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博碩士論文 etd-0725107-191542 詳細資訊
Title page for etd-0725107-191542
論文名稱
Title
聚焦離子束對矽與玻璃奈米加工的探討
Study on nano fabrication of silicon and glass by focused ion beam
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
89
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2007-06-25
繳交日期
Date of Submission
2007-07-25
關鍵字
Keywords
沉積、蝕刻、原子力顯微鏡、聚焦離子束
deposition, etching, atomic force microscope, focused ion beam
統計
Statistics
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中文摘要
本文主要研究聚焦離子束(focused ion beam, FIB)對矽、石英玻璃的次微米結構蝕刻及沉積特性。由於聚焦離子束具有高靈敏度和材料蝕刻率,可針對局部直接加工而不需蝕刻光罩等優點。因此本研究利用聚焦離子束直接對矽和石英玻璃直接加工出3D次微米結構。實驗一為研究使用FIB蝕刻在有無濺鍍鉑(pt)金屬之矽表面上,探討結構擴散效應將之與派熱克絲玻璃(pyrex glass)表面鍍鉻(Cr)層比較。實驗二探討石英玻璃表面鍍上一層鉻與矽基材表面度上一層鉑蝕刻加工後的結構並針對結構中央無法達成垂直部分做修改的結果。在實驗三蝕刻溝槽狀結構中利用聚焦離子束在矽基材上直接蝕刻出深度與寬度不等的溝槽,並使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)進行量測,觀察其在加工前之設定與加工後的變化。實驗四以FIB在鍍上一層鉻金屬之石英玻璃上沉積碳(C)材料,設計每組線條間隔不等的距離做沉積的加工,並使用AFM掃描出沉積後的尺寸加以探討。
Abstract
The fabrication characteristic of etching and deposition of focused ion beam (FIB) on the submicron structure of silica and quartz glass was investigated. FIB has several advantages such as high sensitivity, high material removal rate, and direct fabrication in some selected areas without the use of etching mask, etc. In this study, silicon and quartz glass materials etched by FIB were used for fast fabrication of 3-D submicron structures to investigate the differences between the samples before and after fabrication. The expansion effect of silicon with sputtered platinum on surface is compared with Pyrex glass with sputtered chromium on surface. The result shows the side wall of structure in the center wouldn’t be vertical after etching and trimming on the quartz glass and the silicon substrate. Trenches with different depth and width on the surface of silicon were etched by FIB and measured by Atomic Force Microscope. Lines with different interval were deposited by FIB on the surface of quartz glass and were measured by Atomic Force Microscope.
目次 Table of Contents
目錄
誌謝 I
目錄 II
表目錄 IV
圖目錄 VI
中文摘要 IX
英文摘要 X

第1章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 本文架構 5
第2章 FIB及AFM 6
2-1 FIB 6
2-1-1 FIB組成 6
2-1-2 FIB工作原理 12
2-1-3 FIB成像原理 14
2-1-4供氣方式 16
2-1-5掃描參數 17
2-1-6 FIB基本功能 18
2-2AFM 19
2-2-1AFM基本原理 19
2-2-2原子力顯微鏡之訊號紀錄與回饋方式 23
2-2-3力曲線模式 23
第3章 實驗步驟 26
3-1 FIB儀器 26
3-2 AFM儀器 30
3-3 實驗步驟 34
第4章 實驗結果與討論 40
4-1 實驗一 41
4-2 實驗二 46
4-3 實驗三 49
4-4實驗四 60
第5章 結論與未來展望 72
5-1 結論 72
5-2 未來展望 73
參考文獻 74


表目錄
表2-1 離子柱組成元件及功能 9
表2-2 比較聚焦式離子束和掃描式電子顯微鏡的成像原理 14
表3-1 SMI3050SE FIB-SEM Hybrid system規格表 28
表3-2 雙束型聚焦離子束性能圖 29
表3-3 AFM儀器規格 31
表3-4 微懸臂資料 33
表3-5 四組線條加工尺寸 37
表3-6 設計沉積線條之尺寸 39
表4-1 6um*6um回字型結構設定尺寸、機台參數與加工結果 44
表4-2 FIB蝕刻設定參數 47
表4-3 FIB設定參數 50
表4-4 76nm線寬掃描參數 52
表4-5 114nm線寬掃描參數 53
表4-6 44nm線寬掃描參數 55
表4-7 66nm線寬掃描參數 56
表4-8 利用AFM掃描出各個線條的線寬與線深 57
表4-9 溝槽設定寬度與轉印線條寬度比較 62
表4-10 FIB沉積線條的加工參數 62
表4-11 AFM掃描沉積線條參數 63
表4-12 使用AFM掃描出沉積線條之高度 69

圖目錄
圖2-1 FIB組成元件 6
圖2-2 液態金屬離子源 9
圖2-3 FIB之離子柱結構 11
圖2-4 離子束撞擊樣品表面所產生的二次電子與中性原子 14
圖2-5 訊號放大意示圖 15
圖2-6 成像方塊圖 16
圖2-7 FIB 氣體供應概念圖 16
圖2-8 掃瞄參數圖 17
圖2-9 原子力顯微鏡原理示意圖 20
圖2-10 原子與原子之間的作用力因為距離的不同而有所不同 21
圖2-11 加在z掃描管上的週期性三角波電壓訊號意示圖 24
圖2-12 接觸式原子力顯微鏡力曲線示意圖 24
圖3-1 雙束型聚焦離子束儀器 26
圖3-2 雙束型聚焦離子束 27
圖3-3 DI 3100 AFM外觀 30
圖3-4 NANOSENSORS PPP-RT-NCHR探針 33
圖3-5 繪製的回字型BMP圖檔 34
圖3-6 預期FIB加工在樣品上的結構剖面圖 35
圖3-7 在矽基材表面鍍上一層鉑金屬做相同尺寸的加工 35
圖3-8 3.2um*3.2um BMP圖檔回字型結構 36
圖3-9 2um*2um BMP圖檔回字型結構 36
圖3-10 於矽基材上蝕刻出溝槽結構 37
圖3-11 使用AFM掃描方向 38
圖3-12 AFM掃描後預期之情況 38
圖3-13 使用FIB沉積線條的示意圖 39
圖3-14 使用FIB沉積線條之BMP圖檔 39
圖3-15 使用AFM掃描沉積物方向 40
圖3-16 AFM掃描沉積物後預期之情況 40
圖4-1 Pyrex玻璃 42
圖4-2 矽基材(表面無鍍金屬層),加工設定深度a=0.95um 42
圖4-3 矽基材(表面有鍍金屬層),加工設定深度a=0.95um 43
圖4-4 b=0.9um;a=0.8um;結構擴散效應為6.347;HAR為1.63 44
圖4-5 b=0.9um;a=0.6um;結構擴散效應為6.414;HAR為0.95 45
圖4-6 b=0.9um;a=0.4um;結構擴散效應為6.339;HAR為0.6 45
圖4-7 (左)Ion Dose-etching rate;(右) Ion Dose-Depth 46
圖4-8 (左)Ion Dose-加工時間;(右)加工時間-Depth 46
圖4-9 在石英玻璃上使用FIB進行結構的修整 48
圖4-10 在矽基材表面鍍上鉑(Pt)金屬使用FIB進行結構的修整 49
圖4-11 FIB蝕刻溝槽狀結構之結果 51
圖4-12 設定線寬76nm使用AFM掃描出結果 53
圖4-13 設定線寬114nm使用AFM掃描出結果 54
圖4-14 設定線寬44nm使用AFM掃描出結果 55
圖4-15 設定線寬66nm使用AFM掃描出結果 57
圖4-16 FIB加工設定深度與AFM量測深度的關係 58
圖4-17 FIB加工設定深度與AFM量測寬度的關係 59
圖4-18 以FIB蝕刻,利用AFM所掃描寬度與深度的關係 59
圖 4-19設定加工圖形與AFM掃描輪廓 60
圖4-20 使用FIB進行沉積加工出來的線條 64
圖4-21 AFM掃描出間隔1000nm線條之圖形 64
圖4-22AFM掃描出間隔800nm線條之圖形 65
圖4-23 AFM掃描出間隔600nm線條之圖形 66
圖4-24 AFM掃描出間隔400nm線條之圖形 67
圖4-25 AFM掃描出間隔200nm線條之圖形 68
圖4-26 改變線條間隔所沉積出來的線條高度相對關係 70
圖4-27 AFM掃描出沉積線條之輪廓 71
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