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研究生： 陳建勳
Chien-Hsun Chen
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
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： 93
語文別： 中文
論文頁數： 54
中文關鍵詞： 繞射光學元件 、非晶矽
外文關鍵詞： Amorphous silicon, DOEs
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    • 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。

    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....................................................

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