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系統識別號 U0002-1109201715543700
中文論文名稱 反射式金屬薄殼微米柱之多角度奈米光子噴流研究
英文論文名稱 The study of photonic nanojets at multi-angle illumination for the core-shell micro-pillar in reflection mode
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 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 楊悠池
研究生英文姓名 Yu-Chih Yang
學號 605370070
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2017-07-11
論文頁數 117頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-陳登豪
委員-劉承揚
委員-趙全鋐
中文關鍵字 光子奈米噴流  反射式  核殼微米結構  繞射極限 
英文關鍵字 photonic nanojet  reflection mode  core-shell micro-structure  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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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