Abstract
鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）系列鐵電薄膜包括未摻雜鑭之鋯鈦酸鉛（PZT）與未摻雜鋯之鈦酸鉛鑭（PLT）均具有良好之光穿透性與強電光效應，依其組成成分的差異，分別在光記憶體、光開關、光調制器與光波導等電光元件與積體光學元件應用上極具潛力，在光通訊產業蓬勃發展的今日，已成為廣受矚目的研究課題。然而因為PLZT系列等材料為多元複合固溶體，缺乏一種對各組成成分均有相近蝕刻速率之蝕刻材料，導致在製作光波導型積體光學元件之結構構形時非常困難，必須尋求一種簡單，具量產潛力的構形技術加以取代。在PLZT系列薄膜製程與特性探討方面，本論文研究中分別提出了數種新的製程方法以改進目前被研究者所採用的技術。對於具有良好組成成分操控性與成本低廉的金屬有機裂解製程（MOD），本研究運用摻雜PZT雙烷基氧化物微粉法改善了傳統MOD法所製備之PZT薄膜之磊晶品質及其光穿透性，也證實這些微粉的添加並不會影響表面粗糙度，反而能有效提升其鐵電性質。然而，屬於高溫製程之添加PZT微粉MOD法，在製作光波導元件時仍必須面對直接蝕刻PZT薄膜之困難。在本論文中則提出一種先低溫成長、再高溫退火成相的兩段式加熱法，配合KrF準分子脈衝雷射與Nd：YAG脈衝雷射兩種不同類型與特性之脈衝雷射剝鍍（PLD）光源製作PLZT系列薄膜，在研究中發現，兩段式加熱法在製鍍高鑭含量之PLZT（28/0/100）具有最易形成高織構晶態結構之特點，其在短波長區即具有良好之光穿透性、高折射係數、低吸收等優於高溫加熱PLD製程之品質，在光通訊用途之1550 nm長波區，PLZT（28/0/100）平面型薄膜光波導傳輸損耗更可低至2 dB/cm以下。至於線性電光效應經以稜鏡耦合法量測，在波長633 nm時雙折射偏移D（ne-n0）可達-0.0168，線性電光係數則有gc =-127.1 pm/V。對於 二次電光效應則以Z軸掃描法測量，利用二倍頻Nd：YAG脈衝雷射光源(波長532nm)測得二次非線性折射係數nI = -4.86 ×10-8（esu），等效二次電光係數Reff = 0.37 ×10-16(m2/V2)。此一兩段式加熱PLD製程成功地在低於光阻可忍受溫度（150℃）以下製作出厚度達0.6 mm之品質優良的高織構晶態PLZT（28/0/100）薄膜，使得黃光剝離法用於製作脊型光波導元件構造成為可行。在研究中發現，高氧壓製程條件使運用正光罩曝光直接製作略帶外張側璧之光阻溝槽，在剝離過程中會損壞光波導線條結構，而運用負光罩極性反轉曝光製作出正梯形側璧脊型光波導結構是較理想的製程方案。在Mach-Zehnder干涉儀式光開關之元件結構之製作方面，係將兩段式加熱PLD製程所製作PLZT（28/0/100）薄膜所測各項光學與電光效應參數代入BeamPROP軟體中模擬設計，得出最可行之幾何結構，然後使用反轉曝光黃光剝離法製作波導結構圖紋，再以正光罩黃光剝離法製作電極結構，成功地製作出Mach-Zehnder干涉儀元件。