淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2708201313330400
中文論文名稱 微型三次元量測儀:布拉格光纖光柵之光罩製作
英文論文名稱 Micro Coordinate Measuring Machine: Manufacture of Fiber Bragg Grating
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 吳承晏
研究生英文姓名 Cheng-Yen Wu
學號 600370513
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2013-08-27
論文頁數 54頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-許正治
委員-戴慶良
中文關鍵字 干涉微影術  黃光微影技術  反應性離子蝕刻 
英文關鍵字 Holographic Interferometric Lithography  Photolithography  Reactive Ion Etching 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 目前市售的光纖光柵節距多為通訊波長,可見波長的光纖光柵甚難取得,因此製造可見光範圍之光柵結構的技術有其必要性。在製造方面,雷射直寫光罩技術,受限於光波繞射極限,難以製作次波長光柵結構;而次波長光罩的製作成本高,不利系統研發。
本研究提出一種翻拍繞射光柵圖樣以製作光纖光柵之光罩的方法,該法可製作次波長光罩,且成本低、製程彈性高,可應用於製作不同節距之光罩。它是利用全像干涉微影技術(Holographic Interferometric Lithography)、黃光微影技術(Photolithography),結合反應性離子蝕刻技術(Reactive Ion Etching),研製具有繞射光柵圖案之光罩。
本論文現階段完成以全像干涉微影,搭配黃光微影製程將全像片上的繞射圖案轉移到光阻上,並對製程方面進行誤差分析。根據實驗結果顯示,以顯影時間25 s、曝光時間36 s的製程參數下,利用顯微鏡尺規量測,並成功地在光阻上製作出約為25um的繞射圖型結構。
英文摘要 Currently, most of the commercially available fiber gratings have wavelengths for communications. Fiber gratings for the visible range are difficult to obtain. It is necessary for manufacture of fiber gratings which are in visible range. For manufacture, the laser direct writing of fiber gratings is limited by the diffraction limit of optical waves so that it is difficult for the laser direct writing technique to make subwavelength structures. In addition, the cost of the subwavelength mask is so high that it is not a good choice to use the subwavelength mask for the research and development of a variety of systems.
This study proposes a method to make photomasks and fiber gratings using reproducing the diffraction pattern. This method can make subwavelength fiber grating. This method is with low cost and high flexibility in fabrication. It can be applied to make fiber grating of various grating pitches. We adopted holographic interferometric lithography, photolithography, and reactive ion etching to fabricate the photomask with diffraction patterns. And the patterns on the photomask was transferred into the photosensitive fiber to make the fiber grating using an excimer laser system.
At the present stage, this study has completed the use of holographic interference lithography and photolithography with the hologram on the diffraction pattern transferred to the resist. The resist we used is thick film photoresist resist AZ4620, developing time is 25 s, Exposure time is 36 s. Under these process parameters, we used microscope ruler to do the measurement, and successfully fabricated about 25 mm diffraction pattern structure on the resist.
論文目次 目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 ix
符號表 x
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機 3
1.4 研究目的 3
1.5 章節介紹 3
第二章 繞射原理與製程技術 5
2.1 前言 5
2.2 繞射式光學元件 5
2.2.1 繞射元件設計理論 5
2.2.2 光學傳播理論[12] 6
2.2.3 繞射光柵原理 7
2.3 全像干涉術 9
2.4 黃光微影術 11
2.4.1 微影曝光法 11
2.4.2 光阻劑種類 12
2.4.3 微影製程步驟 14
2.5 蝕刻 15
2.5.1 濕式蝕刻 15
2.5.2 乾式蝕刻[17] 16
第三章 布拉格光纖光柵之製程與分析 18
3.1 元件之製作流程 18
3.2 全像元件拍攝 18
3.3 光罩製作流程 20
3.4 蝕刻製程 28
第四章 實驗結果與討論 30
4.1 前言 30
4.2 實驗儀器設備 30
4.3 製程參數對週期結構的影響 33
4.3.1 旋轉塗佈與曝光時間對膜厚的影響 34
4.3.2 顯影時間對輪廓的影響 36
4.3.3 曝光時間對輪廓的影響 37
4.4 實驗討論與方法驗證 41
4.5 製程探討 44
4.5.1 軟烤對結構的影響 44
4.5.2 HMDS對結構的影響 44
第五章 誤差分析 46
5.1 前言 46
5.2 製程誤差 46
5.2.1 平面度誤差 46
5.2.2 牛頓環 48
5.2.3 顯影容許誤差 49
5.2.4 薄膜殘留應力 49
5.3 隨機誤差 50
5.3.1 材料熱變型 50
5.3.2 Clean Room 51
第六章 結論與未來展望 52
6.1 結論 52
6.2 未來研究展望 52
參考文獻 53

圖目錄
圖 1 繞射圖示 6
圖 2 光柵原理示意圖 8
圖 3 物波與參考波之干涉[15] 9
圖 4 干涉條紋示意圖 10
圖 5 正型光阻 13
圖 6 負型光阻 13
圖 7 濕蝕刻與乾蝕刻的比較圖,圖中(a).蝕刻前、(b).濕蝕刻(等相性蝕刻)、(c).乾蝕刻(非等相性蝕刻),的剖面圖 16
圖 8 布拉格光纖光柵製作流程 18
圖 9 全像術示意圖 19
圖 10 全像片拍攝角度示意圖 20
圖 11 全像片實體圖 20
圖 12 微影流程圖 21
圖 13 鉻膜石英玻璃 22
圖 14 投影式曝光示意圖 22
圖 15 丙酮(黃色瓶蓋)、異丙醇(紅色瓶蓋) 23
圖 16 光阻塗佈 24
圖 17 光阻塗佈機轉速、時間調控 25
圖 18 起步轉速過慢導致光阻不均勻 25
圖 19 石英玻璃放置曝光機平台 26
圖 20 全像片黏貼於五吋玻璃 27
圖 21 光罩放置 27
圖 22 顯影液與純水1:4調配 28
圖 23 RIE蝕刻機 29
圖 24 雙面對準曝光機 31
圖 25 光阻塗佈機 31
圖 26 加熱平板 32
圖 27 表面輪廓分析儀 32
圖 28 AZ4620光阻搭配之AZ400K顯影液 33
圖 29 光阻液成型曝光能量參數[18] 34
圖 30 AZ4620光阻薄膜厚度相對於旋轉速率 35
圖 31 AZ4620光阻殘留厚度相對於曝光能量 35
圖 32 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間40 s,曝光時間28 s, 36
圖 33 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間28 s 36
圖 34 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間60 s,曝光時間28 s 37
圖 35 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間20 s,顯影後的結構的特徵尺寸為84.32 um 37
圖 36 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間24 s,顯影後的結構的特徵尺寸為63.49 um 38
圖 37 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間28 s,顯影後的結構的特徵尺寸為49.59 um 38
圖 38 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間20 s 39
圖 39 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間24 s 39
圖 40 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間50 s,曝光時間28 s 39
圖 41 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間30 s,曝光時間32 s,顯影後的結構的特徵尺寸為36.70 um 40
圖 42 塗佈6.2 um光阻厚度,顯影時間25 s,曝光時間40 s,顯影後的結構的特徵尺寸為36.70 um 40
圖 43 製程參數下曝光時間對應的結構寬度 41
圖 44 製程參數下曝光時間合適的顯影時間 42
圖 45 曝光時間36 s、顯影時間25 s、結構寬度25 um 43
圖 46 光阻的繞射結構 43
圖 47 水分未完全去除產生水泡現象 44
圖 48 基板示意圖 47
圖 49 牛頓環波形示意圖 48
圖 50 光程差示意圖 49
圖 51 光罩與基板間距 50
ix
表目錄
表 1 微影曝光UV波長 12
表 2 光阻液成型參數 34
表 3 實驗製程參數 42
表 4 實驗元件熱膨脹係數[19] 51
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