本論文主要研究核殼微米柱產生的反射式光子奈米噴流，內容可分為三大部分，分別為核殼微米柱的半導體製程、數值模擬與實驗量測。在半導體製程部分，首先利用曝光微影在二氧化矽表面上製造出8 µm和10 µm的方形圖案，然後再蝕刻出微米柱。在數值模擬部分，使用時域有限差分法建立核殼微米柱的數值計算模型，計算其光場分佈與光強度變化的趨勢。在實驗量測方面，在掃描式光學顯微鏡中使用三種波長的雷射光(405nm、532 nm、671 nm)和四種入射角度(45ᵒ、60ᵒ、75ᵒ、90ᵒ)來照射微米柱，用以產生反射式的光子奈米噴流，再利用高解析度的攝影機進行拍攝，最後分析實際的光場分佈與光強度變化，並將模擬計算與實驗量測結果互相比較。由研究結果發現，不同的入射角度可以改變光子奈米噴流的聚焦特性，金屬薄殼可增強光子奈米噴流的強度。本論文的研究結果將有助於解決在奈米級成像量測時，不同觀察角度所產生的量測問題。

The purpose of this study was to photonic nanojets for the core-shell micro-pillar in reflection mode. This thesis consists of three main parts: wafer fabrication, numerical simulation, experimental measurement. In the wafer fabrication section, micro-pillar is made into 8 μm and 10 μm in diameter by lithography. In the numerical simulation, the finite difference time domain method is used to establish the numerical model of core-shell micro-pillar. Then, light field distribution and light intensity are calculated. In the experimental measurement, the photonic nanojets generated by different multi-angle in two metal shells (gold, silver) are exposed under three incident wavelengths (405 nm, 532 nm, 671 nm). Experimental data and simulation results are compared in this thesis. The properties of photonic nanojets can be increased by metal shells. The results help to solve the problem of nanoscale imaging measurement at multi-angle.

第1章 前言	1
1-1 研究緣起	1
1-2 文獻回顧	3
1-3 研究目的與架構	6
第2章 理論分析	8
2-1 米氏散射	8
2-2 數值方法	9
2-3 光子奈米噴流特徵	15
第3章 光子奈米噴流數值模擬	16
3-1 模型建立	16
3-2 時域有限差分法模擬分析	17
3.2.1 無鍍膜微米方柱模擬圖	18
3.2.2 微米方柱鍍金模擬圖	19
3.2.3 微米方柱鍍銀模擬圖	20
3.2.4 微米方柱鍍銅模擬圖	21
3.2.5 不同入射角度與光子奈米噴流水平焦距關係	22
3.2.1 不同入射角度與光子奈米噴流垂直焦距關係	26
3.2.1 不同入射角度與光子奈米噴流焦點能量關係	30
第4章 實驗量測系統介紹	39
4-1 整體系統架構	39
4-2 光學顯微鏡	41
4-3 電荷耦合元件	43
4-4 物鏡	44
4-5 光源	45
4-6 三軸電控平台	47
第5章 實驗製程	48
5-1 半導體製程整體流程	48
5-2 光罩設計	48
5-3 試片製程步驟	50
5.3.1 塗佈光阻	50
5.3.2 曝光及顯影	51
5.3.3 蝕刻試片	51
5.3.4 真空濺鍍	52
5.3.5 金屬核殼量測	54
5.3.6 試片量測	56
第6章 光子奈米噴流量測	57
6-1 實驗架構	57
6-2 無鍍膜微米方柱實驗圖	58
6-3 鍍金微米方柱實驗圖	66
6-4 鍍銀微米方柱實驗圖	74
6-5 光子奈米噴流之數據分析	82
6.5.1 實際分析單位的正規化	82
6.5.2 不同入射角度對焦點水平距離數據分析	83
6.5.3 不同入射角度對焦點垂直距離數據分析	89
6.5.4 不同入射角度對能量強度數據分析	95
6.5.5 不同入射角度對噴流長度數據分析	101
6.5.6 不同入射角度對噴流寬度數據分析	107
第7章 結論與未來展望	113
第8章 參考資料	114
圖目錄
圖 1 1入射光波長λ= 400nm照射到折射率n=1.59的微米圓球(a)微米圓球的直徑D=1μm。(b) D=2μm(c) D=3.5μm(b) D=8μm [19]	5
圖 1 2使用30 GHz的微波照射在直徑D=7.62cm的壓克力球[21]。	5
圖 1 3文獻所使用的實驗量測架構圖[22]	5
圖 1 4正向光源量測直徑D=3 μm的微米圓球 [22]	5
圖 1 5文獻所使用的實驗量測架構圖[24]	5
圖 1 6直徑2μm的微米圓球照射波長為(a) 642 nm, (b) 532 nm (c) 405 nm的雷射光，上圖為x-z平面，下圖為x-y平面[24]。	5
圖 1 7實驗架構圖	7
圖 2 1 Yee網格模型	11
圖 2 2電場和磁場與時間的關係圖	11
圖 2 3光子奈米噴流特徵示意圖	15
圖 3 1微米方柱的數值模型	16
圖 3 2邊長8μm模擬圖	18
圖 3 3邊長10μm模擬圖	18
圖 3 4邊長8μm模擬圖(鍍金)	19
圖 3 5邊長10μm模擬圖(鍍金)	19
圖 3 6邊長8μm模擬圖(鍍銀)	20
圖 3 7邊長10μm模擬圖(鍍銀)	20
圖 3 8邊長8μm模擬圖(鍍銅)	21
圖 3 9邊長10μm模擬圖(鍍銅)	21
圖 3 10無殼邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點水平距離的關係	22
圖 3 11鍍金邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點水平距離的關係	23
圖 3 12鍍銀邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點水平距離的關係	24
圖 3 13鍍銅邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點水平距離的關係	25
圖 3 14無殼邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點垂直距離的關係	26
圖 3 15鍍金邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點垂直距離的關係	27
圖 3 16鍍銀邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點垂直距離的關係	28
圖 3 17鍍銅邊長(a) 8μm (b) 10μm入射角度對焦點垂直距離的關係	29
圖 3 18無殼邊長8μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	31
圖 3 19無殼邊長10μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	32
圖 3 20鍍金邊長8μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	33
圖 3 21鍍金邊長10μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	34
圖 3 22鍍銀邊長8μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	35
圖 3 23鍍銀邊長10μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	36
圖 3 24鍍銅邊長8μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	37
圖 3 25鍍銅邊長10μm波長(a)671(b)532(c)405 nm，入射角對能量流強度關係	38
圖 4 1實驗量測示意圖	39
圖 4 2實驗量測實際圖	40
圖 4 3 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡	41
圖 4 4 XYZ三軸電控平台	47
圖 5 1光罩設計圖	49
圖 5 2光罩實際圖	49
圖 5 3光阻塗佈機旋塗速度與時間關係圖	50
圖 5 4 N2-R-16A14-SPUTTER-3真空濺鍍機實際圖	52
圖 5 5鍍金機	53
圖 5 6聚焦離子束與電子束顯微系統	54
圖 5 7微米結構剖面	55
圖 5 8微米結構波譜分析	55
圖 5 9共軛焦顯微鏡	56
圖 5 10二維微米方柱圖	56
圖 5 11三維微米方柱圖	56
圖 6 1實驗架構示意圖	57
圖 6 2紅光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm所產生的聚焦情況	58
圖 6 3綠光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm所產生的聚焦情況	58
圖 6 4藍光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm所產生的聚焦情況	58
圖 6 5紅光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm所產生的聚焦情況	59
圖 6 6綠光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm所產生的聚焦情況	59
圖 6 7藍光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm所產生的聚焦情況	59
圖 6 8紅光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	60
圖 6 9綠光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	61
圖 6 10藍光雷射於不同入射角在無殼直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	62
圖 6 11紅光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	63
圖 6 12綠光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	64
圖 6 13藍光雷射於不同入射角在無殼直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	65
圖 6 14紅光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm所產生的聚焦情況	66
圖 6 15綠光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm所產生的聚焦情況	66
圖 6 16藍光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm所產生的聚焦情況	66
圖 6 17紅光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm所產生的聚焦情況	67
圖 6 18綠光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm所產生的聚焦情況	67
圖 6 19藍光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm所產生的聚焦情況	67
圖 6 20紅光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	68
圖 6 21綠光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	69
圖 6 22藍光雷射於不同入射角在鍍金直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	70
圖 6 23紅光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	71
圖 6 24綠光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	72
圖 6 25藍光雷射於不同入射角在鍍金直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	73
圖 6 26紅光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm所產生的聚焦情況	74
圖 6 27綠光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm所產生的聚焦情況	74
圖 6 28藍光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm所產生的聚焦情況	74
圖 6 29紅光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm所產生的聚焦情況	75
圖 6 30綠光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm所產生的聚焦情況	75
圖 6 31藍光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm所產生的聚焦情況	75
圖 6 32紅光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	76
圖 6 33綠光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	77
圖 6 34藍光雷射於不同入射角在鍍銀直徑8μm的光子奈米噴流現象變化	78
圖 6 35紅光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	79
圖 6 36綠光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	80
圖 6 37藍光雷射於不同入射角在鍍銀直徑10μm的光子奈米噴流現象變化	81
圖 6 38標準試片	82
圖 6 39電腦分析0.01mm標準試片數據圖	82
圖 6 40無殼邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	83
圖 6 41無殼邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	84
圖 6 42鍍金邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	85
圖 6 43鍍金邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	86
圖 6 44鍍銀邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	87
圖 6 45鍍銀邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	88
圖 6 46無殼邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	89
圖 6 47無殼邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	90
圖 6 48鍍金邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	91
圖 6 49鍍金邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	92
圖 6 50鍍銀邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	93
圖 6 51鍍銀邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	94
圖 6 52無殼邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	95
圖 6 53無殼邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	96
圖 6 54鍍金邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	97
圖 6 55鍍金邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	98
圖 6 56鍍銀邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	99
圖 6 57鍍銀邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	100
圖 6 58無殼邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	101
圖 6 59無殼邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	102
圖 6 60鍍金邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	103
圖 6 61鍍金邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	104
圖 6 62鍍銀邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	105
圖 6 63鍍銀邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	106
圖 6 64無殼邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	107
圖 6 65無殼邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	108
圖 6 66鍍金邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	109
圖 6 67鍍金邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	110
圖 6 68鍍銀邊長8μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	111
圖 6 69鍍銀邊長10μm，(a)紅光(b)綠光(c)藍光	112

表目錄
表 2 1各符號代表之物理意義	10
表 3 1數值模擬參數表	17
表 4 1 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡各部位名稱	42
表 4 2 OPLENIC PSC603-15C規格與優點	43
表 4 3本實驗使用物鏡規格	44
表 4 4紅光雷射規格	45
表 4 5綠光雷射規格	46
表 4 6藍光雷射規格	46
表 5 1真空濺鍍機參數表	52
表 5 2鍍金參數表	53

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