基于SPM的微等離子體無掩模掃描刻蝕加工方法的研究.pdf

1、隨著微納米技術(shù)的快速發(fā)展，器件的極限尺寸將持續(xù)減小，能夠在納米尺度上制作出具有特定功能的器件是研究者不斷追求的目標(biāo)。在微納米加工技術(shù)中，尺寸局域化的微等離子體具有無掩模、加工速率高、方向性好、可加工材料廣泛以及可進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)加工等優(yōu)點(diǎn)，因此倍受研究者的廣泛關(guān)注。然而，微等離子體通常只能實(shí)現(xiàn)百微米的加工分辨率，難以滿足亞微米及納米尺度器件的加工需求。掃描探針顯微鏡(SPM)不僅是一類非常重要的原子量級(jí)成像工具，而且能對(duì)樣品進(jìn)行納米精度的加

2、工。由于其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，因而在諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，基于SPM的掃描探針加工技術(shù)目前還存在著速度慢、效率低、可加工材料有限的問題，很難滿足多樣化、高產(chǎn)出的三維納米器件的加工需求。為此，我們提出了一種基于并行探針的微等離子體無掩模納米刻蝕加工方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種材料進(jìn)行高效率、低成本的三維納米加工。
　　 本論文圍繞基于SPM的無掩模掃描等離子體納米刻蝕加工方法，以掃描刻蝕加工系統(tǒng)的核心部分．集成微放電器的AFM探針

3、為研究對(duì)象，對(duì)集成微放電器的AFM探針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作、性能表征等方面進(jìn)行了較為全面而深入的研究，對(duì)微等離子體從針尖納米孔中的導(dǎo)出機(jī)理和刻蝕機(jī)理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值仿真，并對(duì)整個(gè)掃描加工系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。本文還提出了微等離子體針尖陣列的掃描刻蝕方法，以及基于并行探針陣列的納米刻蝕和原位形貌檢測(cè)的新方法，為無掩模等離子體納米加工方法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對(duì)集成微放電器

4、和帶納米孔空心針尖的PZT壓電探針和SiO2懸臂梁探針進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)壓電探針的傳感、驅(qū)動(dòng)和機(jī)械特性的理論計(jì)算和數(shù)值仿真，優(yōu)化了壓電探針的結(jié)構(gòu)參數(shù)；研究了集成微放電器的SiO2懸臂梁探針的力學(xué)特性，通過對(duì)由多層薄膜內(nèi)應(yīng)力引起的SiO2懸臂梁探針的彎曲變形仿真，優(yōu)化了探針的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了結(jié)構(gòu)和工藝更為簡(jiǎn)單的微放電器針尖陣列的掃描刻蝕加工方法，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。
　　 (2)在理論仿真方面，對(duì)倒金字塔

5、空心針尖內(nèi)產(chǎn)生的微等離子體從針尖納米孔中的導(dǎo)出機(jī)理以及對(duì)硅的刻蝕機(jī)理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值仿真。對(duì)通過自由擴(kuò)散和外加偏置電場(chǎng)條件下，等離子體從納米孔中導(dǎo)出的濃度、速率、溫度和擴(kuò)散距離等參數(shù)進(jìn)行仿真；對(duì)導(dǎo)出后的等離子體束流對(duì)硅材料的刻蝕形貌和刻蝕速率進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，外加偏置電場(chǎng)可對(duì)導(dǎo)出后的等離子體束流進(jìn)行有效調(diào)控；針尖樣品間距和納米孔直徑相當(dāng)時(shí)，可獲得較高的刻蝕速率和較好的刻蝕分辨率。
　　 (3)在器件加工方面，通過對(duì)微

6、放電器、納米孔以及SiO2懸臂梁探針的工藝難點(diǎn)和兼容性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，成功制作出集成50μm和100μm微放電器的SiO2懸臂梁探針，該探針可直接用于后續(xù)的掃描刻蝕加工。懸臂梁釋放中保留5-10μm的硅層厚度，可有效地減小應(yīng)力引起的懸臂梁初始彎曲變形，實(shí)際加工結(jié)果和理論仿真結(jié)果非常一致。此外，本文還制作出集成納米孔空心針尖的SiO2懸臂梁探針陣列，以及用于大規(guī)模并行加工的微放電器針尖陣列，為高產(chǎn)出、大面積的并行掃描刻蝕加工奠定基礎(chǔ)。<

7、br>　　 (4)在性能表征方面，研究了微等離子體在惰性氣體Ar、反應(yīng)氣體SF6、CHF3以及SF6/Ar、CHF3/Ar的混合氣體中的帕邢曲線、V-I特性以及光學(xué)發(fā)射譜等放電特性，并從等離子體中微觀粒子所發(fā)生的物理過程和化學(xué)反應(yīng)的層面上，對(duì)放電特性進(jìn)行了較為深入的理論解釋。反應(yīng)氣體中微放電特性的研究，不僅為實(shí)現(xiàn)Si、SiO2和Si3N4等MEMS常用材料的可控掃描刻蝕加工奠定基礎(chǔ)，而且可為國(guó)內(nèi)外微等離子體研究中鮮有報(bào)道的反應(yīng)氣體微放

8、電特性研究提供借鑒和參考。
　　 (5)在系統(tǒng)構(gòu)建方面，對(duì)掃描刻蝕加工系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，研究了針尖-樣品間距控制方法，以及等離子體束流的導(dǎo)出控制方法，建立了適于真空腔中操作的針尖樣品三維掃描系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)際加工出帶有電學(xué)、信號(hào)真空接口和觀察窗的真空腔，以及針尖和樣品的裝夾裝置，為后續(xù)整個(gè)系統(tǒng)的集成打下基礎(chǔ)。提出了基于并行探針陣列的掃描刻蝕加工和原位成像新方法，并將實(shí)際加工出的集成100μm微放電器的SiO2懸臂梁探針安裝在商用