博碩士論文 88222014 詳細資訊




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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)
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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:
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指導教授 紀國鐘(Gou-Chung Chi) 審核日期 2002-7-11
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