案化遮罩，再依該遮罩對該基板蝕刻出所需要之圖案；(A2)於該基板上形成一層折射率較該基板低之介電層；以及(A3)移除該遮罩，就可在該基板上形成該光學元件。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中在該步驟(B)中，該雷射可同時對全部之該光學元件照射或逐一群組之該光學元件照射。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該光學元件可為波導管或共振腔。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該光學元件的材質可為矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、介電材料。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該雷射照射的環境可為真空或充滿氣體。
如申請專利範圍第6項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該氣體可為空氣、氫氣、氮氣、氬氣。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該雷射照射時的溫度範圍為克氏100度至1000度。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該雷射為準分子雷射(excimer laser)、固態雷射、氣體雷射、半導體雷射。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該雷射的模態可為連續(CW，continue wave)模態或脈衝(pulse)模態。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中在進行該步驟(B)之前，該雷射會先經過一光學系統，使該雷射的強度均質化之後，再進行該步驟(B)。
如申請專利範圍第4項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該共振腔可為法布立一培若(Fabry-Perot)共振腔或光子晶體共振腔。
如申請專利範圍第4項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該共振腔的形狀可為圓盤形、球形、橢圓形、長方體形、立方體形、三角柱形；該波導管的形狀為圓柱形。
如申請專利範圍第1項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中當該光學元件與複數電子元件一起設於該基板上時，可先選擇性形成一光阻擋層於欲保護的該電子元件上，再進行該步驟(B)。
如申請專利範圍第14項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該光阻擋層之材質可為吸收光或反射光之材質。
如申請專利範圍第14項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該光阻擋層之材質可為金屬、光阻或介電材料。
如申請專利範圍第14項所述之利用雷射使光學元件表面平滑化的製作方法，其中該基板可為透明基板、半導體基板、金屬基板、陶瓷基板。