距離敏感的電化學(xué)刻蝕納米加工新方法研究：大面積微-納間隙的物理化學(xué)特性.pdf

1、電化學(xué)刻蝕因加工面不會(huì)產(chǎn)生損傷和應(yīng)力，是微加工領(lǐng)域中不可或缺的加工技術(shù)之一。通常，電化學(xué)刻蝕可按直接或間接的腐蝕途徑實(shí)現(xiàn)材料去除。前者需將導(dǎo)電工件作為電化學(xué)陽極，而后者依靠在工具電極表面電化學(xué)產(chǎn)生的刻蝕劑化學(xué)刻蝕工件表面。此外，理論研究揭示當(dāng)刻蝕劑從工具電極表面擴(kuò)散至工件表面是整個(gè)加工過程的速度決定步驟時(shí)，間接電化學(xué)刻蝕將具有距離敏感性，可將工具電極表面的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)高精度地刻蝕加工在工件表面。因此，間接電化學(xué)刻蝕具有更廣的適用性和更好的可

2、控性，有望成為一種普適的納米加工技術(shù)。然而，應(yīng)用間接電化學(xué)刻蝕方法加工大面積工件迄今尚未被探索。
　　本論文以采用間接電化學(xué)刻蝕方法實(shí)現(xiàn)銅工件表面(Φ50.8 mm)的全局平坦化加工為目標(biāo)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:1）采用一層氧化還原聚合物超薄膜作為刻蝕劑層，并將其固定在表面超光滑的碳膜工具電極(Φ50.8 mm)表面;2）將工具電極自然疊放在工件表面后，僅依靠電極自重和超薄膜的水合凝膠特性就可使得工具電極和工件表面形成均一的微/納間隙，

3、極大地簡(jiǎn)化了加工設(shè)備。在本論文中，我們系統(tǒng)地調(diào)查了這一特殊電化學(xué)微/納間隙結(jié)構(gòu)中的大面積超薄膜的物理化學(xué)行為、電場(chǎng)分布和物料平衡，探索了間接電化學(xué)刻蝕方法應(yīng)用于大面積銅工件的高精度無應(yīng)力全局平坦化加工的理論機(jī)制和實(shí)際能力。
　　論文的第三章首先描述了一種氧化還原聚合物超薄膜(Ru[(bpy)2(PVP)5Cl]Cl)的大面積制備及其電化學(xué)表征，證明了膜內(nèi)電荷的擴(kuò)散(擴(kuò)散系數(shù):10-11-10-10cm2/s)是整個(gè)刻蝕加工過程的速

4、度決定步驟驟，刻蝕在z軸方向具有距離敏感性;其次，弄清了薄膜的側(cè)向內(nèi)阻與工作溶液中H2SO4電解質(zhì)濃度之間的關(guān)系，證明了采用高濃度電解質(zhì)([H2SO4]:0.2 mol/L，膜側(cè)向內(nèi)阻:約16Ω cm-1)和高陽極電位使刻蝕電流達(dá)膜內(nèi)電荷的極限擴(kuò)散電流時(shí)，膜側(cè)向內(nèi)阻不會(huì)改變工具電極原有的電場(chǎng)分布，也不會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)屏蔽;最后，采用中心開孔（4 mm孔徑）的工具電極，使電極與工件之間的微/納間隙構(gòu)成可測(cè)的微流控系統(tǒng)，調(diào)查了這一特殊的、以氧化還

5、原聚合物超薄膜為固定相的微流控系統(tǒng)的物料傳輸及過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明低電壓的電滲作用雖可使膜與工作溶液本體相間發(fā)生物料傳輸，但速度較慢（4V，～20μm/s），僅依靠低壓電滲作用不足以完全補(bǔ)充膜內(nèi)因刻蝕產(chǎn)生的銅離子發(fā)生水合化而消耗的水。同時(shí)，這也解釋了我們?cè)缦鹊膶?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有采用低掃描速度(＜5mV/s)的循環(huán)伏安等間隙刻蝕方式才能使大面積加工持續(xù)進(jìn)行。
　　論文第四章采用低掃描速度的循環(huán)伏安法刻蝕方式，對(duì)銅工件表面進(jìn)行了全局化平坦加