新型电化学微刻蚀技术及其机理的研究

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微纳米科学技术作为二十一世纪的关键高新技术之一,将导致人类认识和改造世界能力的重大突破。而具有强烈交叉学科色彩的微系统(或微机电系统,MEMS)可能迅速崛起和蓬勃发展,成为微纳米科技中的核心之一。为了适应微系统技术的快速发展,必须发展和建立新型的微加工技术。而作为一个新型的微加工技术,必须满足以下要求:(1)能够复制加工出复杂三维结构;(2)加工精度能达到亚微米至纳米级;(3)可以实现批量复制。 1992年,田昭武院士在国际上首次提出了约束刻蚀剂层技术(Confined Etchant Layer Technique),该技术能同时满足上述三个基本要求,并创造性将传统的湿法化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀,是一种有望应用于微系统制造领域的新型加工技术。随着CELT技术的发展和完善,已经在很多材料上实现了三维微结构的加工。本论文在此基础上进行了Mg和Si等材料的CELT微刻蚀以及刻蚀体系的研究。研究工作如下: 一.CELT技术用于金属Mg表面三维微图形的复制加工通过比较镁在四种刻蚀体系中的腐蚀行为和实际刻蚀效果,选取了NaNO2+NaOH+ Na2SiO3体系作为化学刻蚀体系和捕捉体系。利用体硅工艺加工出来的带有阵列微结构的模板,通过优化工艺参数,在Mg表面得到了与阵列模板基本互补的微结构。利用SEM和AFM对加工结果进行表征,模板上两个微立方体之间的间隔约为7.109 μm,微立方体的宽度约为3.008 μm,与模板上两个微立方体之间间隔对应的镁片点阵顶部距离约为6.075 μm,与模板微立方体宽度对应的镁片上立方凹坑的宽度约为3.163 μm。这两组数据可以看出,模板点阵间隔与镁片点阵间隔相差1.034 μm,单边相差0.517 μm;而两组凸凹微立方体的宽度相差155 nm,单边相差77.5 nm。我们取最大公差作为刻蚀剂层厚度,为0.517 μm。可见,加入捕捉剂后成功地将刻蚀剂层约束在亚微米级的范围内,基本实现了亚微米级分辨率的微加工。 二.硅表面三维微结构加工体系的研究由于硅的化学性质不活泼,在常温下很难反应,因此,找到能够有效刻蚀硅的刻蚀剂以及相应的捕捉剂是本论文的主要研究工作。论文研究了三种刻蚀体系的刻蚀机理、刻蚀行为和约束效果,选出HClO3/HF体系作为刻蚀硅的优先体系进行了进一步的研究,结果表明该体系有望在硅表面加工出高分辨率的复杂三维微图形。
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