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系統識別號 U0002-1008201015190200
中文論文名稱 以壓印法及反應離子蝕刻製程製作玻璃繞射光學元件之研究
英文論文名稱 Fabrication of Glass Diffractive Optical Elements by Imprinting and RIE Processes
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 邵嘉得
研究生英文姓名 Chia-Te Shao
學號 697371499
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-23
論文頁數 68頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
共同指導教授-蔡慧駿
委員-陳昭彰
委員-劉道恕
委員-馬廣仁
委員-陳盈同
委員-趙崇禮
中文關鍵字 繞射光學元件  反應離子蝕刻系統  光學玻璃 
英文關鍵字 diffractive optical elements  reactive ion etching  optical glass 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於光電及光學工業的快速發展,使得光學元件及外形越來越需要達到高精度等級的要求。這些光學元件的外形從平面、球面發展至非球面及自由曲面,那些球面及軸對稱的光學元件已無法滿足學術及工業上應用之需求。繞射光學元件(DOEs)具有厚度薄、重量輕的優點符合了這些需求,它們現在已被廣泛的應用在光通信、光計算、光耦合、LED照明燈和太陽能收集模組上。然而,由於DOEs的形狀複雜,特別是以玻璃為材料的DOEs更是難以製作。
本研究的目的是利用反應離子蝕刻製程製作玻璃DOEs。先使用SPDT刀具在金屬模具上製作出繞射結構,隨後將其壓印在玻璃平板表面所塗佈之聚合物上,而玻璃平板上之含有繞射圖案的聚合物經由RIE蝕刻後會將繞射圖案轉寫至玻璃表面上,目前採用三款不同的光學玻璃進行研究,經由研究後得到聚合物及玻璃的蝕刻率、形狀和表面粗糙度。結果顯示,雖然所得之表面粗糙度較差,但使用此製程可成功地將繞射結構轉移至光學玻璃上。
英文摘要 Owing to the fast development in opto-electronic and optical industry, components of high precision and customized shapes are in great demand. The optical components have evolved from planar, spherical, aspheric to free-form geometries. As a result, spherical/axial symmetrical optical components can no longer fulfill the need of academic research and industrial application. The diffractive optical elements (DOEs), having the advantages of small in thickness and light in weight, are requested to meet the requirements. They are now widely used in optical communication, optical computing, optical coupling, LED lighting and solar energy collecting module. However, due to the complexity in shape, DOEs are very difficult to produce especially when they are made of glasses.
This research aimed to fabricate glass DOEs by RIE process. A metal mold with diffractive structure was first generated by SPDT and was subsequently used as a stamp to duplicate diffractive patterns on the polymer layer coated on the glass plate. The patterned glass plate was then RIEed to transfer the diffractive patterns onto glass. Three different optical glasses were investigated in the present study. The etching rates of polymers/glasses and the shape/surface roughness of the obtained surface were systematically studied. The results showed that, though the surface finish was rather poor, diffractive structures could be successfully transferred to the optical glass by the proposed processes.
論文目次 目錄
致謝……………………………………………………………I
中文摘要…………………………………………………………… II
英文摘要………………………………………………III
目錄……………………………………………………………V
圖目錄…………………………………………………………… VII
表目錄……………………………………………………………… X
第一章 緒論………………………………………………………1
1-1前言………………………………………………………1
1-2研究背景………………………………………………………2
1-3研究目的………………………………………………………2
第二章 文獻回顧與理論基礎………………………………………………………4
2-1壓印技術………………………………………………………4
2-2壓印材料………………………………………………………5
2-2-1 光敏性高分子材料………………………………………………5
2-2-2熱塑性高分子材料………………………………………………5
2-3光學玻璃材料之特性……………………………………………6
2-3-1光學玻璃缺陷形成之原因與影響…………………………………9
2-3-2光學玻璃之光學性質……………………………………………10
2-3-3 光學玻璃之物理與化學性質……………………………………11
2-4蝕刻原理………………………………………………………13
2-5 反應離子蝕刻(Reactive Ion Etch;RIE)………………………15
2-6繞射光學元件 ( Diffractive Optical Element; DOE )………18
第三章 實驗規劃與設備…………………………………………21
3-1實驗規劃………………………………………………………21
3-2實驗流程………………………………………………………21
3-3實驗材料………………………………………………………23
3-3-1 繞射光學元件模仁………………………………………23
3-3-2 UV膠………………………………………………………24
3-3-3 玻璃基板……………………………………………………24
3-3-4 離型劑………………………………………………………25
3-4 實驗步驟………………………………………………………26
3-5 實驗與設備………………………………………………………27
3-5-1 超音波震洗機……………………………………………………28
3-5-2 紫外光點光源機…………………………………………………28
3-5-3 反應離子蝕刻系統………………………………………………29
3-5-4表面輪廓儀(KLA-Tencor αstep-500)…………………………31
3-5-5光學顯微鏡………………………………………………………31
3-5-6 掃描式電子顯微鏡( Scanning Electron Microscope, SEM )………………………………………………………32
第四章 結果與討論………………………………………………33
4-1不同玻璃的蝕刻測試………………………………………………33
4-2 L-NBH54和BOROFLOAT蝕刻比較……………………………………38
4-3 犧牲層造成脫模的影響及困難點…………………………………54
第五章 結論………………………………………………………60
參考文獻………………………………………………………62
附錄………………………………………………………65
圖目錄
圖1-1 陣列型繞射光學元件模仁............................................................3
圖2-1 SCHOTT 光學玻璃之分類............................................................6
圖2-2 折射示意圖..................................................................................11
圖2-3 蝕刻原理示意圖 (a)物理性蝕刻 (b)化學性蝕刻.....................15
圖2-4 DOE 蝕刻至矽晶圓......................................................................16
圖2-5 石英蝕刻SEM 圖.........................................................................17
圖2-6 繞射元件與傳統元件功能之比較..............................................20
圖2-7 菲涅爾透鏡蝕刻至SiO2.............................................................20
圖3-1 玻璃基板選擇之實驗流程圖.......................................................21
圖3-2 玻璃蝕刻微結構之實驗流程圖..................................................22
圖3-3 DOE 模仁(a)上視圖(b)立體圖(c)剖面圖....................................23
圖3-4 UV 膠............................................................................................24
圖3-5 玻璃基板......................................................................................24
圖3-6 離型劑..........................................................................................25
圖3-7 不同玻璃基板蝕刻率實驗示意圖..............................................27
圖3-8 超音波震洗機..............................................................................28
圖3-9 外光點光源機Lightningcure 200 ...............................................29
圖3-10 反應離子蝕刻系統....................................................................30
圖3-11(a)化學蝕刻犧牲層(b)化學蝕刻光學玻璃(c)物理蝕刻光學玻璃
...........................................................................................................30
圖3-12 KLA-Tencor α step-500 表面輪廓儀.........................................31
圖3-13 光學顯微鏡................................................................................31
圖3-14 掃描式電子顯微鏡(HITACHI S4160 型).................................32
圖4-1 光學玻璃L-BAL35 蝕刻30min 後(a)OM 圖(b)量測區域(c) α-step...........................................................................................................35
圖4-2 光學玻璃L-NBH54 蝕刻30min 後(a)OM 圖(b)量測區域(c) α-step
...........................................................................................................36
圖4-3 光學玻璃BOROFLOAT 蝕刻30min 後(a)OM 圖(b)量測區域(c)
α-step.................................................................................................37
圖4-4 光學玻璃L-NBH54 加入氣體流量50:5 蝕刻15、30、45、60min
之α-step............................................................................................39
圖4-5 光學玻璃BOROFLOAT 加入氣體流量50:5 蝕刻15、30、45、
60min 之α-step ................................................................................40
圖4-6 蝕刻DOE 微結構流程圖............................................................43
圖4-7 光學玻璃L-NBH54 加入氣體流量50:10 蝕刻15、30、45、60min
之α-step............................................................................................44
圖4-8 光學玻璃BOROFLOAT 加入氣體流量50:10 蝕刻15、30、45、
60min 之α-step ................................................................................45
圖4-9 光學玻璃BOROFLOAT 加入氣體流量50:10 蝕刻15、30、45、
60min 之OM 圖...............................................................................46
圖4-10 L-NBH54 蝕刻率.......................................................................47
圖4-11 BOROFLOAT 蝕刻率................................................................47
圖4-12 陣列型繞射元件.........................................................................49
圖4-13 單一繞射元件.............................................................................49
圖4-14 傾角犧牲層蝕刻至光學玻璃示意圖........................................50
圖4-15 傾角犧牲層蝕刻至光學玻璃α-step 圖....................................51
圖4-16 傾角犧牲層蝕刻至光學玻璃座標圖........................................51
圖4-17 蝕刻犧牲層高度、蝕刻光學玻璃深度與蝕刻時間的關係圖53
圖4-18 犧牲層所需高度圖.....................................................................54
圖4-19 DOE 模仁之α-step 圖................................................................56
圖4-20 DOE 模仁之OM 圖...................................................................56
圖4-21 DOE 壓印於犧牲層上之α-step 圖............................................57
圖4-22 DOE 壓印於犧牲層產生缺陷....................................................58
圖4-23 壓印失敗後經RIE 蝕刻之α-step 圖........................................59
表目錄
表1-1 微光學元件各種應用....................................................................1
表2-1 主要光學玻璃型號區分.................................................................7
表2-2 繞射光學元件與傳統光學元件之比較......................................19
表3-1 光學玻璃成分表..........................................................................25
表3-2 實驗參數設定...............................................................................26
表3-3 紫外光點光源機..........................................................................28
表4-1 不同玻璃的蝕刻參數...................................................................34
表4-2 L-NBH54 和BOROFLOAT 蝕刻參數1 .....................................38
表4-3 L-NBH54 和BOROFLOAT 蝕刻參數2 .....................................41
表4-4 L-NBH54 及BOROFLOAT 蝕刻深度表...................................48
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