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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王浩維
研究生(外文):WANG, HAO-WEI
論文名稱:親疏水效應對於高密度微透鏡陣列形成之研究
論文名稱(外文):Research on the Effect of Surface Tension for Fabricating of High Density Microlens Array
指導教授:洪國永莊昀儒
指導教授(外文):HUNG, KUO-YUNGCHUANG, YUN-JU
口試委員:洪國永鍾永強莊昀儒
口試委員(外文):HUNG, KUO-YUNGCHUNG, YUNG-CHIANGCHUANG, YUN-JU
口試日期:2015-07-31
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機械工程系機械與機電工程碩士班
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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:親疏水效應透鏡自主裝成型高密度微透鏡陣列掀離技術
外文關鍵詞:Hydrophilic-HydrophobicSelf-assembly lenses formingHigh density microlens arrayLift-off
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微透鏡陣列(Micro-Lens Array, MLA )主要將光做有效應用,使光線及能量得以均勻化,為目前微結構製程技術中應用最廣泛的產品之一,常應用於單片或多片式投影機、照明集光系統、多通道光通訊、生醫晶片多通道檢測等系統,在不同科技領域中扮演著關鍵元件角色。
微透鏡陣列(MLA)隨著微細加工技術的發展,近年來已有許多不同類型的製程技術被陸續發表,因此在未來科技持續地發展下,微透鏡陣列結構的實際性應用必會出現在更多元化的科技應用上。本論文擬以新穎之微製造技術製作微陣列透鏡,並研究不同材料親疏水效應對於高密度微透鏡陣列形成之效益。微透鏡陣列結構採用高分子材料(polymer)SOG,配合掀離(lift-off)製程技術,SOG滴入後以漸升溫的方式固形,藉由鐵氟龍的疏水效應可將SOG斷開,並利用自主裝方式使得充分填滿於整個框架裡的SOG能形成直徑各為2.2μm及3.2μm、厚度約為2μm之微透鏡陣列。對於微透鏡陣列模具為求尺寸精準,本論文對於顯影、乾式蝕刻與濕式蝕刻時間做參數之調控,增加其透鏡陣列尺寸的精確性。
此技術若能開發成功,之後搭配光學開發軟體ZEMAX針對高密度、高精度微透鏡陣列於消費性電子產品之廣泛應用,使其光源能夠均勻地照亮在整個屏幕之效率以及將整體畫素提高並且期望能縮小體積。
Micro lens array (Micro-Lens Array, MLA) mainly uses to make light and energy uniform. It is one of the most widely used products in the microstructure process technology. Commonly used in single-chip or multi-chip projectors, lighting collection systems, multi-channel optical communication, multi-channel detection of biomedical chips and other systems. It plays a key component role in different technological fields.
With the development of micromachining technology, many different types of microlens process technologies have been published in recent years. Therefore, with the continuous development of science and technology in the future, the practical application of the microlens array structure will certainly appear in more diversified technology applications. This paper intends to use novel micro-fabrication technology to make micro-array lenses, and to study the effect of different materials on hydrophilic and hydrophobic effects on the formation of high-density micro-lens arrays. The structure of micro-lens array uses polymer SOG in conjunction with lift-off process technology. After dripping, the SOG solidified by heating gradually. SOG can be disconnected one-by-one by the hydrophobic effect of Teflon. And using the self-assembly method, the SOG fully filled in the entire frame can form a microlens array with a diameter of 2.2 μm and 3.2 μm, and a thickness of about 2 μm. For the precision of the size of the microlens array mold, this paper adjusts the parameters of development, dry etching and wet etching time to increase the accuracy of the lens array size.
If this technology can be successfully developed, it will be used with optical development software ZEMAX for the wide application of high-density and high-precision microlens arrays in consumer electronics products, so that its light source can evenly illuminate the entire screen and improve the overall pixel, and expect to reduce the size.
目錄
口試委員會審定書............................................................ i
中文摘要 ......................................................................... ii
英文摘要 ........................................................................ iii
目錄 ................................................................................ iv
圖目錄 ........................................................................... vii
表目錄 ........................................................................... xv
第一章 緒論 ................................................................... 1
1.1前言......................................................................... 1
1.2 研究動機與目的................................................... 5
第二章 文獻回顧 ........................................................... 7
2.1傳統透鏡加工......................................................... 7
2.2微透鏡製作技術..................................................... 8
2.2.1熱融法 .......................................................... 8
2.2.2 模造熱壓印法............................................ 11
2.2.3 微粒滴法.................................................... 17
2.2.4 灰階光罩法 .............................................. 18
2.2.5 Self-Organization法 .................................. 18
2.2.6 靜電力調變法 .......................................... 20
2.2.7準分子雷射加工法 .................................... 22
2.3親疏水效應........................................................... 23
第三章 實驗設備及材料特性 ..................................... 27
3.1 實驗機台............................................................. 27
3.1.1 旋佈機.......................................................... 27
3.1.2 Hot Plate........................................................ 28
3.1.3 曝光機.......................................................... 29
3.1.4 乾式蝕刻...................................................... 31
3.1.5 濕式蝕刻...................................................... 33
3.2 材料介紹............................................................. 35
3.2.1 AZ正型光阻之材料特性 ........................... 35
3.2.2 鐵氟龍之材料特性...................................... 38
第四章 ZEMAX模擬高密度微透鏡陣列及製程流程圖 ................................................................................... 39
4.1 高密度微透鏡陣列應用與模擬......................... 39
4.1.1 ZEMAX軟體介紹[36] ................................. 39
4.1.2 系統介面...................................................... 41
4.1.3 微透鏡陣列模擬.......................................... 43
4.2 光罩尺寸............................................................. 47
4.3 製程設計............................................................. 47
4.3.1製程設計(一) ................................................ 47
4.3.2製程設計(二) ................................................ 49
4.3.3製程設計(三) ................................................ 50
第五章 實驗結果分析與討論....................................... 52
5.1 親疏水之測試..................................................... 52
5.2 微透鏡陣列結果之比較..................................... 54
5.2.1實驗(一) ........................................................ 54
5.2.2實驗(二、三) .................................................. 61
第六章 結論與未來工作 ............................................. 64
參考文獻 ....................................................................... 65

圖目錄
圖1.1 3M公司2010年2月所推出的產品MPro150 ......... 2
圖1.2 3M Mpro內部透鏡組 ............................................ 2
圖1.3整合立體顯微鏡、金相顯微鏡及電子顯微鏡(SEM) ............................................................................... 3
圖1.4 KEYENCE公司VHX-1000產品圖 ...................... 4
圖1.5 CMOS製程流程圖。圖片來源:采鈺科技股份有限公司 ............................................................................. 4
圖1.6 微透鏡設計示意圖1.............................................. 6
圖1.7 微透鏡設計示意圖2.............................................. 6
圖1.8利用不同材質製做出高密度連續性之微透鏡陣列 ..................................................................................... 6
圖2.1 傳統光學透鏡流程圖 .......................................... 8
圖2.2 加工過程實體照片(a)~(c) .................................... 8
圖2.3 樹脂透鏡陣列的製程流程圖[1] ........................ 10
圖2.4 透鏡陣列側向SEM圖[1] .................................... 10
圖2.5 次微米間隙透鏡陣列製程流程圖[2] ……….... 11
圖2.6 透鏡陣列SEM圖[2] ……………………............ 11
圖2.7 金屬模具結構及其示意圖 ................................ 12
圖2.8 熱壓印製作出之透鏡 ........................................ 12
圖2.9 AZ4620所製作的微光學透鏡[9] …………….... 13
圖2.10AZ4620所製作的微光學透鏡電鑄Ni-Co後所形成的母模[9] ....................................................................... 13
圖2.11電鑄Ni-Co後熱壓印的微透鏡陣列[9] .............. 14
圖2.12 氣體輔助熱壓設備與製作過程示意圖[10]..... 14
圖2.13 矽模具與微透鏡[10] ........................................ 15
圖2.14軟性滾筒示意圖[11-12] ..................................... 15
圖2.15軟性滾筒壓印設備示意圖[11-12] ..................... 16
圖2.16微型非球面透鏡製程流程圖[13]…................... 16
圖2.17塑膠非球面透鏡(COC Lens)側拍圖[13] ........... 17
圖2.18微液滴法利用噴墨設備製作示意圖[14] .......... 18
圖2.19 灰階光罩法示意圖[15] .................................... 18
圖2.20製程示意圖[16] .................................................. 19
圖2.21透鏡成形圖[16] .................................................. 19
圖2.22 NOA65旋佈上模具[17] .................................... 20
圖2.23透鏡成形後經由SEM及表面干涉儀拍攝圖[17] ................................................................................. 20
圖2.24 陣列化製造雙凸透鏡實品圖[18] .................... 21
圖2.25陣列透鏡側拍圖[18] .......................................... 21
圖2.26 精準度±0.5μm之折射式微透鏡[19] ................ 22
圖2.27準分子雷射之微透鏡表面粗糙度量測[19] ...... 22
圖2.28自潔性示意圖表面,左圖為一般無奈米結構之表面,右圖為巨有超疏水表面之結構。(國立科學工藝博物館-奈米新世界) ......................................................... 24
圖2.29 METMS混合微/奈米SiO2顆粒噴塗在鋁及銅表面,所占百分比為0%、100%、50%、80%與表面接觸角之變化[21] ................................................................. 25
圖2.30 METMS混合微/奈米SiO2顆粒噴塗在鋁及銅表面後以烤箱烘烤400℃,左邊為鋁表面成為親水面接觸角為15°,右邊銅表面其接觸角為10°[21] .................. 25
圖 2.31左圖為經過PDMS表面改質之疏水性表面,接觸角為103.5°,右邊為一般玻璃表面,其表面為親水性,接觸角為59.9°[22] ......................................................... 25
圖 2.32左圖為經過氨水電漿表面改質前後表面粗糙度,改質前表面粗糙度為15~20nm,改質後上升至約25nm,右邊經過氧氣電漿表面改質前後表面粗糙度,改質前表面粗糙度為15~20nm,改質後上升至約25~30nm [23] ................................................................. 26
圖3.1旋轉塗佈機旋佈光阻時的示意圖[24] ................ 27
圖3.2本研究所使用之旋佈機 ..................................... 28
圖3.3為加熱形式示意圖[24] ........................................ 28
圖3.4實驗用之Hot Plate ................................................ 29
圖3.5接觸式及投影式曝光技術(a)接觸式[26],(b)投影式[27],(c)以10倍光罩進行Rate and Repeat 概念圖[28] ................................................................................. 30
圖 3.6本論文使用科毅公司之接觸式曝光機……...…30
圖3.7非等向性蝕刻薄膜橫截面輪廓[24] .................... 31
圖3.8 上下電極板與RF電源供應裝置所構成的電漿產生器[24] …………………………………………….….32
圖 3.9 聚昌科技股份有限公司反應式離子蝕刻機 .. 33
圖3.10 薄膜經等向性蝕刻後之輪廓圖[24] ................ 33
圖3.11 以濕式蝕刻法進行薄膜蝕刻,蝕刻溶液與薄膜所進行的反應機制[24] ……………………………..... 34
圖3.12酚醛樹脂(Novolac Resin)之化學結構[34] ........ 35
圖3.13感光劑的種類及化學結構[34] .......................... 36
圖3.14正型光阻經由曝光之後的反應機制[34] …….. 36
圖3.15 正型光阻與負型光阻經由曝光之後的差異性 ................................................................................... 37
圖3.16 氟系樹脂原子結構(a)聚四氯乙烯 (b)氟化乙丙烯 (c)全氟烯[23]……………………………………….38
圖4.1 蒼蠅的復眼被科學家用來微透鏡陣列結構的概念..................................................................................... 39
圖4.2 微透鏡陣列模擬陰影圖 .................................... 40
圖4.3 光線經過透鏡陣列後之2D彩色照度圖,經由微透鏡陣列能將光源均勻的呈現......................................... 41
圖4.4 初始鏡面設定LDE介面由OBJ、STO、IMA調整 ……………………………………........................... 41
圖4.5 在surf type的下拉式選單中有許多的模式可以選擇,我們在此選擇User Defind(用戶自定義)以及US_ARRAY.DLL. ......................................................... 42
圖4.6 可依照用戶的透鏡材料不同輸入Index nd以及Abee Vd,創建屬於自己的模組................................... 42
圖4.7 以NOA63材料模擬: (a)2D彩色照度圖 (b)光點分布圖 (c)相對照度圖(d) 2D陰影圖................................ 44
圖4.8 以AZ5214材料模擬a.2D彩色照度圖b.光點分布圖c.相對照度圖d.2D陰影圖……………………..….…45
圖4.9 以SOG材料模擬a.2D色照度圖b.光點分布圖c相對照度圖d.2D陰影圖 ................................................... 46
圖4.10 光罩示意圖……………………………….……47
圖4.11 製程設計(一) .................................................... 48
圖4.12 製程設計(二) .................................................... 50
圖4.13 製程設計(三) .................................................... 51
圖5.1 側拍顯微鏡之示意圖,其中分為燈源及導光管、顯微鏡、CCD、量測載台這幾部分 .............................. 52
圖5.2 AZ5214旋佈在玻璃表面上,量測其接觸角(a) 10μm水珠在AZ5214表面上的的形貌,(b)量測水珠左邊之接觸角為71.565°(c) 量測水珠右邊之接觸角為68.73° ..............................................................................53
圖5.3 Teflon旋佈在玻璃表面上,量測其接觸角(a) 10μm水珠在Teflon表面上的的形貌,(b)量測水珠左邊之接觸角為116.87° (c) 量測水珠右邊之接觸角為116.472° . 53
圖5.4 SOG旋佈在玻璃表面上,量測其接觸角(a) 10μm水珠在SOG表面上的的形貌,(b)量測水珠左邊之接觸角為79.455°(c) 量測水珠右邊之接觸角為79.758°..... 53
圖5.5 10μm水珠在玻璃表面上,量測其接觸角(a)在glass表面上的的形貌,(b)量測水珠左邊之接觸角為45.154° (c) 量測水珠右邊之接觸角為47.759° ......................... 54
圖5.6顯影時間未達到精準,尺寸過度偏差.................. 55
圖5.7顯影時間未達到精準,尺寸過度偏差,濕式蝕刻即有問題 ....................................................................... 55
圖5.8 顯影最佳參數,可以做出光罩尺寸為:3.2um*3.2um,而顯影尺寸:3.0um~3.5um,CD loss%為1.58~4.48% ................................................................ 55
圖5.9 顯影最佳參數,可以做出光罩尺寸為:2.2um*2.2um,而顯影尺寸:2.0um~2.5um,CD loss%為4.43~6.38% ................................................................ 56
圖5.10 經過前端精準的濕蝕刻後以背光拍攝:光罩尺寸為:3.2um*3.2um,而蝕刻完尺寸:3.0um~3.5um,CD loss%為1.58~4.48% ....................................................... 57
圖5.11 本實驗室自行架設之光點測試系統示意圖.... 58
圖5.12 本實驗室自行架設之光點測試系統 .............. 58
圖5.13 為2.2μm*2.2μm之光點圖其光點尺寸(spot size)平均為24 pixels (0.94μm) ……….……………………..59
圖5.14 為3.2μm*3.2μm之光點圖其光點尺寸(spot size)平均為35 pixels (1.37μm)…………….……………….. 59
圖5.15 填充完透鏡材料SOG,欲將剩餘的Ag及Cr蝕刻 ................................................................................... 60
圖5.16 以丙酮沖洗,將上面的光阻及鐵氟龍移除再蝕刻金屬,結果SOG材料會比鐵氟快掀離...................... 60
圖5.17 金蝕刻液浸泡4hr後大部分的金皆可被掀離 ……………………………………………………... 61
圖5.18 浸泡金蝕刻液4.5hr、Cr蝕刻液0.5hr後大部分的金屬層皆可被掀離,圓圈處為有上SOG的結構,金屬蝕刻液無法滲進去 ........................................................... 61
圖5.19 將鐵氟龍蝕刻後便填入SOG透鏡材料,因為鐵氟龍的疏水性關係,在底部會型成像是圓形透鏡的型狀 ................................................................................... 62
圖5.20 將鐵氟龍蝕刻後便填入SOG透鏡材料,以AZ 5214微透鏡層,其中一部分的spot size約為37 pixels (1.45μm) ......................................................................... 62
圖5.21 調變焦距可看到光點成形的位置改變。其spot size約為45 pixels (1.84μm)............................................ 63

表目錄

表2.1 不同退火時間的感光度比較[1] .......................... 9
表2.2 微透鏡製作技術類型 ........................................ 23
表3.1 正負型光阻的差異性[35] .................................. 37
表4.1 SOG、AZ、NOA63之index及Abee ……………43
表5.1 不同材質表面之接觸角………………...………54
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