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研究生:邱冠?
論文名稱:相變化材料雷射奈米加工研究
論文名稱(外文):Laser Nano Processing on Phase-change Materials
指導教授:蔡定平江海邦
指導教授(外文):Din Ping TsaiHai Pang Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:光電科學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:相變化材料
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本論文我們嘗試利用光的熱能量來製作出小於次波長的奈米結構。我們使用對熱能敏感的相變化材料Ge2Sb2Te5作為樣品,並且使用氦氖(He-Ne)紅光氣體連續雷射做為光源,此雷射波長633nm,功率35mW。樣品放置於奈米平移台上利用移動台移動來製作出我們想要的結構,製作完成的樣品送至原子力顯微鏡做線寬量測,並且利用CCD拍攝穿透圖及反射圖。
我們濺鍍上各種不同膜厚的Ge2Sb2Te5層,實驗相變化層膜厚的改變是否對雷射寫下的結晶線寬影響,接著改變雷射寫入功率,探討雷射寫入功率對結晶線寬的影響。由於奈米平移台的移度速度可由電腦操作,因此我們改變平移台的移動速度,實驗平移台移動速度對結晶線線寬的影響,最後藉著改變雙線間距,針對雙線之間尚未相變化的部分做線寬量測。
有了以上實驗的參數,我們嘗試製作各種不同的奈米結構,我們製作的有圓陣列、螺旋陣列、Chiral結構以及西洋棋盤結構。實驗結果顯示利用此系統我們可以以簡單、快速且低成本的方式製作出小於次波長的奈米結構。
由於製作出來的結構因為本身材料特性的不同,未來我們可以利用蝕刻的方式製作出各種不同的光學元件。
目錄
口試委員會審定書....................................................................................I
誌謝...........................................................................................................II
中文摘要..................................................................................................IV
英文摘要 (Abstract)................................................................................V
目錄..........................................................................................................VI
圖目錄.......................................................................................................X
表目錄.................................................................................................XVII
第一章 緒論..............................................................................................1
1.1前言......................................................................................................1
1.2奈米微影術介紹..................................................................................3
1.2.1微影術定義.......................................................................................3
1.2.2光微影術...........................................................................................4
1.2.3光學微影之優缺點...........................................................................7
1.2.4電子束微影術...................................................................................8
1.2.5電子束微影術之優缺點..................................................................12
1.2.6其他製作奈米結構技術..................................................................12
第二章 實驗儀器基本架構.....................................................................13
2.1前言.....................................................................................................13
2.2樣品介紹.............................................................................................13
2.2.1相變化材料......................................................................................13
2.2.2結晶過程類型..................................................................................16
2.2.3相變化材料Ge2Sb2Te5結構............................................................18
2.3樣品製備.............................................................................................22
2.3.1四靶濺鍍機......................................................................................22
2.3.2濺鍍機工作原理..............................................................................22
2.3.3濺鍍方法..........................................................................................23
2.3.4薄膜製作流程..................................................................................23
2.4實驗架構及儀器介紹.........................................................................25
2.4.1實驗架構..........................................................................................25
2.4.2儀器介紹..........................................................................................27
2.5原子力顯微鏡.....................................................................................30
2.5.1儀器簡介及用途..............................................................................30
2.5.2工作操作模式..................................................................................31
2.6熱微影與光微影之差異.....................................................................33
第三章 實驗討論與分析.........................................................................34
3.1前言.....................................................................................................34
3.2雷射功率分析.....................................................................................34
3.3功率、膜厚對線寬關係......................................................................35
3.3.1 15nm厚度的GST膜層實驗...........................................................36
3.3.2 20nm厚度的GST膜層實驗...........................................................40
3.3.3 25nm厚度的GST膜層實驗...........................................................43
3.3.4 30nm厚度的GST膜層實驗...........................................................47
3.4奈米平移台移動速度對線寬影響.....................................................52
3.5改變雙線間距測量所夾之線的線寬.................................................57
3.6各種結構製作.....................................................................................60
第四章 結論............................................................................................64
參考文獻..................................................................................................66
表目錄
表1.2.2(a)單狹縫與圓孔繞射位置之比較表…………………..……….5
表1.2.4(a) ArF雷射微影方式示意表……………………………………8
表2.2.3(a)結晶態與非晶態特性參數表………..…………….………..21
表2.4.2(a)實驗用之快門規格表…………………………………….....27
表2.4.2(b)實驗用之物鏡規格表……………………………………….28
表2.4.2(c) nanodriver規格表..………………………………..………..29
表3.2(a)入射顯微鏡之前之雷射功率與入射後之功率比較表……....35
表3.3.4(a)功率對各個膜厚所寫下的線寬統計表 線寬單位:nm.……51
圖目錄
圖1.1a Moore’s Law 示意圖 , 上虛線為預測電晶體數目曲線 , 下虛線為Intel歷代CPU電晶體數目...............................................................2
圖1.2.1(a)微影術分類示意圖...................................................................3
圖1.2.2(a)微影製程示意圖,光源通過設計好的光罩後,經由曝光系統將光罩圖形照射在晶圓上,晶圓上曝光部份經過顯影後,由蝕刻或舉離的方式將圖樣轉印至晶圓上....................................................................4
圖1.2.2(b)上光阻和蝕刻流程之步驟.......................................................5
圖1.2.2(c)兩發光體可解像之最近距離示意圖.......................................6
圖1.2.4(a)電子束直寫機內部構造簡略圖…...........................………..10
圖 2.2.1(a)相變化材料非晶相(amorphous)與結晶相(crystalline)之晶格排列示意圖。(b)相變化轉變間,溫度與焓之關係圖,圖中紅色實線代表加熱過程,藍色虛線代表降溫過程。..……………………………….15
圖 2.2.1(c)結晶相與非晶相之間Gibbs自由能的差異.........................16
圖2.2.2(a)成核型(nucleation-driven)與成長型(growth-driven)的結晶機制示意圖..................................................................................................17
圖2.2.3(a)氯化鈉(NaCl)之晶格結構為面心立方(b)雷射加熱結晶的Ge2Sb2+xTe5 晶格結構也屬於面心立方 (c)整個結構的治金系統模型(metallurgical organization model)……………………………………...19
圖2.2.3(d)Ge2Sb2Te5 非晶相粉末之熱差掃瞄分析儀測量結果..........20
圖2.2.3(e)亞穩態之Ge2Sb2Te5晶格結構圖 (b)穩定態之Ge2Sb2Te5晶格結構圖.................………………………….………………………23
圖2.3.4(a)濺鍍機內部構造示意圖................................………..…..….25
圖2.4.1(a)平移台製作奈米結構實驗架構圖......................………..….26
圖2.4.2(a)實驗用之快門實體照片………………………………...…..27
圖2.4.2(b)實驗用之奈米平移台實體照片…...………………………..28
圖2.4.2(c)實驗用之Nanodriver實體照片..............................................29
圖2.5.1(a)原子間作用力與原子間距離的關係圖………………….....31
圖2.6(a) 光能量高斯分布示意圖..........................................................33
圖2.6(b) 光微影與熱微影於光能量分布反應區域示意圖..................33
圖3.2(a)雷射功率量測示意圖.....................................................……...34
圖3.2(b)經過物鏡之雷射對未入射顯微鏡之前雷射功率比較圖........35
圖3.3.1(a) 15nmGST CCD穿透圖 圖3.3.1(b) 15nmGST CCD反射圖 功率由左至右為8mW、7mW,每一mW遞減至2mW(入射至顯微鏡前之功率),共七條線,scale bar 為5μm………………………...……..36
圖3.3.1(c)雷射功率8mW AFM(d) 雷射功率7mW AFM表面形貌圖(e) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(f) 雷射功率5mW AFM表面形貌圖(g) 雷射功率4mW AFM表面形貌圖(h) 雷射功率3mW AFM表面形貌圖(i) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖..........................……..…….38
圖3.3.1(j)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(k) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(l) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖.....................................39
圖3.3.2(a) 20nm GST CCD 穿透圖 圖3.3.2(b) 20nm GST CCD反射圖 功率由左至右為8mW、7mW,每一mW遞減至2mW(入射至顯微鏡前之功率),共七條線,scale bar 為5μm…………………….................40
圖3.3.2(c)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(d) 雷射功率7mW AFM表面形貌圖(e) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(f) 雷射功率5mW AFM表面形貌圖(g) 雷射功率4mW AFM表面形貌圖(h) 雷射功率3mW AFM表面形貌圖(i) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖.....………..….42
圖3.3.2(j)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(k) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(l) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖................…………….43
圖3.3.3(a) 25nm GST CCD穿透圖 圖3.3.3(b) 25nm GST CCD 反射圖 功率由左至右為8mW、7mW,每一mW遞減至2mW(入射至顯微鏡前之功率),共七條線,scale bar 為5μm……………………….………43
圖3.3.3(c)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(d) 雷射功率7mW AFM表面形貌圖(e) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(f) 雷射功率5mW AFM表面形貌圖(g) 雷射功率4mW AFM表面形貌圖(h) 雷射功率3mW AFM表面形貌圖(i) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖.........................................................................……….………………45
圖3.3.3(j)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(k) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(l) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖………….……………46
圖3.3.4(a) 30nm GST CCD穿透圖 圖3.3.4(b) 30nm GST CCD反射圖 功率由左至右為8mW、7mW,每一mW遞減至2mW(入射至顯微鏡前之功率),共七條線,scale bar 為5μm………………………...……..47
圖3.3.4(c)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(d) 雷射功率7mW AFM表面形貌圖(e) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(f) 雷射功率5mW AFM表面形貌圖(g) 雷射功率4mW AFM表面形貌圖(h) 雷射功率3mW AFM表面形貌圖(i) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖........................49
圖3.3.4(j)雷射功率8mW AFM表面形貌圖(k) 雷射功率6mW AFM表面形貌圖(l) 雷射功率2mW AFM表面形貌圖................................….50
圖3.3.4(c)線寬對各個GST膜層厚度統計圖.....................................…51
圖3.4(A)平移台移動速度75μm/s AFM表面形貌圖(B) 平移台移動速度30μm/s AFM表面形貌圖(C) 平移台移動速度15μm/s AFM表面形貌圖(D) 平移台移動速度5μm/s AFM表面形貌圖(E) 平移台移動速度3μm/s AFM表面形貌圖.................................……………………….53
圖3.4(F) 線寬對平移台移動速度關係圖(1)……….............................54
圖3.4(G)平移台移動速度75μm/s AFM表面形貌圖(H) 平移台移動速度30μm/s AFM表面形貌圖(I) 平移台移動速度15μm/s AFM表面形貌圖(J) 平移台移動速度5μm/s AFM表面形貌圖(K) 平移台移動速度3μm/s AFM表面形貌圖..............................................................…..…..55
圖3.4(L)線寬對平移台移動速度關係圖(2)………..……………….....56
圖3.4(M)熱擴散示意圖…………...…………………………………....57
圖3.5a改變雙線間距CCD穿透圖………………………………...…. 58
圖3.5(b)雙線間隔1μm AFM表面形貌圖(c)雙線間隔800nm AFM表面形貌圖(d) 雙線間隔600nm AFM表面形貌圖(e) 雙線間隔500nm AFM表面形貌圖(f) 雙線間隔450nm AFM表面形貌圖(g) 雙線間隔400nm AFM表面形貌圖(h) 雙線間隔350nm AFM表面形貌圖(i) 雙線間隔200nm AFM表面形貌圖……………………………………….60
圖3.6(a) 半徑1μm圓陣列………………………………...…………...61
圖3.6(b) 半徑1.5μm圓陣列…..……………………………………….61
圖3.6(c) 半徑2μm圓陣列……………………….………………….....61
圖3.6(d) 雷射功率8mW 螺旋圖…………………………………..….61
圖3.6(e) 雷射功率2mW螺旋圖…………………….…….…………..61
圖3.6(f) 2D-chiral structure 圖…………………..…………………….62
圖3.6(g) 10X物鏡拍攝之Checker圖………………..……...…………62
圖3.6(h) 100X物鏡拍攝之Checker圖……………………….………..63
參考文獻
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