微等離子體掃描加工系統(tǒng)中核心器件的關(guān)鍵工藝技術(shù)研究.pdf

1、在微納米加工技術(shù)中，微等離子體不但繼承了宏觀等離子體刻蝕速率高，方向性好，可刻蝕材料廣泛，材料選擇性突出等優(yōu)良特性，還可實(shí)現(xiàn)無掩膜直寫式局部刻蝕，甚至可以進(jìn)行非平面表面的高精度三維立體加工，因此近年來受到廣泛關(guān)注和研究。然而，目前的微等離子體器件由于加工分辨率低，體積較大不利于集成化等缺點(diǎn)，仍無法成為微納米加工的主流手段。我們提出了一種基于掃描探針的微等離子體加工方法，以實(shí)現(xiàn)集成化、高效率、高分辨率的微等離子體無掩膜刻蝕。本文對(duì)該探針式

2、微等離子體掃描加工系統(tǒng)中的核心器件——帶納米孔空心針尖的懸臂梁的制作工藝及其加工中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究論述。
　　 本論文的主要研究工作如下：
　　 (1)硅在應(yīng)力作用下的非均勻氧化研究。在探針式微等離子體掃描加工系統(tǒng)的器件制作中，非均勻氧化決定了利用各向同性濕法刻蝕獲得空心針尖及尖端納米孔的可行性。論文以V形槽結(jié)構(gòu)為對(duì)象，研究了硅在應(yīng)力作用和幾何約束下的非均勻氧化現(xiàn)象。理論分析基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)研究證明，單晶

3、硅在應(yīng)力作用和幾何約束下的非均勻熱氧化結(jié)果，決定于其內(nèi)部應(yīng)力的不均勻分布狀態(tài)，在加工中同時(shí)受到氧化溫度和氧化時(shí)間的影響。最后以此為依據(jù)，分析了所需納米孔空心針尖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了合理的氧化工藝參數(shù)。
　　 (2)納米孔空心針尖陣列的制作。首先研究了系統(tǒng)中最薄弱的金字塔空心針尖結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，分析了其在加工過程中的內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律及載荷、針尖寬厚比等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在此基礎(chǔ)上，利用氧化、濕法刻蝕及背面釋放等傳統(tǒng)MEMS工藝，批量制

4、備了所需帶納米孔的空心針尖陣列。與其他加工方法相比，本工藝成本較低，效率較高，可靠性較好。在對(duì)各關(guān)鍵工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化后，首先制備出底部寬度50μm和100μm，寬厚比達(dá)到150∶1的金字塔空心針尖陣列，并在其尖端批量獲得了50～200nm的納米孔，加工成品率超過95％。最后，論述了工藝過程中的一致性要求及控制方法。
　　 (3)多層復(fù)合懸臂梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。探針式微等離子體掃描加工系統(tǒng)中，微放電器被整體集成在氧化硅懸

5、臂梁上，多層薄膜的沉積與圖形化會(huì)在懸臂梁中產(chǎn)生復(fù)雜的殘余內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，引起結(jié)構(gòu)彎曲變形。首先利用Stoney公式的原理測(cè)量了系統(tǒng)中所使用的各種薄膜材料內(nèi)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，研究了硅-氧化硅雙層懸臂梁和集成了微放電器的多層懸臂梁的彎曲現(xiàn)象及其中各層薄膜對(duì)彎曲的影響，并以此為依據(jù)對(duì)多層復(fù)合懸臂梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工中工藝控制參數(shù)。
　　 (4)納米孔空心針尖與懸臂梁和微放電器的集成工藝研究。基于上述納米孔空心針尖制作

6、工藝及多層復(fù)合懸臂梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功地將納米孔空心針尖陣列集成在氧化硅懸臂梁陣列前端，并在其基礎(chǔ)上制作了高質(zhì)量的微放電器。對(duì)該集成方法所具有的良好兼容性進(jìn)行了分析，并著重論述優(yōu)化了其中的關(guān)鍵工藝，制作出的集成器件基本滿足了探針式微等離子體掃描加工技術(shù)需求。
　　 (5)微等離子體的性能測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并加工出一套微等離子體性能測(cè)試裝置。利用該裝置，獲得了反應(yīng)刻蝕氣體在微放電時(shí)所產(chǎn)生等離子體的伏安曲線和發(fā)射光譜，

7、經(jīng)過初步的實(shí)驗(yàn)和分析，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和進(jìn)一步的微等離子體反應(yīng)離子刻蝕研究提供了重要依據(jù)。
　　 基于以上研究，本論文在以下方面具有創(chuàng)新之處：(a)將帶納米孔的金字塔空心針尖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微等離子體加工技術(shù)。在制備出高質(zhì)量納米孔空心針尖的基礎(chǔ)上，將其與懸臂梁和微放電器進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了微等離子體加工系統(tǒng)的集成化和微型化。(b)系統(tǒng)研究了探針式微等離子體掃描加工系統(tǒng)中，器件制作過程中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，包括硅在應(yīng)力作用和幾何約束下的