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基于摩擦诱导TMAH选择性刻蚀的硅表面纳米加工方法研究认领

作者：

周超

学位授予单位：

西南交通大学

摘要：

进入二十一世纪,纳米科技已广泛应用于军事、信息、能源、航天事业、医学等多个领域。单晶硅则因其优秀的物理、机械和电子学性能,适于制造集成电路、太阳能电池以及硅基半导体器件,成为支撑纳米技术发展的重要材料。目前,工业中已经广泛使用的微/纳米制造技术,包括光刻技术、纳米压印技术、电子束光刻技术、探针阳极氧化技术等,以进行单晶硅表面的加工。但是,随着纳米技术的多样化发展,开发更多的纳米加工方法仍十分必要。摩擦诱导选择性刻蚀加工方法则由于具有分辨率高、成本低、易操作、加工灵活可控等优点,具有较好的应用前景。目前,工业上常用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液对单晶硅材料进行刻蚀以达到加工的目的,但目前尚无关于摩擦诱导TMAH选择性刻蚀的研究。本文系统研究了在TMAH溶液进行摩擦诱导选择性刻蚀过程中,关键刻蚀参数对摩擦诱导选择性刻蚀的影响,并结合高分辨透射电镜观测,分析了单晶硅材料在TMAH溶液中具体的摩擦诱导选择性刻蚀机理。本论文的具体研究内容如下:(1)考察了刻蚀参数对单晶硅表面摩擦诱导选择性刻蚀的影响规律摩擦诱导选择性刻蚀形成的凸起结构高度主要受刻蚀温度以及刻蚀时间两个参数的影响。其中,摩擦诱导选择性刻蚀速率随温度的升高而增加,而选择性刻蚀最终会随着刻蚀时间的增加消失。不同晶面也表现出了不同的选择性刻蚀特性:Si(100)晶面的选择性刻蚀效果最为明显,0 min到8 min的刻蚀时间可以得到较好的加工效果,Si(110)晶面也具有良好的选择性刻蚀效果,而Si(111)晶面在TMAH溶液中的刻蚀速率较低。在一定的刻蚀时间内,针尖施加在单晶硅材料表面的载荷的大小对摩擦诱导选择性刻蚀加工所产生的凸起结构高度无显著影响,对所产生的凸起结构的宽度则有较为明显的影响。(2)阐述了单晶硅表面在TMAH溶液中摩擦诱导选择性刻蚀的机制金刚石针尖在单晶硅表面刻划过后,会对单晶硅表面造成损伤,形成变形层(包括氧化层以及晶格畸变层)。实验结果表明,刻划区域表面的变形层在TMAH溶液中的刻蚀速率远小于单晶硅在TMAH溶液中的刻蚀速率,因此,其在摩擦诱导选择性刻蚀加工中充当了掩膜的作用。此外,不同速度下的刻划及其选择刻蚀效果表明,低速刻划所形成的非晶硅,在THAH溶液中亦能降低刻蚀速率,起到掩膜的作用。(3)开展了单晶硅表面在TMAH溶液中摩擦诱导选择性刻蚀的加工在上述基础上,运用原子力显微镜的闭环模块以及编制运动轨迹程序(C语言)实现了针尖的运动轨迹控制。通过TMAH摩擦诱导选择性刻蚀在单晶硅表面加工出了一系列带有直线、曲线、不同角度等特征的纳米结构,该结构具有高度一致、宽度均匀等特点。综上所述,单晶硅表面TMAH摩擦诱导选择性刻蚀具有加工精度高、可控性好、表面光洁度高等优点。本文通过单晶硅在TMAH溶液中的摩擦诱导选择性刻蚀的规律,进一步完善了摩擦诱导纳米加工方法;相关结果有助于丰富纳米加工基本知识,并促进摩擦诱导选择性刻蚀在微机电系统和集成电路制造中的应用。

摘要译文

关键词：

原子力显微镜; 透射电镜; 单晶硅; 摩擦诱导选择性刻蚀; 纳米加工

学位年度：

2019

学位类型：

硕士

学科专业：

机械工程

导师：

钱林茂

中图分类号：

O613.72[硅Si+⑨]

学科分类号：

070301[无机化学];081704[应用化学]

D O I：

10.27414/d.cnki.gxnju.2019.002908