單晶硅機(jī)械與化學(xué)納米加工機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、硅微加工技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)的最重要基礎(chǔ)之一，隨著對(duì)加工精度要求的提高和加工的微型化，傳統(tǒng)的加工方法很難滿足需要。而原子力顯微鏡(AFM)作為一種新的納米加工工具卻可以滿足這方面的要求。將原子力顯微鏡加工技術(shù)與堿性溶液中腐蝕加工的技術(shù)相結(jié)合，利用AFM在單晶硅片的某一晶面機(jī)械加工并將此硅片放入堿性溶液中腐蝕加工，可以加工出三維微/納米結(jié)構(gòu)，此法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)微/納米尺度上加工技術(shù)在單晶硅表面上加工的缺點(diǎn)。研究其加工機(jī)理對(duì)于提高我國(guó)在此領(lǐng)域的

2、研究水平，對(duì)固態(tài)傳感器的發(fā)展和應(yīng)用以及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要意義。
　　本文使用AFM在單晶硅片(100)晶面加工形成一定形狀的加工區(qū)域，以KOH和水為主要成分的堿性腐蝕液對(duì)經(jīng)過(guò)AFM加工過(guò)的單晶硅進(jìn)行腐蝕加工，在(100)晶面得到微結(jié)構(gòu)平臺(tái)。研究了不同加工條件對(duì)化學(xué)加工速率、微結(jié)構(gòu)高度影響。給出了(100)和(111)晶面在堿性條件下腐蝕加工速率的各向異性的原因。
　　當(dāng)AFM在單晶硅片(100)晶面進(jìn)行加工時(shí)，可以形

3、成一定形狀的加工區(qū)域——凹下的微結(jié)構(gòu)，同時(shí)在微結(jié)構(gòu)表面形成一層SiO2薄膜。使用AFM、SEM、EDS和XPS分析測(cè)試手段對(duì)微結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)、表面成分以及加工產(chǎn)生的切屑進(jìn)行了分析表征，給出針尖在不同載荷下的切入深度值。
　　根據(jù)EDS和XPS檢測(cè)結(jié)果，提出利用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，分析了反應(yīng)過(guò)程中斷裂化學(xué)鍵鍵能與活化能的關(guān)系，說(shuō)明金剛石針尖與硅在加工表面容易生成SiO2薄膜；同時(shí)也說(shuō)明金剛石針尖磨損發(fā)生的是生成CO2的反應(yīng)。

4、
　　由于微結(jié)構(gòu)表面的SiO2薄膜與氫氧化鉀溶液中的反應(yīng)速度慢于單晶硅，同時(shí)單晶硅的(100)晶面的反應(yīng)速度又快于(111)等晶面，因此在氫氧化鉀溶液加工過(guò)程中，在AFM加工的微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上生成凸出微結(jié)構(gòu)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)研究了氫氧化鉀水溶液中化學(xué)加工條件變化如溫度、濃度、時(shí)間和有機(jī)添加劑對(duì)加工速率和微結(jié)構(gòu)高度等的影響。
　　提出了基于電子(Lewis）酸堿理論堿溶液中化學(xué)加工的反應(yīng)機(jī)理。OH-中的O原子上的孤對(duì)電子能夠作為電子對(duì)的給

5、體，是Lewis堿；而Si原子上有可以接收孤對(duì)電子的空的3d的軌道，是Lewis酸，硅片和OH-之間的反應(yīng)是Lewis酸堿反應(yīng)。
　　提出用化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理從化學(xué)反應(yīng)活化能概念出發(fā)，根據(jù)(100)和(111)晶面懸掛鍵密度和數(shù)量、背鍵數(shù)量不同，分析其化學(xué)反應(yīng)活化能和加工速率的影響。(100)與(111)晶面相比，懸掛鍵密度和數(shù)量多、背鍵數(shù)量少，導(dǎo)致(100)比(111)晶面加工反應(yīng)的活化能低，加工速率快。
　　提出單晶硅不同晶

6、面表面Si原子周?chē)哂胁煌碾娮用芏?、空間位阻、表面自由能，其反應(yīng)活化能不同導(dǎo)致加工速率不同。(100)晶面Si原子周?chē)娮用芏缺?111)晶面低，空間位阻小，對(duì)OH-排斥力較小，反應(yīng)活化能低，加工反應(yīng)速率快。由于(100)晶面原子堆積密度大于(111)晶面，摩爾表面自由能低，造成一個(gè)單位面積的表面所需要的能量小，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
　　提出采用量子化學(xué)理論——密度泛函(DFT)計(jì)算程序結(jié)合周期性平板模型，計(jì)算了(100)和(111

7、)晶面結(jié)合（吸附）氫氧根前后能量、鍵長(zhǎng)、鍵角、電荷布局和化學(xué)鍵布局。選取單晶硅(100)和(111)晶面模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從優(yōu)化數(shù)據(jù)得出(100)晶面的穩(wěn)定性低于(111)晶面，活潑性高。而結(jié)合OH-前后的總能量計(jì)算結(jié)果也表明(100)晶面上單個(gè)的Si原子的能量高于(111)晶面上Si原子，穩(wěn)定性低，因此與堿溶液反應(yīng)時(shí)活性高速率快。(100)晶面Si原子與羥基的結(jié)合能大于(111)晶面，說(shuō)明(100)晶面更容易與OH-反應(yīng)，有利于加快反