李佳翰臺灣大學:工程科學及海洋工程學研究所鄭逸偉Cheng, Yi-WeiYi-WeiCheng2010-07-142018-06-282010-07-142018-06-282008U0001-2807200822300400http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/188931現行的半導體製程大都是利用光學微影來達到成像的目的，因此解析度受到繞射極限的限制，我們使用三維時域有限差分法模擬銀奈米結構菲涅耳波帶片，在表面電漿與奈米結構的交互作用下增加中心光場強度借以突破繞射極限，分析電場及波印亭向量在銀奈米結構菲涅耳波帶片下的結果，我們同時也分析了銀奈米結構菲涅耳波帶片圈數及厚度對景深、聚焦點位置、大小及強度之影響。 我們利用角頻譜表示法解釋銀奈米結構菲涅耳波帶片能突破繞射極限之物理機制，也討論了k-domain中消散波和傳遞波對電場及波印亭向量的影響。 使用近場光學量測方法可以偵測設計之銀奈米結構菲涅耳波帶片之聚焦平面的光場強度，配合實驗之量測，未來可以作為利用表面電漿子效應的奈米微影之雛形。Photolithography is mostly used to transfer the mask patterns to the wafer for the current semiconductor fabrications. The resolution of the image is limited by the diffraction limit. We use three-dimensional finite-difference time-domain method to study the focusing properties of the silver nanostructured Fresnel zone plates. We found that silver nanostructured Fresnel zone plates can have the focus beyond the diffraction limit by the plasmonic effects. The electric field and Poynting vectors for different silver Fresnel zone plates are analyzed by varying the number of zones, the silver slab thickness, etc. The depth, position, size and intensity of focus are also studied. The angular spectrum representation is used to investigate the physical mechanism of that the silver Fresnel zone plates can get the focus beyond the diffraction limit. We also find that the evanescent waves are much more important than the propagating waves to shape the electric fields and Poynting vectors. The designed silver Fresnel zone plates are fabricated by the standard semiconductor fabrication process. They are measured by the near-field scanning optical microscopy. Our study in silver nanostructured Fresnel zone plates can be used to design the plasmonic nanolithography prototype.誌謝 i文摘要 iibstract iii究貢獻 iv 錄 v目錄 viii目錄 xv號說明 xvi一章 緒論 1.1前言與研究動機 1.2文獻回顧 1二章 基本原理 3.1 菲涅耳波帶片 3.2表面波 5.3表面電漿子原理 7.3.1推導TE平面波無法激發表面電漿波 8.3.2推導TM平面波激發之表面電漿波 10.3.3介質/金屬表面電漿波色散關係式 11.3.4介質/金屬表面電漿波複數色散關係式 14.3.5介質/金屬的傳播長度 15.3.6介質/金屬的集膚深度 15.3.7表面電漿子共振頻率 16三章 模擬結果 17.1 三維時域有限差分方法之模擬 17.2程式驗證 18.2.1 二維圓柱散射體 18.2.2 三維粒子之米氏散射(Mie scattering) 21.3銀奈米結構菲涅耳波帶片之模擬結果 24.3.1銀奈米結構菲涅耳波帶片之電場垂直極化場分佈數值結果及分析 25.3.2銀奈米結構菲涅耳波帶片之電場平行極化場分佈數值結果及分析 28.3.3銀奈米結構菲涅耳波帶片之電場垂直極化波印亭向量數值結果及分析 32.3.4圈數對銀奈米結構菲涅耳波帶片半強度深、聚焦點、強度及FWHM之影響 36.3.5厚度對銀奈米結構菲涅耳波帶片強度、FWHM、半強度深以及聚焦點之影響 37.3.6玻璃結構菲涅耳波帶片之波印亭向量數值結果及分析 40.3.7銀奈米結構菲涅耳波帶片(單數環為空氣，雙數環為銀)時電場垂直極化波印亭向量數值結果及分析 44.3.8空氣環改為不同材質的銀奈米結構菲涅耳波帶片的波印亭向量之數值結果及分析 48.3.9改變單數環厚度之最佳化菲涅耳波帶片波印亭向量數值結果及分析 50.3.10波長對不同圈數之銀奈米結構菲涅耳波帶片的影響 53.4 k-domain分析 54.4.1角頻譜表示法(Angular spectrum representation) 54.4.2銀奈米結構菲涅耳波帶片角頻譜表示法之模擬結果 56.4.3玻璃結構菲涅耳波帶片之角頻譜表示法之模擬結果 61.4.4銀奈米結構菲涅耳波帶片的電場Ex不同距離下變化之k-domain 65.4.5菲涅耳波帶片隨圈數變化之k-domain 67.4.6 k-domain消散波、傳遞波對電場Ex的影響 68.4.7 k-domain消散波、傳遞波對波印亭向量的影響 72四章 實驗初步設計及架構 75.1銀奈米結構菲涅耳波帶片元件製作 75.2近場光學量測系統 78.3量測數據分析與討論 80五章 結論 82.1結論 82.2未來工作 82考文獻 8417398210 bytesapplication/pdfen-US菲涅耳波帶片表面電漿角頻譜表示法近場光學奈米微影Fresnel zone platessurface plasmonangular spectrum representationnear-field scanning optical microscopynanolithographythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/188931/1/ntu-97-R95525044-1.pdf