Design and Fabrication of Waveguide-based Surface Plasmon Resonance Sensors

本研究以實作與模擬並行的方式，探討待測液體折射率、感測區金膜厚度及感測區長度對光波導式表面電漿子共振感測元件行為之影響，三項變因之試驗範圍分別為待測液體折射率1.3329~1.4724，金膜厚度100~800 Å，感測區長度50~300 um。理論模擬基礎為轉移矩陣法，並以複數模態追蹤求解。元件實作採半導體製程，以矽晶圓為基板，摻鍺二氧化矽為光波導，金為感測區薄膜材料。實作之元件特性良好，最大共振輸出光損耗為14.80 dB，最佳靈敏度可達5532.33 nm/RIU，且實驗量測結果與模擬趨勢相符。This is to study the influences of analyte refractive index, metal film thickness, and interaction length on the behavior of waveguide-based surface plasmon resonance (SPR) sensors. To understand the basic characteristics of the device, multilayer structure with complex indices is simulated based on transfer matrix method and complex mode tracking technique. Moreover, SPR sensors using Ge-doped SiO2 optical waveguide on Si substrate, and Au as the sensing film are successfully implemented by semiconductor fabrication process. The sensitivity and SPR-induced attenuation as high as 5532.33 nm/RIU and 14.80 dB, respectively, are observed. The experimental results exhibit the same trend as predicted by the simulation.第一章 緒論 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究動機 1 1-3 內容簡介 2 第二章 基本原理 3 2-1 表面電漿子共振理論 3 2-2 表面電漿波之激發 4 2-3 表面電漿子共振現象於感測元件之應用 6 第三章 理論模擬 7 3-1 模擬方法 7 3-1.1 轉移矩陣法 8 3-1.2 複數模態追蹤 11 3-2 驗證 12 3-3 模擬結果 14 3-3.1 待測液體折射率對感測元件行為之影響 15 3-3.2 金膜厚度對感測元件行為之影響 15 第四章 元件設計與製作 17 4-1 表面電漿子共振感測元件之設計 17 4-2 製作流程 18 4-2.1 氧化層生長 19 4-2.2 晶圓切割 21 4-2.3 厚光阻塗佈與微影術 21 4-2.4 反應離子蝕刻 22 4-2.5 晶片研磨拋光 23 4-2.6 薄光阻塗佈與微影術 24 4-2.7 金屬薄膜真空蒸鍍 24 4-3 量測系統 25 第五章 實驗結果與討論 27 5-1 元件成品與待測液體 27 5-2 量測結果 28 5-2.1 待測液體折射率對感測元件行為之影響 28 5-2.2 金膜厚度對感測元件行為之影響 44 5-2.3 感測區長度對感測元件行為之影響 56 5-3 結果討論 68 第六章 結論與未來展望 74 6-1 結論 74 6-2 未來展望 75 參考文獻 77 中英名詞對照表 7