（精密仪器及机械专业论文）微等离子体扫描加工系统中核心器件的关键工艺技术研究.pdf

摘要 摘要 在微纳米加工技术中，微等离子体不但继承了宏观等离子体刻蚀速率高，方 向性好，可刻蚀材料广泛，材料选择性突出等优良特性，还可实现无掩膜直写式 局部刻蚀，甚至可以进行非平面表面的高精度三维立体加工，因此近年来受到广 泛关注和研究。然而，目前的微等离子体器件由于加工分辨率低，体积较大不利 于集成化等缺点，仍无法成为微纳米加工的主流手段。我们提出了一种基于扫描 探针的微等离子体加工方法，以实现集成化、高效率、高分辨率的微等离子体无 掩膜刻蚀。本文对该探针式微等离子体扫描加工系统中的核心器件一带纳米孔 空心针尖的悬臂梁的制作工艺及其加工中的一系列关键技术问题进行了系统的 研究论述。 本论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 硅在应力作用下的非均匀氧化研究。在探针式微等离子体扫描加工系 统的器件制作中，非均匀氧化决定了利用各向同性湿法刻蚀获得空心针尖及尖端 纳米孔的可行性。论文以v 形槽结构为对象，研究了硅在应力作用和几何约束 下的非均匀氧化现象。理论分析基础上的实验研究证明，单晶硅在应力作用和几 何约束下的非均匀热氧化结果，决定于其内部应力的不均匀分布状态，在加工中 同时受到氧化温度和氧化时间的影响。最后以此为依据，分析了所需纳米孔空心 针尖的结构特点，给出了合理的氧化工艺参数。 ( 2 ) 纳米孔空心针尖阵列的制作。首先研究了系统中最薄弱的金字塔空心 针尖结构的力学特性，分析了其在加工过程中的内应力分布规律及载荷、针尖宽 厚比等因素对结构的影响。在此基础上，利用氧化、湿法刻蚀及背面释放等传统 m e m s 工艺，批量制备了所需带纳米孔的空心针尖阵列。与其他加工方法相比， 本工艺成本较低，效率较高，可靠性较好。在对各关键工艺进行了系统的设计、 实验和优化后，首先制备出底部宽度5 0 1 x m 和1 0 0 1 m a ，宽厚比达到1 5 0 ：1 的金字 塔空心针尖阵列，并在其尖端批量获得了5 0 - 2 0 0 n m 的纳米孔，加工成品率超过 9 5 。最后，论述了工艺过程中的一致性要求及控制方法。 ( 3 ) 多层复合悬臂梁的优化设计。探针式微等离子体扫描加工系统中，微 放电器被整体集成在氧化硅悬臂梁上，多层薄膜的沉积与图形化会在悬臂梁中产 生复杂的残余内应力状态，引起结构弯曲变形。首先利用s t o n e y 公式的原理测 量了系统中所使用的各种薄膜材料内应力，在此基础上，研究了硅氧化硅双层 悬臂梁和集成了微放电器的多层悬臂梁的弯曲现象及其中各层薄膜对弯曲的影 响，并以此为依据对多层复合悬臂梁进行了优化设计，给出了最佳结构参数和加 摘要 工中工艺控制参数。 ( 4 ) 纳米孔空心针尖与悬臂梁和微放电器的集成工艺研究。基于上述纳米 孔空心针尖制作工艺及多层复合悬臂梁的优化设计，成功地将纳米孔空心针尖阵 列集成在氧化硅悬臂梁阵列前端，并在其基础上制作了高质量的微放电器。对该 集成方法所具有的良好兼容性进行了分析，并着重论述优化了其中的关键工艺， 制作出的集成器件基本满足了探针式微等离子体扫描加工技术需求。 ( 5 ) 微等离子体的性能测试。在实验室原有设备基础上，设计并加工出一 套微等离子体性能测试装置。利用该装置，获得了反应刻蚀气体在微放电时所产 生等离子体的伏安曲线和发射光谱，经过初步的实验和分析，为系统的设计优化 和进一步的微等离子体反应离子刻蚀研究提供了重要依据。 基于以上研究，本论文在以下方面具有创新之处：( a ) 将带纳米孔的金字塔 空心针尖结构应用于微等离子体加工技术。在制备出高质量纳米孔空心针尖的基 础上，将其与悬臂梁和微放电器进行了集成，实现了微等离子体加工系统的集成 化和微型化。( b ) 系统研究了探针式微等离子体扫描加工系统中，器件制作过 程中的一系列关键技术问题，包括硅在应力作用和几何约束下的非均匀氧化现象 及影响因素；金字塔空心针尖的力学特性以及多层复合悬臂梁的优化设计等。( c ) 设计并加工出一套微等离子体电学性能和光谱性能测试装置，并利用该装置研究 了反应刻蚀气体在微小尺度下的放电特性，获得了其伏安曲线及发射光谱，为进 一步的微等离子体反应离子刻蚀研究提供了重要依据。 关键词：微等离子体扫描加工纳米孔空心针尖悬臂梁 a b s t r a c t i nm i c r o n a n o f a b r i c a t i o n , m i c r o p l a s m an o to n l yi n h e r i t st h eh i g he t c h i n gr a t e ， 9 0 0 de t 池gd i r e c t i v i t ya n d m a t e r i a ls e l e c t i v i t yo fm a c r op l a s m a , b u ta l s oc 觚r e a l l z e am a s k l e s sl o c a l i z e de t c h i n gp r o c e s s m o r e o v e r , t h r e e - d i m e n s i o n a le t c h i n gc a nb e c a r r i e do u te v e no nan o n p l a n a rs u r f a c ew i t hm i c r o p l a s m aw h i c ha t t r a c t e dm o r ea n d i n o r ea t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , m o s to f t h ee x i s t i n gm i c r o p l a s m ae t c h i n g d e v i c e sw o r k 丽ml o we f f i c i e n c ya n dl o wr e s o l u t i o n ，s ot h a tt h e yh a v en o tb e c o m e m ed o m i n a t em e t h o d so fm i c r o n a n o f a b r i c a t i o n an e wi n t e g r a t e dm i c r o p l a s m a e t 龇gs y s t e mb a s e do ns c a n n i n gm i c r op m b ew a sp r e s e n t e d i no u rg r o u p ，a n da h l i c r o p l a s m am a s k l e s se t c h i n g c a nb er e a l i z e dw i t hh i g he f f i c i e n c y a n dh i g h r e s o h l t i o n t h ec a n t i l e v e ra r r a yw i t hn a n o a p e r t u r eh o l l o wt i p si st h ec o r ec o m l ：o n e n t o ft i f f sm i c r o p l a s m ae t c h i n gs y s t e m t h ea r r a yi s f a b r i c a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n d i i l t e g r a t e d w i t hm i c r o p l a s m ag e n e r a t o r s f u r t h e rm o r e ，k e y p r o c e s s e s 1 nt l a e f a b 血a t i o na n da p p l i c a t i o na r er e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d i nd e t a i l t h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f 1 ) r e s e a r c ho nt h es t r e s s d e p e n d e n tn o n u n i f o r ms io x i d a t i o n s t r e s s 。d e p e n d e n t n o 伽n i f 0 衄o x i d a t i o np l a y sa n de s s e n t i a lr o l e i nt h ef a b r i c a t i o no fn a n o a p e m e h o l l o wt i p s a c c o r d 岖t ot h eo x i d a t i o nt h e o r y , t h en o n u n i f o r m i t y i sr a d i c a l l yf r o mt h e o x i d a t i o nr a t er e t a r d a t i o nc a u s e db yi n t r i n s i cs t r e s si n o x i d el a y e r i tl sp r o v e db y e x p e 血1 e n t st h a tt h en o n u n i f o r ms i l i c o no x i d a t i o ni sa ni n t e r a c t i n g r e s u l t 砒t h es t r e s s g e n e r a t i o na n ds t r e s sr e l a x a t i o n ，a n d i tc a nb ec o n t r o l l e db yo x i d a t i o nt e m p e ：r a t u r ea n d o x i d a t i o nt i m e b a s e do nt h i s ，p r o p e r o x i d a t i o np a r a m e t e r sa r ec h o s e nf o rt h e f a b r i c a t i o no fn a n o a p e r t u r eh o l l o wt i p s ( 2 ) f a b r i c a t i o no ft h en a n o a p e r t u r eh o l l o wp y r a m i d t i pa r r a y s h o l l o wp y r a m i d t i pi st h ew e a k e s ts t r u c t u r ei no u rm i c r o p l a s m ae t c h i n gs y s t e m ，s o t h em e c t 姗c a j c h a r a c t e r i s t i c so ft h et i p sa r er e s e a r c h e da tf i r s t t h ei n n e rs t r e s sd i s t r i b u t i o na n d t h e i 1 1 f l u e n c e so f l o a d a n dw i d t h - t h i c k n e s s r a t i oa r ed i s c u s s e d b a s e d o nt h i s ， n a n 0 a p e 加eh o l l o wp y r a m i dt i pa r r a y sa r ef a b r i c a t e du s i n g t h et r a d i t i o n a lm ，e m s f a b r i c a t i o np r o c e s s t h i si saf a b r i c a t i o np r o c e s sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n d l o wc o s t a f t e rp r o c e s so p t i i i l i z a = c i o na n dc o n t r o l l i n g ，h o l l o wp y r a m i dt i p sw i t h t h eb a s ew i d t h o f5 0 啪a n d10 0 1 x ma r eo b t a i n e d t h ew i d t h - t h i c k n e s sr a t i oo f t h e s ef r a g i l et i p sl su p t 015 0 ：1b u tt h ep r o d u c ty i e l dc a nr e a c hm o r et h a n9 5 a tt h ea p e x e so f t h eh o l l o w t i p s ，姗0 a p e r t u r e so f5 0 n 2 0 0 n m i nd i a m e t e ra r ee t c h e di nb a t c h e s i i i ( 3 、o p t i m i z a t i o no f t h em u l t i l a y e rc a n t i l e v e r i nt h em i c r o p l a s m ae t c h i n gs y s t e m ， m i c r o p l a s m ag e n e r a t o r sa r ei n t e g r a t e do n t h es i 0 2c a n t i l e v e r s ，a n dt h e r ea r ed i f f e r e n t i i l i l e rs 仃e s s e si ne a c hl a y e r ，w h i c hc a u s et h ec a n t i l e v e rb e n d i n g t h ei n n e r s t r e s s e sa r e m e a s u r e d 衍n 1s t o n e yt h e o r ya tf i r s t b a s e do nt h i s ，t h ep h e n o m e n o n o ft h em u l t i l a y e r c 锄_ t i l e v e rb e n d i i l ga n dt h ei n f l u e n c eo fe a c hl a y e ra r er e s e a r c h e d ，a n dt h ef i l m t h i c k n e s s e sa r eo p t i m i z e d “) i n t e g r a t i o no f t h en a n o a p e r t u r eh o l l o wt i p sw i t hc a n t i l e v e r s a n dm i c r o p l a s m a g e n e r a t o r s w i t hs o m er e s e a r c h e so i lt h ei n t e g r a t i o np r o c e s s e sa n d t h ek e yf a b r i c a t i o n t e c m q u e s ，t h en a n o a p e r t u r eh o l l o wt i p sa r ei n t e g r a t e dw i t h t h ec a n t i l e v e ra r r a y sa n d l i c r o p l a s 如【ag e n e r a t o r s a n dt h i sd e v i c ec a l l a l m o s tm e e tt h er e q u i r e m e n t o f m i c r o p l a s m ae t c h i n gi no u r r e s e a r c h ( 5 ) t h em i c r o p l a s m at e s t i n g b a s e do nt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t i no l l rl a b ，as e to f m i c r o d l a s m at e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n u s i n gt h i ss y s t e m ，v i c u r v e sa n de m i s s i o ns p e c t r u m sa r eo b t a i n e da n ds o m ep r e l i m i n a r ya n a l y s e s a r e p r e s e n t e d w h i c hp r o v i d e si m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o ro p t i m i z a t i o no f t h em i c r o p l a s m a e t c h i n gs y s t e m t h e r ea r es o m ec r e a t i v ep o i n t si nt h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ：( a ) n a n o 。a p e r t u r e h o o wt i p sa r ea p p l i e di nm i c r o p l a s m ae t c h i n g i n t e g r a t e d a n dm i n i a t u r i z e d m i c r o p l a s m ae t c h i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ( b ) k e yi s s u e si n t h es y s t e mf a b r i c a t i o n a r l da p p l i c a t i o ns u c ha sn o n u n i f o r mo x i d a t i o n ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh o l l o w p y r a m i dt i p s ，m i c r o p l a s m ae x t r a c t i o n ，a n dm u l t i l a y e r c a n t i l e v e ro p t i m i z a t i o na r e r e s e a r c h e d 觚dd i s c u s s e di nd e t a i l ( d ) a s e to fm i c r o p l a s m at e s t i n gs y s t e ml s d e v e l o p e da n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e a c t i v em i c r o p l a s m aa r eo b t a i n e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：m i c r o p l a s m a ，s c a n n i n ge t c h i n g , n a n o a p e r t u r e ，h o l l o wt i p ，c a n t i l e v e r i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：蝉 签字日期：丝! ：兰：圣矽 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 函公丌口保密( 年) 作者签名：自生空 签字日期：竺! ：茎：三圣 导师签名： 签字日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 【本章摘要】作为一种无掩膜加工技术，微等离子体扫描加工具有独特的技术优 势和重要的应用前景。本章分析了微纳米加工技术的发展趋势，微等离子体加工 的研究现状和探针式微等离子体扫描加工方法的技术特点。在对探针式微等离子 体扫描加工系统各组成部分详细分析的基础上，突出论述了其中核心器件一带 纳米孔空心针尖悬臂梁的技术要求和研究进展。在此基础上，提出本论文的研究 意义和具体目标。 1 1 微纳米b n 7 - 技术概述 微机电系统( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 主要包括微型机构、 微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微纳米加 工技术，井应用现代信息技术最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 m e m s 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用m e m s 技术制作的 微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子 器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到 的所有领域中都有若十分广阔的应用前景( 图11 ) 。 ( a ) 加速度传感嚣( 北京大学) ( b ) 微悬臂粱探针阵列( i b m ) 圈1 1 采用m e m s 技术制作的微纳米器件 微机电系统依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。实现功能及器件微纳米化 的基础是先进的微纳米加工技术。微纳米加工技术起源于半导体制造工艺，是指 加工尺度在微米、纳米级范围的加工方式，在m e m s 研究领域中，它是微米级、 第1 章绪论 亚微米级乃至纳米级微细加工的通称。目前，传统的微纳米加工技术主要包括沉 积技术、光刻技术、刻蚀技术、氧化掺杂技术等等。其中最常用的图形化工艺多 为采用掩模的加工方式，主要步骤为光刻和刻蚀。 光刻技术作为掩模微纳米加工技术中的关键步骤，其分辨率直接决定了掩模 加工的精度。光刻技术即首先在基底材料上涂覆光刻胶，然后利用极限分辨率极 高的光束来通过掩模对光刻胶进行曝光( 或称光刻) 。显影后，在光刻胶上获得了 与掩模图形相同或相反的微图形。利用后续的刻蚀方法，便可在基底材料上制造 出微图形结构。目前，光刻技术主要采用的曝光方式有：紫外曝光和x 射线曝 光。光刻技术具有较高的分辨率和加工效率，且技术已发展得相当完善。但其分 辨率提高受光学衍射效应局限。 刻蚀技术通常分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用刻蚀液进行的化学 刻蚀方法，干法刻蚀则是通过气态刻蚀剂进行的刻蚀加工方法。湿法刻蚀具有加 工效率高，选择性好等优点。但它作为一种化学刻蚀方法，加工精度较低，一般 只能达到微米量级，而且存在刻蚀废液的处理问题。干法刻蚀则是靠刻蚀剂的气 态分子或等离子体粒子与被刻蚀的样品表面接触反应来实现刻蚀。干法刻蚀主要 有离子刻蚀( i e ) 、离子束刻蚀( i b e ) 、等离子体刻蚀( p e ) 、反应离子刻蚀( r 皿) 和反 应离子束刻蚀( r i b e ) 等等。其中反应离子刻蚀是目前最常采用的干法刻蚀工艺， 等离子体对基底的刻蚀既有中性游离基的作用，又有反应离子的作用，所以既有 物理刻蚀过程，又有化学刻蚀过程。其工艺特点是刻蚀速率较高，可加工材料种 类广泛，且材料选择性好。 除此之外，在微纳米加工中，还发展出探针技术( 例如原子力显微镜、扫描 隧道显微镜为代表的固态探针和聚焦电子束、聚焦离子束为代表的非固态探针等 等) 和模型复制技术( 例如纳米压印、l i g a 工艺等等) 等微机电系统所特有的 加工手段。前者是一种适用于小批量或者科学研究中微纳米加工的方法，而后者 则是一种适用于大批量生产的工艺方法( 崔铮，2 0 0 9 ) 。 1 2 微等离子体在微纳米加工中的研究进展 1 2 1 微等离子体在微纳米加工中的应用 作为一种传统的微纳米干法加工手段，等离子体加工得到了广泛的应用( 甄 汉生，1 9 9 0 ) ，主要包括等离子体沉积和等离子体刻蚀两个方面。在等离子体沉积 中，包括等离子体溅射沉积和等离子体诱导沉积等多种技术，以其高效、高质量 等优势，得到了广泛认可。而在等离子体刻蚀中，由于其具有较高的刻蚀速率， 2 第l 章绪论 很好的材料选择性和刻蚀方向性，已经成为了干法刻蚀中的代表性手段。 传统等离子体微纳加工方法主要采用平行平板、感应耦合以搜电子回旋等离 子体反应器。这些等离子加工方法都是以宏观等离子体为基础，是一种掩模加工 技术，在进行选择性刻蚀时，都需要在基片表面采用掩模材料保护无需加工的区 域，其加工精度取决于掩模图形光刻曝光的精度，不适用于小批量、多品种的高 精度微纳米器件的加工。 近年来，将传统等离子体微型化的微等离子体技术，得到了越来越多的关注 ( k o g e l s c h a t z u ，2 0 0 7 ) ：( b e e k e t k h ，2 0 0 6 ) ；( c h i a n g w h 2 0 0 7 ) ；( g e n o l e t q 2 0 0 1 ) ：( i z a r2 0 0 8 ) ；( k i r i us ，2 0 0 9 ) ；( n o z a k it ，2 0 0 7 ) ；( t a c h i b a n a k ，2 0 0 6 ) ； ( t a k a oy2 0 0 7 ) ；( w i l s o ncg2 0 0 3 ) 。微等离子体除继承了宏观等离子体的上 述优势外，还可以实现无掩膜局部加工，避免了复杂的掩膜技术。在微纳米加工 中，微等离子体也被应用于材料沉积和刻蚀两个方面( s a r t k a r a n r m ，2 0 0 3 ) 。 如图12 ，为微等离子体诱导沉积的结构示意图和沉积结果。等离子体产生 后，携带沉积源气体从喷管中喷出，将所需物质沉积到样品表面，能够直接在样 品局部得到所需的材料结构和特定分布( m a r i o t t id ，2 0 0 7 ) 。 a ) 系统结构示意图( r a b a l l a n dv2 0 0 8 ，2 0 0 9 )( b ) 沉积结果( $ h i m i z a y2 0 0 9 ) 图1 , 2 微等离于体诱导沉积技术 一q 妇蕾。 c ”p 盯啪f i lm e n t0 0 9 甲u b 。 c o p p e r w e b扎uu ( m m ) 耋耋兰三三 一 t e f l o np f p e ，ilk ：p 1 p 2 p 3 q r tq l a s s t u b e p o w e fs i j p p l i e r a ) ( h o n g y c 2 0 0 6 ) ( b ) ( n i t l 2 0 0 8 ) 图1 3 两种微等离子体刻蚀装置示意圈 第1 章绪论 微等离子体在微纳米加工中最主要的应用集中在材料局部刻蚀( 图1 3 ) ( i c h i l dl2 0 0 4 ) ：( y o s h i k ih ，2 0 0 7 ) ；( i d e n ol2 0 0 5 ) ；( v o i g t 工2 0 0 0 ) 。传统的 等离子体刻蚀工艺中，在要获得特定的图形和结构时，通常需要重复复杂的光刻 工艺，并需要大量的光刻模扳，而这些模板彼此几乎不可替代共用。微等离子体 刻蚀则可以直接实现材料的无掩膜图形忧，并能通过扫描获得复杂的微纳米结 构。另外，微等离子体因为其局部刻蚀的特性和灵活性好的优势，还可以实现三 维立体加工，甚至可以在非平面表面实现局部刻蚀( 围l4 ) ，这是传统的宏观等 离子体刻蚀很难办到的。 圈1 4 微等离子体在铜丝表面实现的局部三维刻蚀( y o s h i l dh2 0 0 7 ) 虽然微等离子体刻蚀技术具有上述诸多优点，但目前仍没有成为微纳米加工 中的主要手段，其主要局限性在于：首先，目前存在和使用的微等离子体刻蚀装 置绝大多数采用如图1 3 所示的微等离子体喷流结构( r a b i n o v y c h o ，2 0 0 4 ) ； ( r a n g e l o w lw 2 0 0 1 ) ，等离子体本质上还是在宏观腔体内产生，柬流后以气流 压差为动力导出成为微等离子体实现局部刻蚀。这类装置通常采用传统宏观方法 加工，体积较大，不易实现阵列化并行操作，因此加工效率较低，也无法进行更 高效的集成；其次，受装置原理和加工手段所限，微等离子体的柬流导出直径通 常较大，只能实现1 0 1 0 0 p m 的刻蚀分辨率，这显然无法满足微纳米加工的需求。 为此，在我们的研究中，提出了一种基于并行扫描探针技术和微放电技术的探针 式微等离子体扫描加工技术。 22 探针式微等离子体扫描 d - t - 技术 如图15 所示，为我们设计提出的探针式微等离子体扫描加工器件( w e n l ， 第1 章绪论 2 0 0 9 ) ；( x i m a g ww ，2 0 0 9 ) ；( 王海，2 0 0 5 ) 。在直流激励的驱动下，n l - p i - n l 三 明治结构的微放电器利用空心阴极效应( s c h o e n b a e h k h ，2 0 0 3 ) ：( e d e nj g2 0 0 5 2 0 0 6 ) ；( l um ，2 0 0 8 ) ；( o s t r o mnb2 0 0 4 ) ；( p a r ksj ，2 0 0 7 ) ；( t c h e r t c h i a npa ， 2 0 0 8 ) ，在金字塔空心针尖内产生局部高浓度的微等离子体该等离子体通过空 心针尖尖端的纳米孔被导出到目标样品表面，实现亚微米甚至更高分辨率的局部 无掩膜刻蚀。该微等离子体刻蚀系统集成在氧化硅悬臂粱阵列前端，样品扫描时， 通过对悬臂梁阵列中不司放电器的驱动，即可实现并行扫描无掩膜刻蚀。 该加工系统集成了微等离子体刻蚀器件与扫描探针技术的优点，不但可以满 足多种材料的选择性微等离子体无掩膜刻蚀，还可以将加工精度提高到亚微米甚 至纳米量级，除此之外，还可以实现并行扫描刻蚀，大大提高了加工效率。 空心针尖 图1 , 5 探针式微等离子体扫描加工系统 在探针式微等离子体扫描加工系统中，与其他微等离子体刻蚀装置的最大不 同在于改系统是基于局部微放电器件，而且将其集成在悬臂粱探针上，实现了器 件的微型化和集成化，大大提高了器件本身的制造效率和微等离子体刻蚀效率。 该微等离子体扫描加工系统主要可分为两个部分：微放电器和纳米孔空心针 尖悬臂梁。n i p i - n i 三明治结构的微放电器是等离子体产生的必要部件，而纳米 第1 章绪论 孔空心针尖悬臂粱则是实现微等离子体扫描刻蚀的基础：金字塔形空心针尖是利 用空心阴极效应产生微放电的载体，而其尖端的纳米孔，是导出微等离子体实现 高分辨率刻蚀的关键，集成的悬臂梁，则是系统实现并行和扫描加工的前提。本 论文即主要对该纳米孔空心针尖悬臂粱结构设计制作中的一些关键工艺技术进 行了系统的研究论述。 1 3 纳米子l 空心针尖悬臂梁结构的研究进展 类似的纳米孔空心针尖及与悬臂粱集成的结构，已经在众多领域得到了应 用，例如纳米沉积及近场光学技术等等( t a y l o r m l ，2 0 0 7 ) 。 如图1 6 应用于钠米沉积的纳米孔空心针尖悬臂粱。沉积材料液化后装入 空心针尖中，当针尖接近被沉积样品表面时，由于分子吸附力的作用，液滴通过 针尖的纳米孔流出并沉积到样品表面，随着样品或者悬臂梁的扫描，即可实现纳 米直写式沉积。该结构及使用方法，在生物细胞等领域中有着广泛的用途。 ，一一， 谰 图1 6 纳米孔空心针尖悬臂梁在纳米沉积技术中的应用( m e i s t e r a 。2 0 0 3 ) s a m p l e 三二l 图l7 纳米孔空心针尖在近场光学技术中的应用( m i h a l c e a c ，1 9 9 6 ) ；( w e r a e rs ，1 9 9 7 ) 在近场光学领域，纳米孔空心针尖悬臂梁结构得到最广泛的研究和应用，如 图l7 所示，激光光束入射到空心针尖内，通过尖端的纳米孔，实现近场光与远 场光的耦合，达到亚波长的光学显示分辨率，突破了传统光学显微镜中的衍射极 限。与目前商用近场光学显微镜中使用较多的光纤探头相比，这种探头张角更大， 避 第1 章绪论 因此其光能量输出能够提高两个数量级以上，而日在使用中更加坚固耐用 ( c h a i g n e a u m ，2 0 0 7 h ( h a u m a r m c ，2 0 0 5 ) ；( h i r a t o m ，2 0 0 5 h ( h s u h l ，2 0 0 6 ) ； ( r a oz ，2 0 0 7 ) 。基于这些明显的优势，使用该纳米孔空心针尖结构作为探头的 近场光学显微镜已经从实验室走向了实际的产品开发( w i t e c 公司的a l p h a 3 0 0 s 系列近场光学显微镜) 。 基于上述应用前景，纳米孔空心针尖悬臂粱结构的制作和优化有着巨大的研 究价值和市场需求，目前常见的加工方法主要有以下几种： ( a ) f i b 打孔方法( 图18 ) ：这是目前使用最多的) j i m 方法，通过热氧化 或薄膜沉积在硅基底上的倒金字塔形空腔内获得氧化硅、氮化硅或其他材料的空 心针尖，该针尖释放后，再利用聚焦离子束( f i b ) 在其尖端钻刻出所需纳米孔 及其他纳米结构( g o tk ，2 0 0 2 ) 。该方法的突出优点是加工可靠性高，得到的纳 米孔质量好，而且可以在多种材料上按照需要精细加工出各种结构，例如图18 ( b ) 中增加光通量的同心环结构或者集成在近场光学显微镜探头上的a f m 针 尖( 图l9 ) 。但该方法所需设备昂贵，操作复杂，而且对于阵列针尖上的纳米孔， 只能逐个刻蚀加工，加工效率低，较难满足大批量生产的需求。 w 霍雪雾雾雪霍* 萨蝴 w 垦堕鱼垦圄t n 酽嬷澜 ”莹墼”晕镧 m 露函蠡_ 萄 南 ( a ) 加工方法示意图( b ) 加t 结果 图1 8f i b 打孔方法( k i m d 2 0 0 8 ) 图1 9 利用f i b 制作的集成a f m 针尖的纳米孔空心针尖( c h a n g w s ，2 0 0 7 ) 第1 章绪论 ( b ) 沉积空心针尖尖端局部刻蚀方法( 图l1 0 ) ：该方法首先利用传统的 k o h 各向异性刻蚀制作出高深宽比的单晶硅实心针尖，在其表面沉积氧化硅或 者氮化硅作为空心针夹的结构层，然后在表面旋涂光刻胶，由于针尖尖端曲率半 径极小，光刻胶厚度远小于其他位置，在短时间的等离子体辉化后，针尖尖端处 的氮化硅和氧化硅层露出，再通过等离子体刻蚀，局部去除针尖尖端的氮化硅和 氧化硅，最后通过释放得到带有开孔的空心针尖和悬臂梁。该方法采用传统的 m e m s 手段得到了所需的纳米孔空心针尖，相比f i b 打孔方法，大大提高了加 工效率，降低了加工成本，但该方法的成败取决于光刻胶涂覆和尖端辉化的结果， 较难有效控制，且针尖尖端得到的孔尺寸较大，通常在微米量级。 管：蠢- 网：邕刍。气量奠豳il 溷 ( a ) 加工方法示意囤 图1 1 0 沉积空心针尖尖端局部刻蚀方法 ( b ) 加工结果 ( m e i s t e r a ，2 0 0 3 ) ；( j u n g m y2 0 0 0 ) 置隧隧 ( b ) 衄! i i k a ) 加工方法示意图( c h o is s ，k i m dw ，2 0 0 5 )( b ) 加工结果( m i r t h p n ，2 0 0 1 ) 图1 1 1 非均匀氧化湿法刻蚀方法 ( c ) 非均匀氧化湿法刻蚀方法：首先利用热氧化在单晶硅倒金字塔形空腔 内获得空心针尖氧化层，该氧化发生在较低温度下，由于氧化硅内部的应力作用， 造成空腔内氧化厚度出现明显的非均匀性。针尖从背面释放后，通过氢氪酸溶液 的各向同性刻蚀，在氧化硅层最薄的针尖尖端处获得纳米直径孔。酸方法简单易 第1 章绪论 操作，而且具有较好的加工兼容性，也具有高效率、低成本的优点。但其中存在 的不足是，氢氟酸对氧化硅的刻蚀是各向同性的，纳米孔加7 - 过程中，整个针尖 会被同时减薄，因此最终获得的空心针尖结构相对其他方法较脆弱，通常需要在 其外表面沉积金属层，对针尖进行加固保护，该金属层还可以进一步提高纳米孔 的质量和减小孔径( k i mdw2 0 0 3 2 0 0 8 ) ；( m i n hpn ，1 9 9 9 2 0 0 1 ) ；( v o l l k o p f a ， 2 0 0 1 。2 0 0 3 ) 。 ( d ) 其他方法：前面介绍了三种使用较多的制作空心针尖及其尖端纳米孔 的方法，其中一个共同的特点是制作出的空心针尖是基于氧化硅或者氮化硅材 料，具有较好的工艺兼容性，能很好的与悬臂梁集成。此外，还有一些其他的加 工方法( b l a c k b u r nam ，2 0 0 6 ) ；( h a e f i g e rd ，2 0 0 2 ) ；( h a k a n s o nu ，2 0 0 3 ) ；( p e r e n t e s a ，2 0 0 5 ) ，也可有效制作出近场光学技术所需的带纳米孔空心针尖，这些针尖采 用金属作为其主要结构层。 如图1 1 2 ，该方法也是以硅的各向异性刻蚀后的金字塔形空腔作为基础，在 背面释放的过程中，严格控制刻蚀时间和刻蚀深度，正好得到纳米直径的开口， 再在其正面沉积所需的金属空心针尖。本方法由于依靠背面释放得到纳米量级开 孔，很难精确控制。但需要特别说明的是，该方法是制作带纳米孔的金字塔形空 心针尖，并将其应用于近场光学显微镜的鼻祖，为后续其他方法的开发提供了重 要的依据和参考。 b 图1 1 2 金属空心针尖及尖端的纳米孔制作( m i h a l c e ac ，1 9 9 6 ) 如图1 1 3 是采用类似金属剥离工艺原理得到的金属针尖开孔，通过控制s o i 硅片顶层氧化硅的开口，顶层硅各向异性刻蚀后，自截止在掩埋层上得到极小的 平台，去除该处掩埋层，形成后续金属层沉积的漏孔，即可得到尖端开孔的金属 针尖。图1 1 4 则是利用激光在针尖尖端加温，局部增加金属铝与水反应速率的 方法制作获得铝针尖尖端的开孔。这两种方法得到的是带开孔的实心针尖，但其 开阔的制作思路也值得参考和借鉴。 9 第1 章绪论 r _ 、蒜：需 ( a ) e = 兰= f 。自。 芒贮 田1 1 3 剥离方法( o e n o l e t g2 0 0 1 ) 图1 “激光诱导局部刻蚀方法( h a e f l i g e r d2 0 0 2 ) 1 4 本论文的研究意义及目标 本论文的工作来自国家自然科学基金项目“基于并行探针驱动的无掩模扫 描等离子体加工技术的研究”( 5 0 6 0 5 0 6 1 ) 。本课题将微等离子体反应器集成在扫 描探针技术中，集合扫描探针加工精度高、设备简单的优点和微等离子体可加工 材料广泛、加工效率高的长处，研究了一种新型的加工方法探针式微等离子 体扫描加工技术，为小批量、多品种的微纳米器件加工提供了一种新手段。该方 法将微等离子体反应器集成在微悬臂梁阵列上，并通过针尖尖端处的纳米孔将反 应等离子体导出到目标样品表面，实现并行局部扫描刻蚀加工。 在这种探针式微等离子体扫描加工技术中，带纳米孔空心针尖的悬臂梁是其 最重要的组成部分之一。首先针尖空腔是利用空心阴极效应产生高浓度微等离 子体的载体；其次，空心针尖尖端的纳米孔是导出微等离子体实现刻蚀的关键， 其质量和孔径大小，都会影响微等离子体刻蚀的速率和分辨率；最后，与悬臂梁 遂墼 第1 章绪论 的集成，使可控的并行扫描3 0 n t 成为可能，而且悬臂梁本身，是整个器件的核心 结构，是制作高质量微放电器的平台，也为后续压电自驱动自检测悬臂梁阵列的 集成提供了基础。可以说，能否制作出高质量的带纳米孔空心针尖的悬臂梁，决 定了能否利用微放电器产生微等离子体，并最终实现并行扫描无掩膜刻蚀。 本论文集中研究论述了探针式微等离子体扫描加工器件中所需的带纳米孔 空心针尖悬臂梁的制作及其中的关键工艺技术问题，研究目标如下： ( a )空心针尖及尖端纳米孔的制作，选择了非均匀氧化湿法刻蚀的方 法。如何通过工艺控制获得需要的空心针尖尖端纳米孔，是一个 需要重点解决的问题。在这个过程中，低温非均匀氧化是决定工 艺成败的重要步骤，需要对这一现象及其影响因素进行系统研究。 ( b )制作出用于微等离子体产生的高质量空心针尖阵列。与应用于其 他场合的小尺寸空心针尖不同，在微等离子体加工中，空心针尖 是产生微等离子体的腔体，需要为微放电提供足够的空间，因此 尺寸较大，从而整个针尖结构较为脆弱，如何高质量高成品率的 制作出这样的针尖，是一个挑战，也需要对这种空心金字塔薄壁 结构的力学特性进行一些系统的分析。 ( c )纳米孔空心针尖与悬臂梁的集成及与微放电