基于摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕的單晶硅表面低損傷納米加工研究.pdf

1、納米科技推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會的進(jìn)步，而納米制造是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。單晶硅因其良好的機械性能及物理性能，是構(gòu)建微/納器件與系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)材料。隨著器件的不斷微型化、集成化以及功能多樣化，傳統(tǒng)的硅基納米加工方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，比如分辨率難以提升、成本昂貴、加工損傷無法避免等。因此，為了滿足納米科技的發(fā)展要求，開發(fā)高分辨、低成本、低損傷的新型硅基納米加工技術(shù)勢在必行。近年來，摩擦誘導(dǎo)納米加工方法以其簡單、靈活、分辨率高等優(yōu)勢

2、，在眾多納米加工技術(shù)之中脫穎而出。該方法不依賴于模板，無需外加電場，結(jié)合濕法刻蝕技術(shù)可以實現(xiàn)各種微納圖形結(jié)構(gòu)的加工。目前，針對石英及砷化鎵的摩擦誘導(dǎo)納米加工方法已趨于成熟，而單晶硅摩擦誘導(dǎo)納米加工方法尚存加工深度受限、加工結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重、加工機理不明等亟待解決的問題。因此，開展兼具大深度和低損傷等特性的摩擦誘導(dǎo)納米加工方法研究，不僅可以豐富摩擦誘導(dǎo)納米加工方法的基礎(chǔ)理論及提升其加工能力，而且有助于加快相關(guān)納米加工技術(shù)的實用化進(jìn)程。

3、　　本文采用原子力顯微鏡、納米劃痕儀、納米力學(xué)測試系統(tǒng)、自主研制的大面積微納米加工設(shè)備以及相關(guān)的分析表征手段，系統(tǒng)地開展了單晶硅表面低損傷的摩擦誘導(dǎo)納米加工方法研究。首先，采用透射電鏡和俄歇電子能譜分析等手段，研究了摩擦誘導(dǎo)非晶硅在KOH溶液刻蝕加工中的“掩膜”作用，通過電化學(xué)理論對其機理進(jìn)行了深入探討，建立了基于非晶層“掩膜”的摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕納米加工方法。其次，為降低加工損傷、提高加工深度，根據(jù)HF溶液對刻劃損傷Si3N4薄膜的選

4、擇性刻蝕，提出了基于Si3N4掩膜的摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕納米加工方法，并通過俄歇電子能譜分析以及刻蝕實驗揭示出選擇性刻蝕機理。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低加工損傷（甚至實現(xiàn)無品格損傷納米加工），根據(jù)摩擦化學(xué)主導(dǎo)的Si/SiOx去除機制，分別提出了基于SiOx掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)選擇性刻蝕、無掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)直寫兩種無損傷的納米加工方法，并通過高分辨的透射電鏡觀測證實這兩種加工方法的無損傷性。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　(1)

5、證實了摩擦誘導(dǎo)非晶硅在KOH溶液刻蝕加工中的“掩膜”作用，并揭示出其“掩膜”機理。
　　通過研究首次證明相對于Si(100)基底，摩擦誘導(dǎo)非晶硅能夠有效地抵抗KOH溶液的刻蝕，且在摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕加工中起到主導(dǎo)的“掩膜”作用。分析其原因，摩擦誘導(dǎo)非晶硅的平均懸掛鍵密度小于單晶硅(100)的懸掛鍵密度，因此具有更低的化學(xué)反應(yīng)活性，使得其在KOH溶液的刻蝕中表現(xiàn)出良好的“掩膜”效應(yīng)。非晶硅“掩膜”作用的澄清修正了以往將“掩膜”作用完

6、全歸結(jié)為表面SiOx層的局限認(rèn)識，為發(fā)展單晶硅表面無掩膜的納米加工方法提供了理論依據(jù)。
　　(2)揭示出HF溶液對刻劃損傷Si3N4掩膜的選擇性刻蝕機理，提出了單晶硅表面基于Si3N4掩膜的摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕納米加工方法。
　　研究表明刻劃載荷越大，Si3N4掩膜表面的裂紋萌生得越明顯，導(dǎo)致其在HF溶液中的刻蝕速率越快?；谶@種損傷誘導(dǎo)的選擇性刻蝕機理，可方便地將刻劃在Si3N4掩膜上的圖案轉(zhuǎn)移到硅基底上，進(jìn)而利用KOH溶液

7、對暴露的硅基底進(jìn)行深刻蝕，最后在HF溶液中將殘余的Si3N4薄膜去除從而獲得所需要的單晶硅納米結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的摩擦誘導(dǎo)納米加工方法相比，該方法所加工的結(jié)構(gòu)具有更低的損傷、更深的深度，并可方便地在單晶硅表面構(gòu)筑出超疏水的納米織構(gòu)。
　　(3)提出了單晶硅表面基于SiOx掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)選擇性刻蝕納米加工方法。
　　研究表明，利用潮濕環(huán)境下二氧化硅針尖與Si/SiOx（單晶硅基底/SiOx掩膜）的摩擦化學(xué)反應(yīng)，可在較低的接觸壓力

8、下實現(xiàn)摩擦區(qū)域SiOx掩膜的去除。據(jù)此提出了單晶硅表面基于SiOx掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)選擇性刻蝕納米加工方法:首先采用濕法氧化的方法在H-鈍化的單晶硅樣品表面生長出一定厚度的SiOx掩膜，然后利用二氧化硅針尖去除目標(biāo)區(qū)域的SiOx掩膜從而暴露出硅基底，最后通過KOH溶液的選擇性刻蝕獲得所需的納米結(jié)構(gòu)。高分辨的透射電鏡觀測表明，無論是二氧化硅針尖誘導(dǎo)的摩擦化學(xué)去除過程，還是KOH溶液的濕法刻蝕過程，均不引入晶格損傷。該方法解決了傳統(tǒng)摩擦誘導(dǎo)

9、納米加工方法所導(dǎo)致的加工損傷問題，有望應(yīng)用于無損傷單晶硅納米壓印模板的制造。
　　(4)根據(jù)單晶硅的摩擦化學(xué)去除機理，提出了單晶硅表面無掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)直寫式納米加工方法。
　　根據(jù)單晶硅的摩擦化學(xué)去除機理，建立了無掩膜的摩擦化學(xué)誘導(dǎo)直寫式納米加工方法。該方法直接利用二氧化硅針尖對單晶硅樣品的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行刻劃即可加工出溝槽結(jié)構(gòu)。刻劃過程中，接觸壓力(0.3～1.2 GPa)遠(yuǎn)低于導(dǎo)致單晶硅材料屈服的臨界壓力(11.3 GP

10、a)，因此不引起單晶硅材料的屈服，摩擦化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)刻劃區(qū)域的材料去除行為。高分辨的透射電鏡觀測表明采用該直寫式加工方法獲得的結(jié)構(gòu)仍為單晶硅，且無位錯等缺陷。該方法首次通過無掩膜的直寫加工方式實現(xiàn)了單晶硅表面無損傷的納米加工。
　　綜上所述，為了順應(yīng)單晶硅表面高分辨、低成本、低損傷的納米加工要求，本文根據(jù)不同的加工機制，建立了多種不同的單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米加工方法。針對不同的加工需求，各種方法具有自身獨特的優(yōu)勢:采用基于非晶層“掩