基于rie与afm机械刻划之纳米结构加工实验研究

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1、基于RIE与AFM机械刻划之纳米结构加工实验研究第1章绪论1.1课题研究的背景和意义随着社会的不断进步，人们对加工制造提出了更高的要求，结构尺寸不断朝着微型化方向发展，加工精度到了微米甚至纳米级。研究表明，在微纳米范围内结构和材料的特征与宏观尺度下相比有很大的区别，而材料的微小型化离不开微纳米尺度的功能结构和器件，其中微纳米加工技术则是实现功能结构微纳米化的保证。纳米加工与制造技术在物理、化学、生物以及医学等学科有着重要的应用，因而纳米技术愈发成为人们关注的焦点[1]。传统的纳米加工技术如光刻、电子束曝光等，能极大地缩小结构的尺寸，但同时存在成本过高、工艺步骤复杂等缺

2、点，且这些传统方法均基于对材料的去除或降解工艺来达到加工微纳结构的目的，从而缺乏对样品材料进行改性操作或增强其功能的手段。对于应用于光通信中的半导体激光器，其光栅线宽约为100纳米，制备方法通常采用上述的电子束曝光法，然而电子束曝光法虽然能达到很高的分辨率，但是加工效率很低，同时成本过高，加工一个布满光栅的外延片，其成本超过了5000美金，所需的时间达到了10个小时。原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）作为一种新兴的纳米加工手段，由于其低成本、易操作以及独特的原子级操纵能力而成为学者们研究的热点[2]。原子力显微镜不仅是一种有效的纳米检测

3、手段，人们利用其微悬臂顶端的针尖，能够实现在纳米尺度控制并操纵材料。在AFM加工工艺中，传统的机械切削刀具被纳米尺寸的探针所取代，人们成功利用该工艺在诸多材料如硅、铝、铜等材料上加工出了纳米结构，这些纳米结构包括纳米金线、纳米通道甚至三维结构[3,4]。硅材料可以说是微电子技术的载体。随着微电子和光电子技术的不断发展，硅材料加工工艺不断朝着深亚微米和纳米尺度发展。特征尺寸减小的同时，材料在微观尺度上的新特征也不断涌现。1.2国内外研究现状在聚合物探针工艺中，最终纳米结构的材料不尽相同。比如，蘸笔加工（Dip-pennanolithography,DPN）利用AFM探针

4、针尖将墨水分子转移到基底表面，将材料沉积在样品表面，形成一层定位准确、尺寸精细的纳米结构[8]；阳极氧化加工利用AFM针尖诱导样品表面氧化层的产生，从而得到所需的微纳结构[9]；AFM机械刻划则是一种通过探针直接去除样品材料的纳米结构加工方式，相比于其它纳米加工方式，AFM针尖的机械刻划能有效控制加工过程以及最终形成的结构几何尺寸，其中原子力显微镜的工作模式分为接触模式和敲击模式，接触模式中探针针尖与样品处于接触状态，用较大的力检测样品表面的形貌或对其进行刻划加工；敲击模式中，探针在压电陶瓷的激励下在共振频率附近始终处于振动状态，通过改变其激励振幅可以实现对样品形貌的

5、检测或结构的加工。由于聚合物较软，且常被用作许多纳米级设备制造过程中的掩膜或抗蚀剂材料，因此就AFM针尖机械刻划的方式在聚合物表面进行加工，学者们进行了大量的研究[10-12]20。不同于金属材料的加工，AFM针尖在聚合物上刻划时属于耕犁作用，材料的去除机理有很大的不同。Cappella和Sturm等人对聚合物加工机理进行了分析。他们采用AFM动态模式对聚合物进行加工时发现，加工结构的周围会形成大量的凸起，且该凸起体积要大于结构中被去除部分材料的体积。通过对加工和未加工区域进行力曲线的测量，并比对不同区域的粘结力，发现针尖耗散的能量足够破坏聚合物中的共价键，从而针尖的

6、耕犁过程打断了材料中的分子链，使结构周围的凸起部分较原先材料的密度要小，最终形成了堆积在加工区域附近的较为疏松的凸起。..第2章PMMA掩膜性能分析2.1引言PMMA是一种价格低廉，易于制备的掩膜材料，也是在AFM探针工艺中研究的重点对象。由于聚合物材料在防护涂层，电子设备以及印刷技术中的广泛应用，其微米和纳米尺度性能成为人们研究的焦点[25]。而聚合物材料粘弹性质的存在，使得纳米压痕仪等非原位测量装置并不适合对其表面性能进行实验研究[26]。AFM拥有纳米级的分辨率以及加工检测一体化的优势，使其成为表征聚合物材料机械性能和物理性质的有力工具，而人们在这方面研究并不多

7、。本章通过控制旋转涂覆过程中的参数，在硅基底上得到了不同厚度的PMMA掩膜。利用DimensionIcon显微镜中的QNM模块测量了PMMA掩膜的弹性模量，并用单晶硅针尖在不同的PMMA掩膜上进行了刻划实验。通过分析AFM探针刻划形成的沟槽形貌，和对针尖磨损的比较，分析了不同旋涂参数形成的掩膜的刻划性能，确定了后续适合RIE刻蚀的掩膜及其制备工艺。2.2PMMA掩膜的制备工艺相比于其它聚合物难以去除，以及容易形成不规则结构等缺点，PMMA以其良好的加工性能，易溶于多种有机溶剂等优点而得到广泛应用。同时，PMMA有优秀的抗刻蚀性能和耐热性，并且易于成膜