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研究生:陳品誠
研究生(外文):Ping-Chen Chen
論文名稱:以原子力顯微鏡技術製造奈米表面結構之研究
論文名稱(外文):Study of Nanoscale Surface Profile Fabrication by Atomic Force Microscope Technique
指導教授:葉超雄葉超雄引用關係李世光李世光引用關係
指導教授(外文):Chau-Shioung YehChih-Kung Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:原子力顯微鏡奈米結構配向膜
外文關鍵詞:AFMnanstructurealignment layer
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本文提出利用原子力顯微鏡(AFM)的方法製作奈米微結構,同時並研究奈米結構在液晶顯示器(LCD)之配向膜及光學補償膜上的應用。經由本文分析發現,奈米凹痕溝槽的確可讓本實驗使用之配向膜(AL12G)產生配向效果,而液晶配向之機制除了溝槽效應外,尚需配合液晶分子間交互作用力的影響所致。此外,凹痕溝槽之間隔週期也是影響配向效果之重要因素,根據實驗結果可知,利用原子力顯微鏡製作100µm × 100µm之0.5µm、1µm、2µm及4µm間隔溝槽其凹痕形貌及穩定性都非常良好,透過偏光顯微鏡(Polarization Optical Microscope)對液晶盒之檢驗及反射式橢偏儀(PI-Checker)對配向膜作光學異向性(Optical Anisotropy)之檢查可證實凹痕週期在0.5µm、1µm及2µm時液晶之配向效果良好,而4µm週期之凹痕配向效果則較差,因此推論配向膜(AL12G)在凹痕間隔介於2µm及4µm之間存在著一可配向之極限。最後由實驗之結果可看出,由本文所發展之配向機制有機會成為未來之新的配向技術。
本文所提之另一奈米凸紋結構在原子力顯微術及非等向性蝕刻製程下也成功地製作完成。本研究係利用一外加偏壓於導電探針上所產生之電場效應使得(110)矽表面產生氧化光柵,應用此法在本實驗可完成之最小光柵週期為0.1µm。利用氧化光柵做為遮罩也成功地在濕蝕刻製程下完成矽光柵的製作,而本實驗可完成矽光柵之最大面積為70µm × 70µm,最小週期則為0.3µm。經由本文的完成,奈米表面結構的參數設定及製作流程均已取得初步成果,此外,對於奈米光柵之應用也作了初步的光學分析並設計出兩種可行之方案。
With an attempt to understand and develop nanostructure fabrication and application for liquid crystal display systems about alignment layer and optical films, an atomic force microscope technique was used in this dissertation. A polyimide layer (AL12G) was successfully turned into an alignment layer that has the potential to be used in making a liquid crystal display by using the scratching actions exerted by the tip of an atomic force microscope system. The alignment mechanism of liquid crystals on polyimide surface was not only the microgrooves effect but also the interaction force of liquid crystal molecules. Furthermore, the spacing of microgrooves was also a significant factor that influenced the alignment consequence. The experimental results indicated that in the 100µm by 100µm square area, grooves of 0.5µm, 1µm, 2µm, and 4µm spacing were all found to be straight and the profiles imprinted by the atomic force microscope were also found to be stable. The liquid crystal cell was studied by polarizing optical microscopy and the alignment layer was investigated by reflection ellipsometry (PI-Checker) could prove that grooves of 0.5µm, 1µm, 2µm spacing were led to good alignment effect but grooves of 4 µm spacing was not. The experimental results obtained thus implied that the mechanism proposed in this article could lead to a novel alignment layer fabrication algorithm in the future.
Another nanostructure was successfully fabricated using atomic force microscopy and anisotropic etching. Si(110) surfaces have been oxidized at nanometer scale with electric field enhanced oxidation using a conducting probe with externally applied a bias voltage, which leads to the completed minimum oxidation grating period of 0.1 µm. The oxidation grating served as an effective mask for pattern transfer into the substrate by wet chemical etching was successfully done and the maximum silicon grating area achieved 70µm by 70µm and the minimum silicon-grating period obtained 0.3 µm. The parameters setting and fabrication process of the nanometer scale surface structures have been established successfully in this thesis. Besides, the optical analysis about the application of nano-grating has been finished and the theoretically investigation of two feasible cases was studied as well.
誌謝 i
中文摘要 iii
Abstract v
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xiv
第1章 緒論 1
1.1 前言與研究動機 1
1.2 文獻回顧及研究方法 6
1.3 論文架構 8
第2章 液晶配向與薄膜分光原理 10
2.1 配向膜及配向技術 10
2.1.1 配向膜簡介 11
2.1.2 配向理論 13
2.1.3 配向技術 15
2.2 分光理論 17
2.2.1 薄膜分光簡介 17
2.2.2 奈米結構分光簡介 19
第3章 微、奈米試樣製程設備 25
3.1 原子力顯微鏡簡介 25
3.2 原子力顯微鏡操作原理 27
3.2.1 微探針 28
3.2.2 光學感測器 30
3.2.3 壓電陶瓷掃描平台及控制系統 31
3.3 實驗儀器架設 33
3.4 微、奈米結構製作 34
3.4.1 凹痕結構製作 34
3.4.2 凸紋結構製作 35
第4章 實驗方法及流程 40
4.1 配向膜製程 40
4.1.1 試片準備流程 41
4.1.2 原子力顯微鏡刻印(Lithography)流程 42
4.2 奈米光柵製程 47
4.2.1 試片準備流程 47
4.2.2 原子力顯微鏡微影(Lithography)流程 48
4.2.3 濕蝕刻流程 55
第5章 實驗結果與分析 57
5.1 配向膜 57
5.1.1 配向工程及光電量測 57
5.1.2 光學異向性(Optical Anisotropy)量測 65
5.2 奈米光柵 67
5.2.1 氧化結構 67
5.2.2 矽光柵 69
第6章 結論 80
參考文獻 82
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