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System No. U0002-2508201415021000
Title (in Chinese) 光子奈米噴流現象於單顆微米介電圓盤之研究
Title (in English) The study of photonic nanojets from a single dielectric microdisk
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 102
Semester 2
PublicationYear 103
Author's name (in Chinese) 陳建榕
Author's name(in English) Chien-Jung Chen
Student ID 601370504
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2014-07-10
Pagination 98page
Committee Member advisor - Cheng-Yang Liu
co-chair - 張天立
co-chair - 林清彬
Keyword (inChinese) 光子奈米噴流
微米圓盤
晶圓製作
繞射極限
Keyword (in English) Photonic nanojet
microdisk
wafer
diffraction limit
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
本研究主要觀察單顆微米介電圓盤經由雷射光照射後,所產生光子奈米噴流之現象。由二氧化矽與氮化矽兩種微米圓盤,分別以紅光(671nm)、綠光(532nm)及藍光(405nm)三種不同波段之雷射光進行照射。本研究主要可分為理論分析及實驗量測兩部分進行探討。在理論方面,利用時域有限差分法,分別對不同微米圓盤尺寸大小、不同微盤折射率、不同入射光波長及不同環境折射率進行模擬,並且分析微米圓盤所產生的光子奈米噴流之光場分佈和光場強度及影響光子奈米噴流形成的相關參數。在實驗方面,可以細分為兩部分,第一部分為晶圓製程以及第二部分晶圓量測及分析,利用台灣大學工學院奈米機電系統研究中心進行加工處理,再使用本實驗室設計一套高感光的光學顯微鏡來觀察微米圓盤所產生的光子奈米噴流,分別照射在直徑3μm、5μm、8μm、10μ和15μm的微米圓盤上,並分析光子奈米噴流其焦距、半高全寛及衰減長度與微米圓盤直徑的關係。氮化矽微盤中特別改變環境折射率至1.518,使得光子奈米噴流現象能產生於微盤外側。最後,將本實驗數據及理論分析進行相互驗證,發現實驗數據的趨勢與理論分析相同。當微盤受到雷射光照射,會產生一個低發散的光點,此光子奈米噴流有著光點遠小於入射光波長且能量集中的特性,本論文研究結果有助於解決高科技產業中奈米等級影像量測的問題。
Abstract (in English)
The photonic nanojet in single dielectric microdisk illuminated by a laser source is studied. We fabricated the SiO2 and Si3N4 microdisks at different diameters. The laser of wavelength 671 nm, 532 nm, and 405 nm is used to be a light source for dielectric microdisk. In numerical simulation, the finite-difference time-domain method is used to execute the calculations for the intensity distribution of photonic nanojet in the dielectric microdisks. In experiment, the dielectric microdisks are made by using semiconductor manufacturing technology. The measurement of photonic nanojet is performed with a high sensitivity optical microscope system. The photonic nanojets are observed from the collected images for microdisks of 3 μm, 5 μm, and 8 μm diameters. The influences of focal length, full width at half maximum, and decay length on the disk diameters are presented. The refractive index becomes 1.518 when the disks are immersed in oil. This makes photonic nanojets appear on the outside of microdisk. In conclusion, the experiment and the numerical simulation are in agreement. A low divergence spot appears when the microdisk is illuminated by laser beam. The full width at half maximum of spot is much smaller than the incident wavelength, and the energy is concentrated. The study will help to solve the problems of nano-scale image measurement in high technology industry.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
中文摘要…………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………II
目錄…………………………………………………………………III
圖目錄………………………………………………………………VI
表目錄………………………………………………………………XVI
第1章 前言	1
1.1 研究緣起	1
1.2 文獻回顧	4
1.3 研究目的與架構	7
第2章 理論分析	10
2.1 Mie散射理論	10
2.2 光子奈米噴流特徵	11
2.3 數值方法	12
第3章 光子奈米噴流數值模擬	18
3.1 模型建立	18
3.2 微米圓盤直徑改變對光子奈米噴流影響	20
3.2.1 微米圓盤模擬圖	20
3.2.2 微米圓盤直徑與光子奈米噴流焦距關係	22
3.2.3 微米圓球直徑與光子奈米噴流半高全寛關係	25
3.2.4 微米圓盤直徑與光子奈米噴流衰減長度關係	27
3.2.5 微米圓盤直徑與光子奈米噴流強度關係	30
第4章 光子奈米噴流量測系統介紹	36
4.1 系統架構	36
4.2 光學顯微鏡	37
4.3 電荷耦合元件	39
4.4 物鏡	41
4.5 光源	42
4.6 三軸電控平台	44
第5章 實驗前製程與奈米噴流量測	45
5.1 實驗目的	45
5.2 實驗前製程	46
5.2.1 光罩設計	46
5.2.2 晶圓製程步驟	49
5.2.3 晶圓製程成品	51
5.3 光子奈米噴流量測(空氣中)	54
5.3.1 二氧化矽微盤	54
5.3.2 氮化矽微盤	61
5.4 光子奈米噴流數據分析(空氣中)	68
5.4.1 單位正規化	68
5.4.2 二氧化矽微盤之數據分析	69
5.4.3 氮化矽微盤之數據分析	75
5.5 改變環境折射率之光子奈米噴流量測	81
5.5.1 氮化矽微盤	81
5.6 改變環境折射率之光子奈米噴流數據分析	88
第6章 結論	94
參考文獻	95

圖目錄
圖 1 1文獻所使用實驗量測設備[21]	6
圖 1 2正向光源量測3μm微米圓球[21]	6
圖 1 3 晶圓蝕刻圖形及圖形厚度[30]	6
圖 1 4 (a)文獻所使用實驗量測設備 (b)微盤直徑6.5μm使用綠光雷射所產生噴流情形[30]	6
圖 1 5文獻所使用實驗及模擬圖[30]	6
圖 1 6近場光學的定義為待測物之物體離光孔洞的距離在一個波長之內	8
圖 1 7 本研究實驗及模擬流程架構圖	9
圖 2 1光子奈米噴流結構示意圖	11
圖 2 2 FDTD空間分割	13
圖 2 3電場和磁場在時間上交替變化圖	14
圖 3 1微米圓球的數值模型	19
圖 3 2 條件1之微米圓盤模擬圖	20
圖 3 3條件2之微米圓盤模擬圖	21
圖 3 4條件4之微米圓盤模擬圖	22
圖 3 5 條件1中微米圓盤的直徑與光子奈米噴流焦距關係	23
圖 3 6 條件2中微米圓盤的直徑與光子奈米噴流焦距關係	23
圖 3 7 條件3中微米圓盤的直徑與光子奈米噴流焦距關係	24
圖 3 8 條件4中微米圓盤的直徑與光子奈米噴流焦距關係	24
圖 3 9 條件1微米圓盤直徑對光子奈米噴流半高全寛的關係	25
圖 3 10 條件2微米圓盤直徑對光子奈米噴流半高全寛的關係	26
圖 3 11 條件3微米圓盤直徑對光子奈米噴流半高全寛的關係	26
圖 3 12 條件4微米圓盤直徑對光子奈米噴流半高全寛的關係	27
圖 3 13 條件1微米微米圓盤直徑對光子奈米噴流衰減長度的關係	28
圖 3 14 條件2微米微米圓盤直徑對光子奈米噴流衰減長度的關係	28
圖 3 15 條件3微米微米圓盤直徑對光子奈米噴流衰減長度的關係	29
圖 3 16 條件4微米微米圓盤直徑對光子奈米噴流衰減長度的關係	29
圖 3 17光波長405nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	30
圖 3 18光波長532nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	30
圖 3 19光波長671nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	31
圖 3 20光波長405nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	31
圖 3 21光波長532nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	32
圖 3 22光波長671nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	32
圖 3 23光波長405nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	33
圖 3 24光波長532nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	33
圖 3 25光波長671nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	34
圖 3 26光波長405nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	34
圖 3 27光波長532nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	35
圖 3 28光波長671nm固定改變微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係	35
圖 4 1本實驗整體系統圖	36
圖 4 2 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡示意圖	37
圖 4 3 XYZ軸電控平台	44
圖 5 1實驗示意圖	45
圖 5 2光罩設計圖1	47
圖 5 3光罩設計圖2	47
圖 5 4試件製程步驟	48
圖 5 5旋塗速度與時間關係1	50
圖 5 6旋塗速度與時間關係2	50
圖 5 7 微盤成品3μm、5μm	51
圖 5 8 微盤成品8μm	51
圖 5 9 微盤成品3μm、5μm	52
圖 5 10 微盤成品8μm、10μm	52
圖 5 11微盤成品15μm	53
圖 5 12 671nm紅光雷射照射在3μm、5μm、8μm二氧化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	54
圖 5 13 532nm綠光雷射照射在3μm、5μm、8μm二氧化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	54
圖 5 14 405nm藍光雷射照射在3μm、5μm、8μm二氧化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	54
圖 5 15 671nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	55
圖 5 16 671nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	56
圖 5 17 532nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	57
圖 5 18 532nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	58
圖 5 19 405nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	59
圖 5 20 405nm雷射光於不同尺寸之SiO2單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	60
圖 5 21 671nm紅光雷射照射在3μm、5μm、8μm氮化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	61
圖 5 22 532nm綠光雷射照射在3μm、5μm、8μm氮化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	61
圖 5 23 405nm藍光雷射照射在3μm、5μm、8μm氮化矽微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	61
圖 5 24 671nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	62
圖 5 25 671nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	63
圖 5 26 532nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	64
圖 5 27 532nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	65
圖 5 28 405nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	66
圖 5 29 405nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	67
圖 5 30 0.01mm標準片	68
圖 5 31電腦程式分析0.01mm刻畫玻片數據圖	68
圖 5 32在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	69
圖 5 33在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	70
圖 5 34在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	70
圖 5 35 在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	71
圖 5 36在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	72
圖 5 37在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	72
圖 5 38在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	73
圖 5 39在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	74
圖 5 40在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	74
圖 5 41在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	75
圖 5 42在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	76
圖 5 43在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	76
圖 5 44在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	77
圖 5 45在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	78
圖 5 46在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	78
圖 5 47在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	79
圖 5 48在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	80
圖 5 49在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	80
圖 5 50  671nm紅光雷射照射在8μm、10μm、15μm氮化矽滴油微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 5 51  532nm綠光雷射照射在8μm、10μm、15μm氮化矽滴油微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 5 52  532nm綠光雷射照射在8μm、10μm、15μm氮化矽滴油微盤所產生之效果最好的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 5 53 671nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	82
圖 5 54 671nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	83
圖 5 55 532nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	84
圖 5 56 532nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	85
圖 5 57 405nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(開上光源)	86
圖 5 58 405nm雷射光於不同尺寸之Si3N4單顆微米介電圓盤光子奈米噴流現象變化(關上光源)	87
圖 5 59在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	88
圖 5 60在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	89
圖 5 61在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與焦距係圖	89
圖 5 62在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	90
圖 5 63在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	91
圖 5 64在405nm藍光照射下之微米圓盤直徑與FWHM關係圖	91
圖 5 65在671nm紅光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	92
圖 5 66在532nm綠光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	93
圖 5 67在405nn藍光照射下之微米圓盤直徑與衰減長度關係圖	93
 
表目錄
表2 1電場及磁場在空間中座標關係	15
表3 1 數值模擬模型參數表	19
表 4 1 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡各部位名稱	38
表 4 2 MLx205與SV-C393-2NU CCD 規格比較	40
表 4 3∞PLL物鏡規格比較表	41
表 4 4紅光雷射規格	42
表 4 5綠光雷射規格	43
表 4 6藍光雷射規格	43
表 5 1 二氧化矽製程參數	52
表 5 2 氮化矽製程參數	53
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