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研究生： 陳思翰
CHEN, SZU-HAN
論文名稱： 超穎透鏡於任意圖案刻寫應用之開發
Development of a Metalens for Arbitrary Pattern Direct Writing Applications
指導教授： 張晉愷
Chang, Chin-Kai
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2026
畢業學年度： 114
語文別： 中文
論文頁數： 138
中文關鍵詞： 超穎介面 、超穎透鏡 、雷射直寫 、微影
外文關鍵詞： metasurface, metalens, laser direct writing, lithography
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    • 相較於傳統透鏡需依靠材料厚度累積相位差以達成聚焦，超穎透鏡是一種基於超穎介面技術之平面化聚焦元件，可透過次波長奈米結構陣列對入射光進行局部相位調控，具備極薄輪廓、輕量化與設計自由度高等特性。本研究以銀薄膜橢圓奈米孔洞超穎透鏡作為核心聚焦元件，利用 Pancharatnam-Berry 幾何相位原理，設計並製作焦距為 14 µm、口徑為 9.7 µm 之超穎透鏡，使 405 nm 藍紫光雷射於設計焦距處形成次微米尺度之聚焦光斑，並將其整合至雷射直寫系統中，以驗證其於圖案曝光應用之可行性。
    本研究以前人所建立之雷射直寫系統為基礎，歸納出三項影響曝光品質與穩定性之主要限制，包含樣品固定穩定性不足、Z 軸補償精度有限，以及缺乏精確之雷射開關控制。針對上述問題，本研究進行六項系統性改善。第一，重新優化光阻製程參數，將光阻厚度調整為 200 nm；第二，將曝光樣品基板由一般玻璃改為 ITO 導電玻璃，以簡化後續觀測與製程流程；第三，設計並製作真空吸附式樣品固定座，取代原有膠帶固定方式，以提升樣品於曝光過程中之位置穩定性；第四，於光路中整合光閘模組，實現雷射光束之精確開關控制；第五，採用輸出功率 200 mW 之雷射光源，擴大曝光能量之可調整範圍；第六，利用 MATLAB 輔助校正程式開發具 250 nm 緩衝預量之優化 Z 軸補償機制，將最大焦距誤差由 500 nm 降低至 250 nm，使焦距控制精度提升為原先兩倍。
    實驗結果顯示，於雷射功率 140 mW、平台移動速度 60 PPU/s（6 µm/s） 之曝光條件下，本研究成功完成線條與 NCKU 字樣之圖案曝光。經顯影與金屬舉離製程後，線條圖案之代表性線寬約為 505 nm 與 593 nm，NCKU 字樣之主要線寬多落於約 500 nm 至 700 nm 範圍內，與 FDTD 模擬於設計焦距附近所預測之聚焦光斑半高全寬 512 nm 至 681 nm 相近。上述結果驗證了銀薄膜橢圓奈米孔洞超穎透鏡於實際曝光條件下之聚焦能力，並確認本研究所提出之系統改善方案可有效提升雷射直寫系統之曝光穩定性與線寬均勻性。

    Metalenses are planar optical elements that locally modulate the phase of incident light through subwavelength nanostructures. Compared with conventional refractive lenses, they offer an ultrathin profile, compact size, and high design flexibility, making them promising for miniaturized optical systems. In this study, a silver thin-film metalens composed of elliptical nanoholes was designed and fabricated as the focusing element of a 405 nm laser direct writing system. Based on the Pancharatnam–Berry geometric phase principle, it was designed with a 14 µm focal length and a 9.7 µm aperture diameter to generate a sub-micrometer focal spot.
    To improve the stability and exposure quality of the previous system, several modifications were implemented: an optimized photoresist thickness, an ITO conductive-glass substrate, a vacuum chuck sample holder, a shutter module, a 200 mW laser source, and an improved Z-axis compensation method. Under selected exposure conditions, line patterns and "NCKU" letter patterns were successfully fabricated with sub-micrometer linewidths, confirming the feasibility of using a metalens as a focusing element for laser direct writing.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 viii 目錄 ix 圖目錄 xii 表目錄 xv 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 前人研究基礎與本研究出發點 5 1.3 研究目標 7 1.4 論文架構 8 第二章 理論基礎與文獻回顧 11 2.1 理論基礎與原理 11 2.1.1 超穎透鏡作為雷射直寫聚焦元件之概念 11 2.1.2 金屬奈米孔洞與表面電漿光學特性 13 2.1.3 幾何相位與超穎透鏡聚焦機制 16 2.2 相關之文獻回顧 22 2.2.1 金屬孔洞型超穎透鏡與聚焦元件 22 2.2.2 超穎透鏡應用於雷射直寫曝光之研究 25 2.2.3 光阻曝光劑量與雷射直寫參數相關研究 32 第三章 實驗設備與製程方法 35 3.1 製程設備 35 3.1.1 電子束蒸鍍系統 35 3.1.2 旋轉塗佈機 36 3.1.3 雙束型聚焦離子束系統 36 3.1.4 倒置光學顯微鏡 38 3.2 超穎透鏡設計與模擬 38 3.2.1 超穎透鏡設計 38 3.2.2 FDTD 模擬結果 39 3.2.3 不同設計焦距之模擬比較與焦距選用討論 41 3.3 超穎透鏡製作 43 3.3.1 銀薄膜蒸鍍 43 3.3.2 聚焦離子束蝕刻 48 3.4 樣品製備 50 3.4.1 基板清洗 50 3.4.2 光阻旋轉塗佈 50 3.4.3 曝光 51 3.4.4 顯影 51 3.4.5 鉻薄膜蒸鍍 52 3.4.6 金屬舉離製程 53 第四章 雷射直寫系統改善與架設 55 4.1 系統概述 55 4.2 系統架設 57 4.2.1 雷射光源 57 4.2.2 曝光光路設計 58 4.2.3 彩色共焦位移感測器 62 4.2.4 Z 軸伺服馬達與超穎透鏡固定座 66 4.2.5 XY 載台與傾斜調整平台 69 4.3 真空吸附樣品固定座 70 4.4 平整度校正與曝光距離調整 73 4.5 Z 軸補償機制優化 76 4.5.1 原補償機制之限制 76 4.5.2 優化補償機制設計 77 4.5.3 MATLAB 輔助校正程式 79 4.6 軌跡設計 82 第五章 實驗結果與討論 86 5.1 曝光參數選定 86 5.1.1 雷射功率之選定 86 5.1.2 平台移動速度之選定 89 5.1.3 參數選定結果 90 5.2 圖案曝光結果 92 5.2.1 線條曝光結果 92 5.2.2 NCKU 字樣曝光結果 93 5.2.3 轉角過曝現象之討論 104 5.2.4 ImageJ 線寬統計分析與 FIB 量測結果之比較討論 104 5.3 與前期研究之比對 108 5.3.1 前期研究結果回顧 108 5.3.2 比對與討論 109 5.3.3 與外部文獻之比較 111 第六章 結論及未來展望 114 6.1 結論 114 6.2 未來展望 115 參考文獻 118

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