林輝政臺灣大學：工程科學及海洋工程學研究所李鎮瑋Lee, Jenn-WeiJenn-WeiLee2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51080經由本團隊先前研究的模擬分析與實驗，証實介電金屬光學頭亦具有金屬光學頭的指向性，了解其機制發現使用介電材質作為表面結構確實可行。而在次波長尺寸下，能大量製造的方式，就是利用奈米壓印技術。用於奈米壓印，塗佈在基材上的高分子聚合物，例如熱固性和光化性成型的高分子聚合物，這些高分子材料在常溫下都是具有類似介電質的物理性質，其折射率都介於1.4~1.7之間，正是介電光學頭可以使用的介電材料。 因此藉由奈米壓印技術，以最直接的製造方式，在金屬薄膜上旋轉塗佈高分子聚合物之後，壓印成型而形成光學頭的非金屬表面結構；此二維單層模具壓印製作介電表面光柵，其中金屬薄膜的孔洞則是唯一需要使用聚焦離子束製作之處，另外本篇論文更提出了不需以聚焦離子束蝕刻金屬層的三維雙層模具，以此三維模具進行一次壓印形成兩層層次結構，再經由後續簡單的製程，一步壓印成型而不需藉由聚焦離子束蝕刻金屬狹縫，更經濟且更有效率的製作出介電金屬光學頭。 奈米壓印技術在指向性光學頭的製作開發中為相當重要的一 環，具有大量製造介電金屬光學頭的潛力，為本團隊所研究的介電金屬光學頭與奈米直寫儀增添了可迅速低成本量產的商業價值。It has been verified that dielectric optical head can produce an enhanced and confined emitted light as that of the metallic optical head published previously under the new physical phenomena－Extraordinary transmission and directional beaming phenomena. In view of the limitation in fabricating nano-scaled metallic structure, nanoimprint lithography (NIL) will provide an excellent way for low-cost mass production. The imprint polymers such as thermosetting and light- cured ones have physical properties similar to that of dielectrics needed in ambient conditions. That is, these polymers that possess refractive index between 1.4 and 1.7 are just the materials needed to fabricate the dielectric optical head. The surface structure of dielectric optical head has been manufactured by directly imprinting dielectric grating onto the polymer layer, which was spun-coated on metallic thin film. This dielectric optical head, which was fabricated by using the two-dimensional (single-layer) mold, only needs to etch a slit by using focused ion beam (FIB) to complete the fabrication. To further ease the production process, three-dimensional (double-layer) imprint mold has also been developed for the first time to form initial slit and grating pattern through one-step imprinting in this thesis. Using this improved method, we only need a few simple steps to fabricate the dielectric optical head without using the focused ion beam process. All in all, this newly developed imprinting method can meet the purposes of high-volume production and low cost simultaneously. Nanoimprint is a quite important technology in developing the fabrication of dielectric optical head. The imprinting mold fabricated processes and dielectric optical head manufactured method developed during the course of this thesis have great potential for mass production. That is, this newly developed process has the potential to increase the commercial value of dielectric optical head for various applications include that of the nanowriter project.謝誌 I 中文摘要 III ABSTRACT IV 目錄 VI 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第 1 章 緒論 1 1.1 前言與研究動機 1 1.2 論文架構 6 第 2 章 原理及文獻回顧 7 2.1 異常穿透現象與指向性原理 7 2.2 金屬介電光學頭原理與機制 12 2.3 奈米壓印微影 14 第 3 章 實驗方法及流程 22 3.1 光學頭設計 22 3.2 模具製作 24 3.2.1 電子束微影系統 24 3.2.2 圖形轉移 30 3.3 奈米壓印微影 36 3.3.1 光硬化壓印 37 3.3.2 熱壓印 38 3.4 實驗流程設計 41 3.4.1 二維光柵模具製程設計Ⅰ（乾蝕刻） 41 3.4.2 二維光柵模具製程設計Ⅱ（濕蝕刻） 42 3.4.3 三維光柵模具製程設計 44 第 4 章 實驗結果與分析 47 4.1 二維光柵模具製程I（乾蝕刻） 47 4.1.1 電子束曝光 47 4.1.2 乾蝕刻（ICP） 50 4.1.3 奈米壓印微影 52 4.1.4 光學光學頭出射光指向性量測 57 4.2 二維光柵模具製程Ⅱ（濕蝕刻） 61 4.2.1 電子束曝光 61 4.2.2 濕蝕刻（KOH） 63 4.2.3 熱壓印 65 4.3 三維光柵模具製程 67 4.3.1 電子束曝光 67 4.3.2 蝕刻（ICP） 69 4.3.3 熱壓印 70 第 5 章 結論與展望 72 5.1 結論 72 5.2 展望 73 參考文獻 75 圖目錄 圖 1 1 摩爾定律 2 圖 1 2 光學微影技術藍圖 3 圖 2 1 異常穿透現象 9 圖 2 2 表面電漿特性 11 圖 2 3 金屬介電光學頭機制示意圖 13 圖 2 4 熱壓印流程圖 15 圖 2 5 光硬化壓印流程圖 15 圖 2 6 LADI製程技術流與結果 16 圖 2 7 以奈米壓印製作大面積抗反射漸變連續結構的應用 17 圖 2 8 三角形模具壓印 18 圖 2 9 目前奈米壓印技術製作出最小的週期與最密的圖形 19 圖 3 1 模擬工具 23 圖 3 2 光學頭設計與實驗方法 23 圖 3 3 ELS-7500EX 電子束微影設備操作流程示意圖 24 圖 3 4 電子束微影之近接效應示意圖 25 圖 3 5 電子束直寫儀刻寫出的光柵(左)為線寛200 nm (右)為線寬275 nm 26 圖 3 6 旋轉塗佈光阻使用參數 27 圖 3 7 電子束掃瞄方式示意圖 28 圖 3 8 乾蝕刻、濕蝕刻示意圖[41] 30 圖 3 9 Bosch process深蝕刻示意圖[42] 33 圖 3 10 SEM側蝕扇貝紋路效應（scalloping effect） 33 圖 3 11 矽晶元之平面及大平邊與矽晶格各平面間之關係 35 圖 3 12 <110>矽晶元上所蝕刻出之垂直壁長通道。注意遮照所需對準之方向。 35 圖 3 13 熱壓印與光硬化壓印流程之比較示意圖 36 圖 3 14 光硬化壓印成形機(UV Curing Embossing Machine) 38 圖 3 15 高精度雙(向)面對位真空熱壓成型機 40 圖 3 16 二維結構模具製程流程示意圖[45] 41 圖 3 17 二維結構模具，KOH濕蝕刻製程流程示意圖 43 圖 3 18 電子束直寫儀刻寫方向 43 圖 3 19 三維結構模具製程流程示意圖 45 圖 3 20 三維結構模具壓印製作光學頭流程示意圖 46 圖 4 1 電子束直寫儀刻寫光柵於矽晶圓之SEM圖 49 圖 4 2 以SEM觀察ICP蝕刻成果剖面 51 圖 4 3 以原子力顯微鏡觀察光硬化壓印的結果 53 圖 4 4 以原子力顯微鏡觀察熱壓印的結果 56 圖 4 5 奈米壓印方式製作完成的光學頭顯微鏡照 58 圖 4 6 未壓印至金屬層意示圖 58 圖 4 7 奈米壓印術製作光學頭之顯微鏡觀察結果 60 圖 4 8 電子束直寫儀刻寫橫向光柵於氮化矽層之SEM圖 62 圖 4 9 濕蝕刻<110>矽晶圓SEM剖面圖 65 圖 4 10 AFM量測濕蝕刻模具壓印結果 66 圖 4 11 掀舉法製作突起SiO2脊 67 圖 4 12 二次曝光SEM圖 68 圖 4 13 AFM量測三維模具 70 圖 4 14 AFM量測三維模具壓印結果 71 圖 5 1 三維模具濕蝕刻製程圖 74 表目錄 表 2 1 奈米壓印微影相關參數整理 21 表 3 1 ELS-7500EX曝光效能技術規格表[28] 29 表 4 1 ICP乾蝕刻參數 50 表 4 2 光硬化實驗流程 5418804065 bytesapplication/pdfen-US奈米壓印三維多層壓印模具nanoimprint3-dimension imprinting moldthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/51080/1/ntu-94-R92525051-1.pdf