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研究生: 何光朗
Kuang-lang Ho
論文名稱: 次微米陽極氧化鋁孔洞製作光學元件之研究
Fabrication of Optical Elements with Sub-micron Features on Anodic Aluminum Oxide
指導教授: 陳炤彰
Chao-Chang Chen
口試委員: 王玉麟
Yuh-Lin Wang
鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 次微米特徵陽極氧化鋁聚二甲基矽氧烷抗反射層光學元件
外文關鍵詞: sub-micron features, AAO (Anodic aluminum oxide), PDMS (Polydimethylsiloxane), AR (Anti-reflection) optical elements
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  • 本研究主要為次微米陽極氧化鋁(Anodic aluminum oxide, AAO)孔洞製作光學元件之研究,先進行氧化鋁微結構製程,再結合聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane , PDMS)微鑄造成形技術。此研究過程中磷酸生成200/300 nm 孔距錐狀AAO孔洞,電壓偏低為非最密堆積結構排列,孔洞成長率較低,需以400 nm最密堆積結構6~3.5 倍時間氧化,才能獲致與最密堆積結構接近之深寬比為2.5孔洞。AAO 孔徑300 nm尺度以下之PDMS翻製,為了能完整呈現氧化鋁原來形貌,必須另加入矽油稀釋劑改變PDMS之黏滯係數,使PDMS主劑、硬化劑與稀釋劑比例為10:1:1時較易進入模穴。此外以電漿處理改變AAO表面為親水性時,可以有效改善翻製時,因表面能因素而不易成形之缺點。實驗結果顯示,300 nm 錐狀PDMS微結構在波長300 nm時穿透率由45 %提升至63 %,是較佳之抗反射微結構尺寸。以此技術所製作之抗反射層光學元件,具有製程簡單、成本低廉、具大面積翻製之可能,預期未來可應用於矽基太陽能面板、平面顯示器面板、手機面板之抗反射結構層。


    This research is to fabricate optical elements with sub-micron features on AAO (Anodic aluminum oxide). Herein, anodic aluminum oxide fabrication and nano imprinting fabrication techniques have been integrated to fabricate AR (Anti-reflection) optical elements. Experimental procedure includes anodizing an Al plate to make porous sub-micron structure perpendicular to the surface as an AAO master mold, then applying PDMS (Polydimethylsiloxane) to cast on the AAO template to obtain an optical element, and finally using SEM and spectrophotometer to investigate the optical property of the AR optical element. Experimental results show that with 300 nm conic shape PDMS AR elements, transmittance can be achieved as 63% at the optical wavelength 300 nm, which is higher than the reference surface without structures as 45%. This method has been developed and proved to effectively produce optical elements within 100~300 nm features. Potentially it could be used to fabricate a large area of polymer thin films and to be used an effective AR structure for solar cells and related applications.

    目錄 致 謝 I 中文摘要 II ABSTRACT III 圖目錄 IX 表目錄 XII 第1章 導論 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究目的 5 1-3 研究方法 5 1-4 相關應用 6 1-5 論文架構 6 第2章 文獻回顧 8 2-1 陽極氧化鋁製程 8 2-1-1 陽極反應加工 9 2-1-2 氧化鋁結構型態 10 2-1-3 氧化鋁結構成分 11 2-1-4 氧化鋁成長機制 11 2-1-5 氧化鋁孔洞幾何圖案 16 2-1-6 錐孔氧化鋁製程 16 2-2 PDMS材料性質 17 2-2-1 聚二甲基矽氧烷之物理性質 18 2-2-2 PDMS之光學性質 18 2-2-3 PDMS動黏滯係數 19 2-2-4 PDMS之軟式微影模造技術 19 2-3 表面尺度效應下光學散射 27 2-4 光學抗反射原理與製作 28 2-4-1 非均質光學抗反射理論 28 2-4-2 抗反射層製作 30 2-4-3 抗反射研究趨勢 30 2-5 文獻回顧總結 32 第3章 次微光學元件設計與規劃 33 3-1 光學元件微結構設計 33 3-1-1 抗反射層光學元件設計 33 3-1-2 錐狀AAO模版設計 33 3-2 實驗流程規劃 35 3-2-1 錐狀AAO模版實驗規劃 35 3-3 PDMS反向壓印翻製實驗規劃 37 3-4 電子顯微鏡形貌檢測 38 3-5 光譜儀穿透率檢測 39 3-6 總結 39 第4章 實驗設備與流程 40 4-1 孔洞氧化鋁模版製程設備與原料 40 4-1-1 陽極氧化原料 40 4-1-2 化學藥品原料 41 4-1-3 化學實驗抽風櫃及水槽工作平台 42 4-1-4 去離子水製造機 42 4-1-5 電化學低溫恆溫槽 43 4-1-6 直流電源供應器 43 4-1-7 擴孔恆溫槽 44 4-1-8 試片夾持器 45 4-2 氧化鋁氧化製程流程圖 47 4-2-1 一次氧化流程圖 47 4-2-2 錐狀二次氧化流程圖 48 4-3 孔洞氧化鋁模版製程 49 4-3-1 氧化鋁模版細部製程說明 49 4-3-2 二次錐孔氧化鋁細部製程說明 50 4-4 PDMS翻製設備與流程圖 51 4-4-1 PDMS真空反向壓印裝置 51 4-4-2 電子顯微鏡 51 4-4-3 光譜儀 53 4-4-4 加熱帶 54 4-4-5 電漿表面處理機 54 4-5 PDMS反向壓印翻製流程圖 56 4-5-1 PDMS光學元件壓印翻製原料 57 4-5-2 PDMS光學元件反向壓印製程設備 58 4-5-3 PDMS反向壓印翻製製程 59 第5章 實驗結果與討論 61 5-1 氧化鋁模版製程成品 61 5-1-1 AAO製程討論 66 5-1-2 AAO形貌討論 67 5-2 PDMS反向壓印製程成品 68 5-2-1 PDMS反向壓印製程討論 70 5-2-2 PDMS反向壓印製程成品形貌討論 70 5-3 PDMS成品光學檢測 71 5-4 結果討論總結 72 第6章 結論與建議 74 6-1 結論 74 6.2 建議 75 附錄A PDMS材料特性表[13] 80 附錄B 鋁箔物理性質及不純物成分表[31] 81 附錄C 固緯GPR-100H05D 直流電源供應器規格[32] 82 附錄D 冷場發射式掃瞄電子顯微鏡JSM-6700F規格[33] 83 附錄E JASCO V-670光譜儀規格[34] 84 附錄F 一次氧化夾具工程圖 85 附錄G 二次氧化夾具工程圖 88

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