非晶矽繞射光學元件的製作與分析

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陳建勳(Chien-Hsun Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

物理學系

論文名稱

非晶矽繞射光學元件的製作與分析
(Fabrication and Analysis of Amorphous Silicon Diffractive Optical Elements)

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摘要(中)

本實驗主要目的為以電漿輔助化學氣相沉積系統(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD)在石英基板上成長平坦的非晶矽薄膜，並進一步以平坦的非晶矽薄膜製作高繞射效率二階相位Fresnel lens。
在實驗中，改變電漿輔助化學氣相沉積系統的SiH4氣體流量、腔體工作壓力、RF power大小，成功沉積出表面粗度小於3nm的非晶矽薄膜。
製作非晶矽薄膜二階相位Fresnel lens時，我們以G-solver軟體模擬及理論計算，求出當以入射光波長633nm，元件所需厚度，以期達到高繞射效率。再利用微影製程及蝕刻技術，製作出二階相位Fresnel lens，當厚度為320nm，有最高繞射效率可達32%，與模擬值34%相當接近。

關鍵字(中)

★ 繞射光學元件
★ 非晶矽

關鍵字(英)

★ Amorphous silicon
★ DOEs

論文目次

目錄
摘要..……..………………………………………………………………………..Ⅰ
致謝………………………………………………………………..………………Ⅱ
目錄………………………………………………………………………………..Ⅲ
圖目錄……………………………………………………………………………..Ⅵ
表目錄……………………………………………………………………………..Ⅸ
第一章簡介…………………………………………………………….1
參考資料……………………………………………………….3
第二章非晶矽薄膜製作………………...……………………………..4
2.1 非晶矽薄膜........…....................................................................4
2.2電漿輔助化學氣相沉積的基本原理………….........................4
2.2.1電漿輔助化學氣相沉積基本原理........................................4
2.2.2電漿輔助化學氣象沉積的優點…………………………….6
2.3 電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)非晶矽薄膜之成長.............7
2.3.1非晶矽薄膜成長機制.............................................................7
2.3.2 薄膜沉積的參數....................................................................8
參考資料……..…………………………………………….14
第三章非晶矽薄膜特性分析……… .………………………………...15
3.1 折射率、膜厚...…………….………………….......................15
3.2 非晶矽薄膜平整度…...............................................................15
3.2.1 薄膜平整度量測結果..........................................................15
3.2.2 薄膜平整度討論..................................................................17
3.3 非晶矽薄膜穿透光譜...............................................................17
3.4 非晶矽薄膜吸收光譜...............................................................18
3.5 化學成分分析...........................................................................18
參考資料……………………………………………………..27
第四章非晶矽薄膜繞射元件製作及原理……………………...……..28
4.1 基本理論………………………………………...…………...28
4.2 繞射式光學元件理論………………………………………...29
4.2.1薄膜光柵…………………………………………………...29
4.2.2 G-solver軟體模擬光柵……………………………………31
4.2.3 Fresnel lens………………………………………………...31
4.3 非晶矽薄膜繞射光學元件製作……………………………...33
4.4 非晶矽光柵量測…………..………………………………….36
4.4.1 光柵繞射角量測……………………………………..……36
4.4.2 光柵繞射效率量測…………………………………..……37
4.5 Fresnel lens量測…………………………………………...38
參考資料………………………………..……………………..51
第五章結論與未來工作方向…………………………………………..52
5.1 結論………………………………………………………….52
5.2 未來工作方向……………………………………………….53
參考資料……………………………………………………54
表目錄
表3-1 SiH4氣體流量對於非晶矽薄膜特性的影響................................20
表3-2 薄膜厚度於非晶矽薄膜特性的影響...........................................20
表3-3 腔體壓力對於非晶矽薄膜特性的影響.......................................21
表3-4 RF power大小於非晶矽薄膜特性的影響..................................21
表4-1 傳統光學元件與繞射光學元件的比較.......................................40
表4-2 光柵週期20um，入射光波長633nm，各階繞射角度實驗值與理論值比較......................................................................................40
表4-3 光柵週期20um，厚度100nm，入射光波長633nm，繞射光第零階、正負一階之繞射效率實驗值與模擬值比較......................41
表4-4 光柵週期20um，厚度320nm，入射光波長633nm，繞射光第零階、正負一階之繞射效率實驗值與模擬值比較......................42
表4-5 光柵週期20um，厚度500nm，入射光波長633nm，繞射光第零階、正負一階之繞射效率實驗值與模擬值比較.....................43
表4-6 為直徑2mm的二階相位Fresnel lens，其焦距、繞射效率、光點大小的實驗值與理論值的比較.............................................43
表4-7 為直徑1.75mm的二階相位Fresnel lens，其焦距、繞射效率、光點大小的實驗值與理論值的比較.........................................43
圖目錄
圖2-1 電漿輔助化學氣相沉積系統反應腔體圖................................10
圖2-2 RF電極電漿系統中，各部位的電位圖...................................10
圖2-3 在成長非晶矽機制過程圖.........................................................11
圖2-4 固定RF power、腔體壓力、溫度，改變SiH4氣體流量對沉積速率的影響................................................................................12
圖2-5 固定RF power、SiH4氣體流量、溫度，改變腔體壓力對沉積速率的影響.....................................................................................12
圖2-6 固定腔體壓力、SiH4氣體流量、溫度，改變RF power大小對沉積速率的影響.........................................................................13
圖3-1 固定RF power、腔體壓力、溫度，改變SiH4氣體流量對薄膜表面粗度的影響.........................................................................22
圖3-2 固定RF power、溫度、SiH4氣體流量，腔體壓力對薄膜表面粗度的影響.....................................................................................22
圖3-3 固定腔體壓力、溫度、SiH4氣體流量，RF power對薄膜表面粗度的影響.....................................................................................23
圖3-4 固定腔體壓力、溫度、SiH4氣體流量、RF power，薄膜厚度對薄膜表面粗度的影響.................................................................23
圖3-5 非晶矽薄膜因應力過大，產生皺折的情形..............................23
圖3-6 穿透光譜量測的實驗裝置示意圖...............................................24
圖3-7 不同厚度晶矽薄膜穿透率...........................................................25
圖3-8 不同厚度非晶矽薄膜，對於不同光波長的吸收.......................25
圖3-9 薄膜表面化學成分析...................................................................26
圖3-10 距薄膜表面5nm深的化學成分析.............................................26
圖 4-1 為振幅光柵示意圖......................................................................44
圖4-2 為相位光柵示意圖.......................................................................44
圖4-3 為入射光λ經由光柵繞射分光情形...........................................45
圖4-4 為週期20um非晶矽薄膜光柵不同厚度第一階和第零階繞射效率模擬結果..................................................................................45
圖4-5 傳統型凸透鏡以Fresnel zone lens型式製作，縮減厚度，再以二階相位Fresnel zone lens近似.....................................46
圖 4-6 光程差為整數倍之不同路徑示意圖.........................................47
圖4-7 Fresnel lens的實際結構SEM圖.............................................47
圖4-8 光柵量測系統之架設..................................................................48
圖4-9 為Grating 100nm實際繞射圖案..............................................48
圖 4-10 為Grating 320nm實際繞射圖.................................................48
圖 4-11 為Grating 500nm實際繞射圖案.............................................48
圖 4-12 Fresnel lens量測架設圖.....................................................49
圖 4-13 為入射光633nm，入射在100nm厚度之Fresnel lens光場強度分佈圖.......................................................................................49
圖 4-14 為入射光633nm，入射在320nm厚度之Fresnel lens光場強度分佈圖.......................................................................................50
圖 4-15 為入射光633nm，入射在500nm厚度之Fresnel lens光場強度分佈圖....................................................

參考文獻

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指導教授

紀國鐘(Gou-Chung Chi)

審核日期

2005-7-22

推文