微-納結(jié)構(gòu)犧牲層腐蝕及其模型研究.pdf

1、犧牲層腐蝕技術(shù)是先在硅襯底上生長一層犧牲層，然后再淀積一層結(jié)構(gòu)層，腐蝕掉犧牲層后，得到自由懸空結(jié)構(gòu)單元的一種技術(shù)。它是MEMS技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，在MEMS器件加工中得到廣泛運(yùn)用。盡管許多學(xué)者對于氫氟酸腐蝕二氧化硅犧牲層從腐蝕機(jī)理、影響犧牲層腐蝕速率的因素、犧牲層腐蝕通量模型等方面進(jìn)行了詳細(xì)地研究，但是還存在以下一些問題：(1)腐蝕模型只能在短時間內(nèi)預(yù)測實驗過程，當(dāng)腐蝕長度和腐蝕時間增加時，誤差就會越來越大；(2)組合結(jié)構(gòu)的犧牲層腐蝕

2、模型除了上述問題外，還沒有人對其腐蝕前端的形狀和腐蝕速率的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究；(3)犧牲層厚度達(dá)到納米量級以后，犧牲層腐蝕模型能否繼續(xù)適用，以及納米量級下影響犧牲層腐蝕速率的因素尚不清楚。 從這些問題出發(fā)，對犧牲層腐蝕模型進(jìn)行深入的研究，發(fā)現(xiàn)腐蝕模型在腐蝕長度較長時誤差較大的原因是把擴(kuò)散系數(shù)和腐蝕速率常數(shù)當(dāng)作是常數(shù)。本文把擴(kuò)散系數(shù)是溫度和腐蝕液濃度的函數(shù)、腐蝕速率常數(shù)是溫度的函數(shù)運(yùn)用到犧牲層腐蝕模型中，由此得到了犧牲層腐蝕修正

3、模型。以直溝道結(jié)構(gòu)和冒泡結(jié)構(gòu)為例分別進(jìn)行不同濃度、不同溫度下和不同腐蝕孔半徑(對于冒泡結(jié)構(gòu))的腐蝕實驗。實驗表明，修正模型能夠長時間準(zhǔn)確預(yù)測腐蝕過程。這就解決了以往模型在腐蝕長度較大時誤差較大的問題。 對于組合溝道結(jié)構(gòu)，建立了新的腐蝕前端形狀的數(shù)學(xué)模型。在這個模型中，對于窄到寬結(jié)構(gòu)，腐蝕前端進(jìn)入寬溝道后，其形狀為一條圓??；對于寬到窄結(jié)構(gòu)，腐蝕前端進(jìn)入到窄溝道后，其形狀仍然保持為一條直線。這種數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述腐蝕前端的變化過程

4、，并且和實驗結(jié)果吻合得較好。此外，對窄到寬和寬到窄兩種組合溝道結(jié)構(gòu)的腐蝕速率變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)地研究。對于窄到寬的組合溝道結(jié)構(gòu)，當(dāng)腐蝕前端到達(dá)兩條溝道的交界處時，腐蝕前端面積首先經(jīng)過一個快速增大過程，這一過程中腐蝕速率快速下降；隨后腐蝕前端面積將經(jīng)歷一個緩慢增大過程，導(dǎo)致腐蝕速率進(jìn)一步下降，但下降速度比前一過程?。划?dāng)腐蝕前端碰到寬溝道兩個側(cè)壁時，腐蝕前端面積達(dá)到最大值，腐蝕速率達(dá)到一個極小值；此后腐蝕前端面積開始減小，直至等于寬溝道的橫

5、截面積，腐蝕速率則逐漸上升，但是同時由于存在擴(kuò)散限制效應(yīng)使得腐蝕速率下降，所以腐蝕速率會出現(xiàn)一個極大值；此后腐蝕速率由于擴(kuò)散限制的影響逐漸下降。對于寬到窄的組合溝道結(jié)構(gòu)，當(dāng)腐蝕前端到達(dá)兩條溝道的交界處時，由于腐蝕前端面積突然下降會導(dǎo)致腐蝕速率突然上升。此后由于擴(kuò)散限制效應(yīng)，腐蝕速率一直下降。 文中還對厚度為數(shù)十納米的犧牲層腐蝕特性進(jìn)行了研究。研究表明，上述犧牲層腐蝕模型在納米厚度下和實驗結(jié)果有較大偏差。通過對犧牲層腐蝕機(jī)理的定性

6、分析，提出了產(chǎn)生這種偏差的原因是納米厚度下腐蝕液的擴(kuò)散系數(shù)已經(jīng)發(fā)生了變化，通過仿真擬合，初步得到納本論文受國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號：2003AA404012，2005AA404240)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(973項目)(批準(zhǔn)號：2006CB300405)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：60476033)資助米溝道中擴(kuò)散系數(shù)下降的大致程度，并指出了導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生變化的可能因素有雙電層效應(yīng)、表面張力和表面粗糙度，以及由這些因素