微等離子體掃描加工系統(tǒng)中核心器件的關鍵工藝技術研究.pdf

1、在微納米加工技術中，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，還可實現(xiàn)無掩膜直寫式局部刻蝕，甚至可以進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，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鍵技術問題進行了系統(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)構為對象，研究了硅在應力作用和幾何約束下的非均勻氧化現(xiàn)象。理論分析基礎上的實驗研究證明，單晶

3、硅在應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)部應力的不均勻分布狀態(tài)，在加工中同時受到氧化溫度和氧化時間的影響。最后以此為依據(jù)，分析了所需納米孔空心針尖的結(jié)構特點，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)構的力學特性，分析了其在加工過程中的內(nèi)應力分布規(guī)律及載荷、針尖寬厚比等因素對結(jié)構的影響。在此基礎上，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。在對各關鍵工藝進行了系統(tǒng)的設計、實驗和優(yōu)化后，首先制備出底部寬度50μm和100μm，寬厚比達到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)多層復合懸臂梁的優(yōu)化設計。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在懸臂梁中產(chǎn)生復雜的殘余內(nèi)應力狀態(tài)，引起結(jié)構彎曲變形。首先利用Stoney公式的原理測量了系統(tǒng)中所使用的各種薄膜材料內(nèi)應力，在此基礎上，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彎曲的影響，并以此為依據(jù)對多層復合懸臂梁進行了優(yōu)化設計，給出了最佳結(jié)構參數(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?；谏鲜黾{米孔空心針尖制作

6、工藝及多層復合懸臂梁的優(yōu)化設計，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，并在其基礎上制作了高質(zhì)量的微放電器。對該集成方法所具有的良好兼容性進行了分析，并著重論述優(yōu)化了其中的關鍵工藝，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需求。
　　 (5)微等離子體的性能測試。在實驗室原有設備基礎上，設計并加工出一套微等離子體性能測試裝置。利用該裝置，獲得了反應刻蝕氣體在微放電時所產(chǎn)生等離子體的伏安曲線和發(fā)射光譜，

7、經(jīng)過初步的實驗和分析，為系統(tǒng)的設計優(yōu)化和進一步的微等離子體反應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)構應用于微等離子體加工技術。在制備出高質(zhì)量納米孔空心針尖的基礎上，將其與懸臂梁和微放電器進行了集成，實現(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鍵技術問題，包括硅在應力作用和幾何約束下的