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传统的等离子体刻蚀中,等离子体是作用在整个样品表面上的,需要借助造价较高的设备仪器和繁冗的光刻工艺来实现局部刻蚀。利用尺寸在1mm以下的微电极产生微小尺度的等离予体可以实现局部刻蚀。随着扫描探针显微镜的应用和不断发展,扫描探针显微镜不仅可以作为高精度的成像工具,更可作为有效的微操纵工具实现微纳米加工。课题组提出的微小等离子体扫描刻蚀方法的核心技术是就是将扫描探针技术和微小等离子体刻蚀相结合。通过在并行探针针尖上集成微小等离子体放电器实现高精度的无掩膜扫描刻蚀加工。在刻蚀间距的检测和控制中,本论文提出了基于静电力的刻蚀间距控制方法,利用扫描探针技术,依靠针尖和样品间的静电力和间距的关系来反馈刻蚀间距和样品表面信息。从而实现刻蚀中放电器针尖对样品的逼近和间距调节,以及在满足刻蚀精度和效率的高度下对样品进行扫描。
在理论部分,本文对不带针尖的多层悬臂梁进行建模,并求解静电力作用下,悬臂梁自由端挠度和加载电压以及与样品表面间距三者之间的关系式,并将多层梁转换为具有等效厚度和等效弹性模量的单层梁。在仿真部分,分别对等效为一层膜的单层梁、带针尖的单层梁和商用悬臂梁进行静电力仿真,得到了不同加载电压下,悬臂梁自由端的挠度在逼近过程中随着针尖,样品间距逐渐减小时的变化,另外,对比了带针尖和不带针尖的两种悬臂梁的挠度;分析梁和针尖部分的静电力分别在逼近过程中对探针挠度变化的贡献。
在实验部分,使用商用的悬臂梁探针在原子力显微镜上进行了逼近和扫描成像实验。不仅验证了探针和样品之间静电力作用的存在,并在针尖和样品的逼近过程中得到了悬臂梁探针自由端所受静电力随间距变化的力曲线,和仿真中得到了结果进行对比,验证了实验和仿真的一致性。
为了实现并行探针的扫描刻蚀和成像,并验证激光偏转法检测集成微放电器的悬臂梁在对样品进行逼近和扫描过程中的微小形变的可行性,我们在原子力显微镜上对单个探针进行了成像实验。实验中,获得了逼近过程中探针所受的原子力变化的力曲线,以及探针振动振幅变化的振幅曲线。在对样品扫描成像的过程中,获得了较为清晰的样品的表面形貌图,分辨率达到了几十纳米。
最后,本论文对集成微放电器的悬臂梁的制作,刻蚀系统的搭建,包括探针的夹持,样品台,以及真空腔设计分别进行了介绍,为后续的无掩膜扫描刻蚀的器件制作、设备及环境需求奠定了基础。