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微等离子体扫描加工系统中核心器件的关键工艺技术研究

作　者: 向伟玮
导　师: 褚家如
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 微等离子体扫描加工纳米孔空心针尖悬臂梁
分类号: TG669
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在微纳米加工技术中,微等离子体不但继承了宏观等离子体刻蚀速率高,方向性好,可刻蚀材料广泛,材料选择性突出等优良特性,还可实现无掩膜直写式局部刻蚀,甚至可以进行非平面表面的高精度三维立体加工,因此近年来受到广泛关注和研究。然而,目前的微等离子体器件由于加工分辨率低,体积较大不利于集成化等缺点,仍无法成为微纳米加工的主流手段。我们提出了一种基于扫描探针的微等离子体加工方法,以实现集成化、高效率、高分辨率的微等离子体无掩膜刻蚀。本文对该探针式微等离子体扫描加工系统中的核心器件——带纳米孔空心针尖的悬臂梁的制作工艺及其加工中的一系列关键技术问题进行了系统的研究论述。本论文的主要研究工作如下：(1)硅在应力作用下的非均匀氧化研究。在探针式微等离子体扫描加工系统的器件制作中,非均匀氧化决定了利用各向同性湿法刻蚀获得空心针尖及尖端纳米孔的可行性。论文以V形槽结构为对象,研究了硅在应力作用和几何约束下的非均匀氧化现象。理论分析基础上的实验研究证明,单晶硅在应力作用和几何约束下的非均匀热氧化结果,决定于其内部应力的不均匀分布状态,在加工中同时受到氧化温度和氧化时间的影响。最后以此为依据,分析了所需纳米孔空心针尖的结构特点,给出了合理的氧化工艺参数。(2)纳米孔空心针尖阵列的制作。首先研究了系统中最薄弱的金字塔空心针尖结构的力学特性,分析了其在加工过程中的内应力分布规律及载荷、针尖宽厚比等因素对结构的影响。在此基础上,利用氧化、湿法刻蚀及背面释放等传统MEMS工艺,批量制备了所需带纳米孔的空心针尖阵列。与其他加工方法相比,本工艺成本较低,效率较高,可靠性较好。在对各关键工艺进行了系统的设计、实验和优化后,首先制备出底部宽度50μm和100μm,宽厚比达到150：1的金字塔空心针尖阵列,并在其尖端批量获得了50～200nm的纳米孔,加工成品率超过95%。最后,论述了工艺过程中的一致性要求及控制方法。(3)多层复合悬臂梁的优化设计。探针式微等离子体扫描加工系统中,微放电器被整体集成在氧化硅悬臂梁上,多层薄膜的沉积与图形化会在悬臂梁中产生复杂的残余内应力状态,引起结构弯曲变形。首先利用Stoney公式的原理测量了系统中所使用的各种薄膜材料内应力,在此基础上,研究了硅-氧化硅双层悬臂梁和集成了微放电器的多层悬臂梁的弯曲现象及其中各层薄膜对弯曲的影响,并以此为依据对多层复合悬臂梁进行了优化设计,给出了最佳结构参数和加工中工艺控制参数。(4)纳米孔空心针尖与悬臂梁和微放电器的集成工艺研究。基于上述纳米孔空心针尖制作工艺及多层复合悬臂梁的优化设计,成功地将纳米孔空心针尖阵列集成在氧化硅悬臂梁阵列前端,并在其基础上制作了高质量的微放电器。对该集成方法所具有的良好兼容性进行了分析,并着重论述优化了其中的关键工艺,制作出的集成器件基本满足了探针式微等离子体扫描加工技术需求。(5)微等离子体的性能测试。在实验室原有设备基础上,设计并加工出一套微等离子体性能测试装置。利用该装置,获得了反应刻蚀气体在微放电时所产生等离子体的伏安曲线和发射光谱,经过初步的实验和分析,为系统的设计优化和进一步的微等离子体反应离子刻蚀研究提供了重要依据。基于以上研究,本论文在以下方面具有创新之处：(a)将带纳米孔的金字塔空心针尖结构应用于微等离子体加工技术。在制备出高质量纳米孔空心针尖的基础上,将其与悬臂梁和微放电器进行了集成,实现了微等离子体加工系统的集成化和微型化。(b)系统研究了探针式微等离子体扫描加工系统中,器件制作过程中的一系列关键技术问题,包括硅在应力作用和几何约束下的非均匀氧化现象及影响因素；金字塔空心针尖的力学特性以及多层复合悬臂梁的优化设计等。(c)设计并加工出一套微等离子体电学性能和光谱性能测试装置,并利用该装置研究了反应刻蚀气体在微小尺度下的放电特性,获得了其伏安曲线及发射光谱,为进一步的微等离子体反应离子刻蚀研究提供了重要依据。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 微纳米加工技术概述  12-13
  1.2 微等离子体在微纳米加工中的研究进展  13-17
    1.2.1 微等离子体在微纳米加工中的应用  13-15
    1.2.2 探针式微等离子体扫描加工技术  15-17
  1.3 纳米孔空心针尖悬臂梁结构的研究进展  17-21
  1.4 本论文的研究意义及目标  21-22
  1.5 本论文的内容及结构  22-24
第二章硅在应力作用下的非均匀氧化研究  24-38
  2.1 硅的非均匀氧化现象与特殊纳米结构生成  24-25
  2.2 硅氧化理论及非均匀氧化机理  25-28
    2.2.1 迪尔-格罗夫(Deal-Grove)氧化模型  25-26
    2.2.2 硅在应力作用下的非均匀氧化机理  26-28
  2.3 硅在应力作用下的非均匀氧化实验研究  28-36
    2.3.1 硅在应力作用下的热氧化实验设计  28-30
    2.3.2 非均匀氧化实验结果  30-34
    2.3.3 实验结果分析  34-36
  2.4 用于纳米孔制作的非均匀氧化设计  36-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章纳米孔空心针尖阵列加工技术研究  38-58
  3.1 空心金字塔结构力特性研究  38-45
    3.1.1 仿真模型设计  38-40
    3.1.2 载荷的影响  40-41
    3.1.3 针尖宽厚比的影响  41-45
  3.2 纳米孔空心针尖阵列的制作  45-55
    3.2.1 制作工艺  45-46
    3.2.2 金字塔空腔刻蚀质量的影响与控制  46-50
    3.2.3 针尖的应力非均匀氧化  50-51
    3.2.4 空心针尖的释放  51-52
    3.2.5 针尖纳米孔的刻蚀  52-54
    3.2.6 其他现象  54-55
  3.3 纳米孔空心针尖阵列的加工一致性控制  55-56
  3.4 本章小结  56-58
第四章多层复合悬臂梁的优化设计  58-80
  4.1 基于Stoney公式的薄膜内应力测量  58-61
    4.1.1 Stoney公式及薄膜内应力测量原理  58-59
    4.1.2 薄膜内应力测量方法  59-60
    4.1.3 薄膜内应力测量结果  60-61
  4.2 硅-氧化硅双层悬臂梁的厚度优化  61-71
    4.2.1 双层悬臂梁的制作  62-65
    4.2.2 双层悬臂梁的弯曲现象研究及厚度优化  65-71
  4.3 带有微放电器的多层悬臂梁薄膜厚度优化  71-79
    4.3.1 硅层的影响及优化  72-74
    4.3.2 镍层的影响及优化  74-79
  4.4 本章小结  79-80
第五章纳米孔空心针尖与悬臂梁和微放电器的集成  80-98
  5.1 纳米孔空心针尖与氧化硅悬臂梁的集成  80-85
    5.1.1 带纳米孔空心针尖的氧化硅悬臂梁阵列设计  80-81
    5.1.2 带纳米孔空心针尖的氧化硅悬臂梁制作工艺  81-82
    5.1.3 氧化硅悬臂梁阵列制作实验结果及讨论  82-85
  5.2 带纳米孔空心针尖悬臂梁与微放电器的集成  85-97
    5.2.1 器件结构及集成工艺设计  85-87
    5.2.2 集成工艺兼容性分析  87-89
    5.2.3 利用溅射反转剥离工艺制作金属层  89-92
    5.2.4 PI膜制作及图形化工艺  92-95
    5.2.5 微放电器制作及集成结果  95-97
  5.3 本章小结  97-98
第六章微等离子体的性能测试  98-114
  6.1 微等离子体性能测试装置设计  98-105
    6.1.1 电学性能测试子系统  99-102
    6.1.2 光谱性能测试子系统  102-105
  6.2 测试实验及结果分析  105-113
    6.2.1 电学性能测试  106-111
    6.2.2 光谱性能测试  111-113
  6.3 本章小结  113-114
第七章总结与展望  114-117
  7.1 总结  114-115
    7.1.1 本论文的主要工作及结论  114-115
    7.1.2 本论文的创新点  115
  7.2 展望  115-117
参考文献  117-125
在读期间发表的学术论文  125-126
致谢  126-127

微等离子体扫描加工系统中核心器件的关键工艺技术研究

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