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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:柯隆閔
論文名稱:以離子輔助電子槍蒸鍍法製備多層Notch濾光片
指導教授:林義成教授
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:IADNotch 濾光片光學薄膜離子輔助
外文關鍵詞:IADNotch FiltersOptical thin-film
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摘 要
本論文主要目的是如何利用離子輔助電子槍蒸鍍法製備多層Notch濾光片進行之研究。
首先,要學習薄膜光學的基本理論與相關技術,這包括薄膜光學的特性計算、初始膜系的設計與製備薄膜方法等方面。
接著,先找出高折射率材料Ta2O5與低折射率材料SiO2的最佳之製程參數(IAD電壓與電流、IAD氣體流量、蒸鍍速率),決定最佳光學常數。
最後,利用Ta2O5和SiO2作為光學薄膜高低折射率膜層的設計與應用。
先給出膜層的初始膜堆,接著再利用光學薄膜設計軟體Essential Macleod做膜層優化設計,得到所需的波段效果,來製鍍Notch濾光片。
本研究之所以使用離子輔助,是因為有列優點:提高堆積密度、減少波長漂移、減少膜層的吸收和散射等。


關鍵字:IAD、Notch 濾光片、光學薄膜

The main purpose of is using the ion auxiliary electron gun evaporation to
prepare multi-layer notch filters.
First, we must study the thin-film optics the elementary theory and the
correlation technique. It includes the thin-film optics aspects, the performance
computation, initial membrane department's design and preparation of thin film.
Then, discover high refractive index material Ta2O5 and the low refractive
index material SiO2 best system regulation parameter (The IAD voltage and
electric current, IAD gas flow amount, evaporation speed), decide the best
optical constant.
Finally, takes the optical thin-film height refraction film using Ta2O5 and
SiO2 the design and the application .
Gives the film the initial membrane to pile first, then again , makes the film
optimization design with optical thin-film design software Essential Macleod,
obtains wave band effect which needs, makes plates the notch filters .
The advantages to apply IAD source to assist coating is listed belows:
enhance the packing density, reduce the wavelength drifts, reducs the
Absorption & Scattering.
摘要 …………………………………………………………………… Ⅰ
謝誌 …………………………………………………………………… Ⅲ
目次 …………………………………………………………………… Ⅳ
表次 …………………………………………………………………… VI
圖次 …………………………………………………………………… IX
第一章 緒 論………………………………………………………… 1
第二章 理論基礎與文獻回顧………………………………………… 3
2.1 光學膜之特性.………………………………………………… 3
2.2 光學濾光片設計方法…………………………………………… 4
2.2.1 四分之一波膜堆……………………………………………… 5
2.2.2 對稱膜堆……………………………………………………… 6
2.2.3 帶止濾光片…………………………………………………… 8
2.3 電子槍蒸鍍原理………………………………………………… 9
2.4 離子束助鍍……………………………………………………… 13
2.5 沉積參數與薄膜特性之關係…………………………………… 16
2.5.1 真空度………………………………………………………… 16
2.5.2 蒸鍍速率……………………………………………………… 17
2.5.3 離子束助鍍…………………………………………………… 17
第三章 實驗程序與設備……………………………………………… 23

3.1 實驗流程…………………………………………………………… 23
3.2 實驗材料與試片準備……………………………………………… 23
3.2.1 二氧化矽薄膜蒸鍍……………………………………………… 28
3.2.2 五氧化二鉭薄膜蒸鍍…………………………………………… 29
3.3 真空鍍膜機………………………………………………………… 30
3.3.1 真空系統………………………………………………………… 31
3.3.2 電子槍系統……………………………………………………… 39
3.3.3 離子源系統……………………………………………………… 41
3.3.4 監控系統………………………………………………………… 45
3.4 分光光譜儀—光學常數測定..…………………………………… 47
第四章 實驗結果與分析...…………………………………………… 49
4.1 SiO2單層膜分析…...…………………………………………… 49
4.2 Ta2O5單層膜分析…...………………………………………… 56
4.3 Notch 濾光片之鍍製與分析…………………………………… 67
第五章 結論與未來研究………………………………………………… 73
5.1 結論………………………………………………………………… 73
5.2 未來研究…………………………………………………………… 73
參考文獻………………………………………………………………… 74

表 次
表3-1 SCHOTT N–LAF21 參數表…………………………………… 26
表3-2 OHARA SK–1300 參數表1…………………………………… 27
表3-3 OHARA SK–1300 參數表2…………………………………… 27
表3-4 二氧化矽薄膜實驗參數表……………………………………… 28
表3-5 五氧化二鉭實驗參數表率……………………………………… 30
表3-6 為OTFC-1300DBI真空鍍膜規格一覽表……………………… 31
表3-7 雙級旋轉翼片幫浦規格表……………………………………… 34
表3-8 魯式幫浦規格表………………………………………………… 36
表3-9 Polycold 規格表……………………………………………… 38
表3-10 擴散幫浦參數規格表………………………………………… 39
表3-11 電子槍規格表………………………………………………… 40
表3-12 離子源規格表………………………………………………… 41
表3-13 光學監控系統規程表………………………………………… 46
表4-1 S1………………………………………………………………… 52
表4-2 S2………………………………………………………………… 52
表4-3 S3………………………………………………………………… 52
表4-4 S4………………………………………………………………… 52
表4-5 S5………………………………………………………………… 52
表4-6 S6………………………………………………………………… 52
表4-7 S7………………………………………………………………… 52
表4-8 S8………………………………………………………………… 52
表4-9 S9………………………………………………………………… 53
表4-10 S10……………………………………………………………… 53
表4-11 S11……………………………………………………………… 53
表4-12 S12……………………………………………………………… 53
表4-13 S13……………………………………………………………… 53
表4-14 S14……………………………………………………………… 53
表4-15 S15……………………………………………………………… 53
表4-16 S16……………………………………………………………… 53
表4-17 T1……………………………………………………………… 60
表4-18 T2……………………………………………………………… 60
表4-19 T3……………………………………………………………… 60
表4-20 T4……………………………………………………………… 60
表4-21 T5……………………………………………………………… 61
表4-22 T6……………………………………………………………… 61
表4-23 T7……………………………………………………………… 61
表4-24 T8……………………………………………………………… 61
表4-25 T9……………………………………………………………… 61
表4-26 T10…………………………………………………………… 61
表4-27 T11…………………………………………………………… 62
表4-28 T12…………………………………………………………… 62
表4-29 T13…………………………………………………………… 62
表4-30 T14…………………………………………………………… 62
表4-31 T15…………………………………………………………… 62
表4-32 T16…………………………………………………………… 62
表4-33 T17…………………………………………………………… 62
表4-34 T18……………………………………………………………… 62
表4-35 T19……………………………………………………………… 63
表4-36 T20……………………………………………………………… 63
表4-37 T21……………………………………………………………… 63
表4-38 T22……………………………………………………………… 63
表4-39 T23……………………………………………………………… 63
表4-40 T24……………………………………………………………… 63
表4-41 T25……………………………………………………………… 64
表4-42 T26……………………………………………………………… 64
表4-43 T27……………………………………………………………… 64
表4-44 T28……………………………………………………………… 64
表4-45 T29……………………………………………………………… 64
表4-46 T30……………………………………………………………… 64
表4-47 Notch 濾光片規格表…………………………………………. 67
表4-48 實際蒸鍍之Notch 濾光片厚度表……………………………. 68
表4-49 Notch 未鍍抗反射膜之光譜數據……………………………. 70
表4-50 Notch 加鍍抗反射膜之光譜數據……………………………. 71
表4-51 抗反射膜之數據表……………………………………………… 72

圖 次
圖2-1 在基板Ns 上鍍一層折射率為N,厚度為d 的薄膜………………… 4
圖2-2 四分之一波膜堆穿透率光譜圖……………………………………… 5
圖2-3 對稱膜堆有交互為通帶及截止帶變化的特性……………………… 8
圖2-4 綠色帶止濾光片….………………………………………………… 9
圖2-5 蒸發用電子槍工作原理……………………………………………… 11
圖2-6 電子槍用之各式材料座……………………………………………… 12
圖2-7 離子助鍍鍍膜機示意圖,M 或MOx 為蒸鍍或濺鍍材料之金屬……15
圖2-8 電腦模擬離子輔助蒸鍍示意圖……………………………………… 16
圖2-9 (a)電子槍蒸鍍TiO2 膜之電子顯微鏡照片(b)電漿離子輔助鍍TiO2 膜之電子顯微鏡片………………………………………………………………18
圖2-10 15 層薄膜濾光片(HL)4(LH)4;H 為ZrO2,L 為SiO2(a)沒有
離子助鍍(b)有離子助鍍鍍後放於空氣中光譜飄移之形…………………… 19
圖2-11 電子槍蒸鍍SiO2 輔以氧離子助鍍,由紅外光譜可看出沒有水氣吸收,而一般蒸鍍法之薄膜則會吸收水氣………………………………………19
圖2-12 ZrO2 膜,比較有氧離子助鍍及沒有氧離子助鍍之光譜圖及折射率變化………………………………………………………………………………… 20
圖2-13 TiO2 薄膜表面粗糙度因氧離子助鍍而下降……………………… 20
圖2-14 ZrO2膜在離子助鍍下其折射率非均勻改善的情形………………… 21
圖2-15 TiO2 膜鍍後放於空氣中變化情形(a)一般電子槍鍍(b)電漿離子助鍍………………………………………………………………………………… 22
圖2-16 TiO2 膜置於空氣中後再加熱後的變化情形(a)一般電子槍鍍(b)電漿離子助鍍………………………………………………………………………… 22
圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………………… 24
圖3-2 Ta2O5 顆粒狀…………………………………………………… 25
圖3-3 Ta2O5 融煉狀…………………………………………………… 25
圖3-4 SiO2 顆粒狀…………………………………………………… 25
圖3-5 SiO2 使用後…………………………………………………… 25
圖3-6 洗淨籃…………………………………………………………… 25
圖3-7 基板清洗流程圖………………………………………………… 26
圖3-8 鍍膜片…………………………………………………………… 25
圖3-9 鍍膜鍋…………………………………………………………… 25
圖3-10 二氧化矽薄膜實驗參數……………………………………… 28
圖3-11 五氧化二鉭實驗參數………………………………………… 29
圖3-12 抽氣流程圖…………………………………………………… 32
圖3-13 派藍尼真空計………………………………………………… 32
圖3-14 冷陰極真空計………………………………………………… 33
圖3-15 雙級旋轉翼片幫浦…………………………………………… 34
圖3-16 雙級旋轉翼片幫浦…………………………………………… 34
圖3-17 雙級旋轉翼片幫浦抽氣速率圖……………………………… 35
圖3-18 魯式幫浦……………………………………………………… 36
圖3-19 魯式幫浦……………………………………………………… 36
圖3-20 Polycold…………………………………………………… 38
圖3-21 擴散幫浦……………………………………………………… 38
圖3-22 擴散幫浦……………………………………………………… 38
圖3-23 擴散幫浦抽氣速率圖………………………………………… 39
圖3-24 掃描控制器…………………………………………………… 39
圖3-25 電子槍體……………………………………………………… 39
圖3-26 電子槍電源…………………………………………………… 40
圖3-27 腔體內部電子槍……………………………………………… 40
圖3-28 離子源本體…………………………………………………… 41
圖3-29 控制單元……………………………………………………… 41
圖3-30 離子源概略圖………………………………………………… 42
圖3-31 電勢圖………………………………………………………… 43
圖3-32 中和器概略圖………………………………………………… 44
圖3-33 數據處理器…………………………………………………… 45
圖3-34 分光器………………………………………………………… 45
圖3-35 光學監控控制系統圖………………………………………… 46
圖3-36 石英振盪器…………………………………………………… 46
圖3-37 Lambda 950…………………………………………………… 47
圖3-38 光路圖…………………………………………………………… 48
圖4-1 S1………………………………………………………………… 50
圖4-2 S2………………………………………………………………… 50
圖4-3 S3………………………………………………………………… 50
圖4-4 S4………………………………………………………………… 50
圖4-5 S5………………………………………………………………… 50
圖4-6 S6………………………………………………………………… 50
圖4-7 S7………………………………………………………………… 50
圖4-8 S8………………………………………………………………… 50
圖4-9 S9..……………………………………………………………… 51
圖4-10 S10……………………………………………………………… 51
圖4-11 S11……………………………………………………………… 51
圖4-12 S12……………………………………………………………… 51
圖4-13 S13……………………………………………………………… 51
圖4-14 S14……………………………………………………………… 51
圖4-15 S15……………………………………………………………… 51
圖4-16 S16……………………………………………………………… 51
圖4-17 SiO2 折射率分佈圖…………………………………………… 54
圖4-18 SiO2 消光系數分佈圖………………………………………… 55
圖4-19 T1……………………………………………………………… 56
圖4-20 T2……………………………………………………………… 56
圖4-21 T3……………………………………………………………… 57
圖4-22 T4……………………………………………………………… 57
圖4-23 T5……………………………………………………………… 57
圖4-24 T6……………………………………………………………… 57
圖4-25 T7……………………………………………………………… 57
圖4-26 T8……………………………………………………………… 57
圖4-27 T9……………………………………………………………… 57
圖4-28 T10…………………………………………………………… 57
圖4-29 T11……………………………………………………………… 58
圖4-30 T12……………………………………………………………… 58
圖4-31 T13……………………………………………………………… 58
圖4-32 T14……………………………………………………………… 58
圖4-33 T15……………………………………………………………… 58
圖4-34 T16……………………………………………………………… 58
圖4-35 T17……………………………………………………………… 58
圖4-36 T18……………………………………………………………… 58
圖4-37 T19……………………………………………………………… 59
圖4-38 T20……………………………………………………………… 59
圖4-39 T21……………………………………………………………… 59
圖4-40 T22……………………………………………………………… 59
圖4-41 T23……………………………………………………………… 59
圖4-42 T24……………………………………………………………… 59
圖4-43 T25……………………………………………………………… 59
圖4-44 T26……………………………………………………………… 59
圖4-45 T27……………………………………………………………… 60
圖4-46 T28……………………………………………………………… 60
圖4-47 T29……………………………………………………………… 60
圖4-48 T30……………………………………………………………… 60
圖4-49 Ta2O5 折射率分佈圖………………………………………… 65
圖4-50 Ta2O5 消光系數分佈圖………………………………… …… 66
圖4-51 Notch濾光片設計圖…………………………………………… 67
圖4-52 優化後之Notch 濾光片結果圖……………………………… 68
圖4-53 Notch濾光片之實際光譜圖…………………………………… 70
圖4-54 抗反射膜之光譜圖..…………………………………………… 72
參考文獻
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[17]http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspxsku=A36701935.
[18] http://www.edwardsvacuum.com/Products/A30590935/View.aspx.
[19] http://www.hakuto.com.tw/FCKeditor_upload/P%20and%20PFC%20series.pdf.
[20] 保勝OPTORUN OTFC-1300 操作手冊
[21] 保勝教育訓練 102ChainaMaintenance.pdf.
[22] http://www.optorun.co.jp/cn/products/components/rfionsource/ois-twoois-two-plus.html.
[23] http://www.optorun.co.jp/cn/products/components/optimon/hom2.html.
[24] 康皓翔, PerkinElmer UV/VIS/NIR Lambda 950 教育訓練課程
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