氮化鎵高數值孔徑微透鏡之設計、製作與特性分析

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：17

、訪客IP：3.141.202.54

姓名

李明洪(Ming-Hung Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

物理學系

論文名稱

氮化鎵高數值孔徑微透鏡之設計、製作與特性分析
(Design, fabrication and testing ofhigh-numerical-aperture GaN microlens)

相關論文

★ 氫氣的調控對化學氣相沉積法成長石墨烯之影響	★ 氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井的激發光譜
★ 中子質化氮化鎵材料之特性研究	★ 鐵磁/超導/鐵磁單電子電晶體的製作與電子自旋不平衡現象的量測
★ 砷化鎵金屬半導體場效電晶體中p型埋藏層之效應	★ 熱處理對氮化銦鎵量子井雷射結構之影響與壓電效應之分析
★ 離子佈植摻雜氮化鎵薄膜的光、電、結構特性之分析	★ 離子佈植技術應用於高亮度發光二極體之設計與製作
★ 矽離子佈植氮化鎵薄膜之電性研究	★ 繞射式元件之製程及特性分析
★ 氮化銦鎵/氮化鎵量子井之光特性研究	★ 矽離子佈植在P型氮化鎵的材料分析與元件特性之研究
★ 微凹平面鏡及矽光學桌之組裝設計	★ 指叉型氮化鎵發光二極體之設計製作與量測
★ 氮化鎵光偵測器的暗電流與激子效應	★ 氮化鋁保護層應用於離子佈植活化之研究

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

摘要
近年來，微光機電領域發展蓬勃，成為相當熱門的領域。本論文以灰階光罩技術製作繞射式光學元件，以熱熔融方式製作折射式光學元件。以藍光雷射(405nm)量測微透鏡光學性質。此光學元件可應用於光碟機讀寫頭上的物鏡。
論文主要在於說明微透鏡的設計、製作與光學量測。繞射式光學元件設計，採光程差理論﹔以微影製程、灰階光罩技術與感應式耦合電漿蝕刻製作元件﹔並量測其光學性質，如聚焦在焦平面的斑點、焦距與數值孔徑。折射式光學元件設計，採造鏡者理論﹔以微影製程、熱熔融技術與感應式耦合電漿蝕刻製作元件﹔並量測其光學性質，如聚焦在焦平面的斑點、焦距與數值孔徑。光學量測則是將雷射光束通過微透鏡聚焦在CCD上，擷取影像，分析其斑點尺寸大小。量測結果如下：
NA=0.01, aperture=3.6mm, focal length=145mm, spot size=16.3μm
NA=0.05,aperture=1mm, focal length=0.95mm, spot size=4.3μm.

摘要(英)

Abstract
Plano-convex diffractive microlenses were fabricated in GaN-based materials with a gray-level mask for the first time. The surface relief of the gray-level diffractive microlens on photoresist was transferred onto GaN by inductively coupled plasma etching technique. The microlenses were characterized with a blue laser diode emitting at 405nm. The focal length of the GaN diffractive microlens is 14.5cm. The potential of the realization of the high-numerical-aperture diffractive microlens in GaN with gray-level mask is discussed.

關鍵字(中)

★ 灰階光罩聚焦斑點
★ 氮化鎵
★ 微透鏡
★ 數值孔徑
★ 繞射式光學元件
★ 折射式光學元件

關鍵字(英)

★ numerical aperture
★ diffractive optical elements
★ High-NA
★ GaN
★ microlens
★ DOE’’s
★ gray-level mask
★ spot size
★ refractive optical elements
★ ROE’’s

論文目次

目　　錄
第一章緒論 ……………………………………………….1
1- 1研究動機 ……………………………………………………1
1-2論文架構 ……………………………………………………..3
第二章繞射式光學元件電腦模擬與設計 ………………..5
2-1 繞射式光學元件簡介 ………………………………………5
2-2 低數值孔徑微透鏡設計理論 ……………………………..6
2-3高數值孔徑微透鏡設計理論 ……………………………….7
2-3.1 微透鏡表面輪廓計算 ………………………………..7
2-3.2 高數值孔徑微透鏡規格 …………………………….8
2-4 繞射式光學元件計算結果 …………………………………9
第三章灰階光罩設計與繞射式光學元件製程 ………….11
3-1 灰階光罩原理簡介 ………………………………………...11
3-1.1 簡介 …………………………………………………11
3-1.2 灰階光罩 ……………………………………………11
3-2 灰階光罩設計與標準片 …………………………………...13
3-2.1 標準片 ………………………………………………13
3-2.2 光密度與光阻厚度、蝕刻深度 ……………………14
3-2.3 灰階光罩設計 ………………………………………18
3-3 繞射式光學元件製程 ………………………………..……19
3-4 討論 ………………………………………………………..19
第四章折射式光學元件原理與製程 ……………………..22
4-1 折射式光學元件原理 ……………………………………..22
4-2 折射式光學元件製程 ……………………………………23
4-3 討論 ………………………………………………………..27
第五章繞射式與折射式光學元件量測 …………………..28
5-1 儀器架構 …………………………………………………..28
5-2 光學量測結果 ……………………………….……………..29
5-3 表面輪廓量測與SEM量測 …………………………….…32
5-3.1 表面輪廓量測量測 …………………………………32
5-3.2 SEM量測 ………………………………………….33
5-4 討論 ………………………………………………………...34
第六章總結與未來展望 …………………………………...36
6-1 總結 ………………………………………………………...36
6-2 未來展望 …………………………………………………...38
參考文獻 …………………………………………………………..…68
附錄一 ……………………………………………………..…………71
圖目錄
圖 2-1.1 傳統型凸透鏡
圖 2-1.2 Fresnel zone lens
圖 2-2.1光程差為整數倍之不同路徑示意圖
圖 2-3.1 Fresnel lens 光程差示意圖
圖 2-3.2 微透鏡理論計算輪廓圖僅以二分之一透鏡表示(我們取通過透鏡中心的截面)
圖 2-4.1(a) 平凸微透鏡示意圖(side view)與最大深寬比(h/w)
圖 2-4.1(b) 雙凸微透鏡示意圖(side view)
圖2-4.2 雙凸與平凸微透鏡數值孔徑與最大深寬比關係(參見圖2-4.1b)
圖 2-4.3(a) 理想輪廓聚焦平面上焦點的光場分布
圖2-4.3(b) 90%理想輪廓聚焦平面上焦點的光場分布強度約為理想輪廓光場強度的20%
圖 3-1.1 一般光罩在曝光、顯影後，所留下光阻圖樣厚度是一樣。
圖 3-1.2 灰階光罩穿透率不同，視光通過的多寡，光阻而有不同厚度，而有層次的特性。
圖 3-1.3 灰階光罩在進行微影製程的曝光步驟時，於光罩上光密度值大的區域，只有較少的光可穿透HEBS玻璃，對正光阻而言，可以形成厚度較高的相位階。反之，於光罩上光密度值小的區域只有較多的光可穿透HEBS玻璃，可以形成厚度較低的相位階。
圖 3-2.1 3Q3 BL 標準片(calibration plate)是一片光罩，內有一百個不同透光率的圖樣，每個圖樣是由三個長條所組成，每個長條尺寸為204.8μm X 819.2μm。OD No. 由0 ~ 99, OD = 0.12 + 0.0101i , i = 0 ~ 99 ; OD(No.0) = 0.12(Min.), OD(No.99) = 1.12(Max.) 所構成。
圖 3-2.2 光密度(OD)與光阻厚度、蝕刻深度關係圖。
圖 3-2.3 ICP蝕刻對光阻(AZ 1500)蝕刻速率為623Å / min.。
圖 3-2.4 ICP蝕刻對氮化鎵(GaN)蝕刻速率為299Å / min.。
圖 3-2.5 對應每一個半徑的環寬(ring width, about 0.5μm)的光密度(OD)值之示意圖，即OD(rn)與rn 的關係(其中n 是nth ring)。
圖 3-4.1 灰階光罩微影技術製作繞射微光學元件之流程圖
圖 4-1.1(a) 折射式透鏡聚焦示意圖
圖 4-1.1(b) 透鏡表面輪廓幾何關係圖
圖 4-1.2(a) 不同孔徑(aperture)之微透鏡，蝕刻深度(s)與數值孔徑(NA)理論計算之關係圖。
圖 4-1.2(b) 不同孔徑(aperture)之微透鏡，蝕刻深度(s)與焦距(f)理論計算之關係圖。
圖 4-1.2(c) 不同孔徑(aperture)之微透鏡，蝕刻深度(s)與微透鏡曲率半徑(r)理論計算之關係圖。
圖 4-2.1 光阻熔融式微透鏡製作流程
圖 5-1.1(a) 光學量測系統 ( 可量測低數值孔徑微透鏡與聚焦斑點較大的透鏡 )
圖 5-1.1(b) 光學量測系統 ( 可量測高數值孔徑微透鏡與聚焦斑點較小的透鏡 )，將圖 5-1.1(a) 系統改良，加裝一個套筒(15 cm)與顯微鏡接物鏡(40X)，將聚焦點放大至C.C.D.。
圖5-2.1(a) 雷射光束(403nm)通過 NA=0.01, aperture=3.6mm的微透鏡後聚焦在CCD上。(DOE’s)
圖5-2.1 (b) 將圖5-2.1 (a)的光點做光場強度fitting，得到spot size=16.3μm。(DOE’s)
圖5-2.2 雷射光束(403nm)通過 NA=0.05, aperture=1mm, focal
length= 950μm,的微透鏡後聚焦在CCD上，量得spot size=4.3μm。(DOE’s)
圖5-2.3 雷射光束(403nm)通過NA=0.28, aperture=40μm, focal length= 448μm的微透鏡後聚焦在CCD上，量得spot size=7.3μm。
(ROE’s)
圖5-3.1(a) 為 NA = 0.01光阻形成微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.1(b) 為 NA = 0.01微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.2(a) 為 NA = 0.21微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.2(b) 為 NA = 0.21微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.3(a) 為 NA = 0.85光阻形成微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.3(b) 為 NA = 0.85微透鏡在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.4(a) 為光阻形成微透鏡(diameter = 40μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.4(b) 為微透鏡(diameter = 40μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.5(a) 為光阻形成微透鏡(diameter = 50μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.5(b) 為微透鏡(diameter = 50μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.6(a) 為光阻形成微透鏡(diameter = 70μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.6(b) 為微透鏡(diameter = 70μm)在GaN基板上表面輪廓圖
圖5-3.7 為 NA = 0.01微透鏡在GaN基板上SEM圖
圖5-3.8 為 NA = 0.21微透鏡在GaN基板上SEM圖
圖5-3.9 為 NA = 0.85微透鏡在GaN基板上SEM圖
圖5-3.10 為 NA = 0.028微透鏡在GaN基板上SEM圖
圖5-3.11 為 NA = 0.028微透鏡在GaN基板上SEM圖(傾角60∘)
圖 6-2.1 將微光學元件積體化於晶片(1cm X 1cm)上示意圖
圖 6-2.2(a) 利用ICP蝕刻黑框線條至Al2O3界面示意圖。
圖 6-2.2(b) 鍍金於其中一邊，因為金有很好的延展性，可以當作轉動時的軸承示意圖。
圖 6-2.2(c)使用準分子雷射打斷GaN與Al2O3的界面鍵結示意圖。
圖 6-2.2(d) 將透鏡挑起，立於垂直基板方向示意圖。

參考文獻

References:
[1] M. Eisner and J. Schwider, Opt. Eng. 35, 2979(1996).
[2] L. Erdmann and D. Efferenn, Opt. Eng. 36,1094(1997).
[3] Y. S. Kim,J. Kim,J. S. Choe, Y. G. Roh, H. Jeon, and J. C.
Woo, IEEE Photon. Technol. Lett. 12, 507(2000).
[4] E. M. Strzelecka, G. D. Robinson, M. C. Peters, F. H.
Peters, and L. A. Coldren, Electron. Lett. 31. 724(1995).
[5] M. E. Motamedi, Opt. Eng. 33, 3505(1994).
[6] T. Kim, J. Khim, S. Chae, T. Kim, H. S. Kim, Y. J. Lee,
and G. Y. Yeom,Digest of the IEEE /LEOS Summer Topical Meeting. 54(1997).
[7] A. Kouchiyama, I. Ichimura, K. Kishima, T. Nakao, K. Yamamoto, G. Hashimoto, A. Iida, and K. Osato, 40, 1792(2001).
[8] P. Heremans, J. Genoe, M. Kuijk, R. Vounchx, and G. Borghs, IEEE Photon. Technol. Lett.9, 1367(1997).
[9] C. R. King, L. Y. Lin, and M. C. Wu, IEEE Photon. Technol. Lett. 8. 1349(1996).
[10] T. Okamoto, M. Mori, T. Karasawa, S. Hayakawa, I. Seo, and H. Sato, Appl. Opt. 38,2991(1999).
[11] S. Nakamura, G. Fasol, “The Blue Laser Diode”, Page 7 ~ 20.(1997).
[12] M. Rossi, R. E. Kunz. and H. P. Herzig, Appl. Opt. Vol. 34, No. 26, 5996(1995).
[13] Theresa R. Jay, Margaret B. Stern, “Preshaping photoresist for refractive microlens fabrication”,Opt. Eng. 33, 3522-3555(1994).
[14] W. Däschner, P. Long, M. Larsson, and S. H. Lee. “Fabrication of diffractive optical elements using a single optical exposure with a gray level mask ,” J. Vac. Sci. Technol. B 13, 2729-2731
(1995).
[15] Stefan Haselbeck, Horst Schreiber, Johannes Schwider, Norbert Streibl, “Microlenses fabricated by melting a photoresist on a layer”, Opt. Eng. 32, 1322-1324(1993).
[16] 簡伶鈺, “繞射式元件之製程及特性分析” , page4~6,國立中央大學物理研究所, 碩士論文, 中華民國90年.
[17] J. F. Muth, J. D. Brown, M. A. L. Johnson, Z. Yu, R. M. Kolbas, J.W. Cook, JR. and J. F. Schetzina, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G5.2, 1999.
[18] 簡伶鈺, “繞射式元件之製程及特性分析” ,國立中央大學物理研究所, 碩士論文, 中華民國90年.
[19] Ridge, Nancy, “HEBS-Glass Photomask Blanks”, User’s Manual (Canyon Materials Inc.), CMI Product Information no. 96-01, p.1-15.
[20] C. Wu. U.S. Patent 5,078,771 (January 7, 1992).
[21] 曲昌盛, 80期光訊, P.23-27,Oct. 1999.
[22] Ph Nussbaum, R Vokel, H. P. Herzing, M. Eisner, and Haselbeck, “Design, fabrication and testing of microlens arrays for sensors and microsystems”,Pure Appl. Opt. 6, 617-636(1997).
[23] 梁逸平, “熔融法折射式微透鏡陣列之設計製造與檢測” , page 30, 國立中央光電科學研究所, 碩士論文, 中華民國90年.
[24] L. Y. Lin, S. S. Lee, K. S. J. Pister, M. C. Wu, Appl. Phys.Lett., Vol. 66, No. 22, 29(1995).

指導教授

紀國鐘(Gou-Chung Chi)

審核日期

2002-7-11

推文