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研究生： 李明洪
Ming-Hung Lee
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
指導教授： 紀國鐘
Gou-Chung Chi
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 72
中文關鍵詞： 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
外文關鍵詞： numerical aperture, diffractive optical elements, High-NA, GaN, microlens, DOE''s, gray-level mask, spot size, refractive optical elements, ROE''s
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    • 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.

    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.

    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。

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