高深寬比微納結(jié)構(gòu)模擬、加工及應(yīng)用.pdf

1、高深寬比微納結(jié)構(gòu)目前在生物傳感器、三維微型電池、光子晶體、三維集成電路金屬互連等領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價值。例如,基于高深寬比金屬互連的下一代三維多層集成電路在響應(yīng)時間、集成度以及可靠性上明顯優(yōu)于目前普遍采用的二維集成電路。再例如,基于高深寬比三維電極陣列的三維微型電池相比二維薄膜電池在相同電極基底面積上能夠提供更多的能量和功率,同時保持很高的放電速率。此外,高深寬比納米柱、針尖等結(jié)構(gòu)在生化分析和太陽能電池領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作

2、用。但同時,更高深寬比結(jié)構(gòu)的加工也對現(xiàn)有工藝提出了前所未有的挑戰(zhàn)。如上面提到的下一代三維集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)的深寬比被期望能夠達(dá)到100:1,即使目前最先進(jìn)的深反應(yīng)離子刻蝕也無法達(dá)到如此高的深寬比刻蝕。不僅如此,如此高深寬比的金屬填充也是一個巨大的挑戰(zhàn),目前已知的基于自底向上電鍍的通孔填充技術(shù)所達(dá)到的深寬比普遍低于20:1。對于三維微型電池來說,其獨立式高深寬比金屬電極則更需要無任何缺陷的金屬填充技術(shù)以保證足夠的電極產(chǎn)率和機械強度。

3、r>　　 本文從三維微型電池制備的需求出發(fā),選取目前高深寬比結(jié)構(gòu)加工中幾種常用的關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究,包括深反應(yīng)離子刻蝕、硅光電化學(xué)刻蝕和電鍍,力求對這幾種工藝加工水平的提高有所突破,使其能夠更好地服務(wù)于實際應(yīng)用。具體研究內(nèi)容包括:深反應(yīng)離子刻蝕模擬、基于深反應(yīng)離子刻蝕的高深寬比硅結(jié)構(gòu)加工、基于光電化學(xué)刻蝕的高深寬比硅結(jié)構(gòu)加工、高深寬比金屬結(jié)構(gòu)加工、高深寬比結(jié)構(gòu)應(yīng)用--三維微型電池。
　　 首先,針對目前深反應(yīng)離子刻蝕缺乏有效的三

4、維模擬這一問題,我們將原有二維工藝模型推廣到三維,并采用我們之前提出的基于體元(Voxel)的MEMS工藝仿真方法對該三維模型進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)建模。通過一系列優(yōu)化算法,我們首次實現(xiàn)了深反應(yīng)離子刻蝕工藝的三維可視化仿真。此外,我們還首次將深反應(yīng)離子刻蝕的模擬拓展到納米尺度,通過加入改進(jìn)的氣體傳輸與微負(fù)載效應(yīng)模型實現(xiàn)了對大范圍高密度側(cè)壁可控的納米結(jié)構(gòu)刻蝕形貌的三維仿真,最終模擬結(jié)果與實際加工結(jié)果高度一致。
　　 其次,針對基于深反應(yīng)離

5、子刻蝕的高深寬比溝槽、通孔以及納米柱的加工,我們通過一系列優(yōu)化工藝參數(shù)實驗,得到深度超過400μm的通孔以及直徑500nm,高度10μm,深寬比20:1的納米柱結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步,為了突破現(xiàn)有大多數(shù)納米加工技術(shù)只能在平面結(jié)構(gòu)上進(jìn)行這一限制,我們提出一種基于深反應(yīng)離子刻蝕及其黑硅效應(yīng)的微納二次復(fù)合結(jié)構(gòu)加工方法。通過調(diào)節(jié)刻蝕與鈍化參數(shù),我們不僅成功實現(xiàn)了黑硅效應(yīng)的有效控制,還將其應(yīng)用到與流體和光學(xué)特性相關(guān)的表面改造當(dāng)中,成功實現(xiàn)具有超疏水和防反射

6、雙重特性的功能表面。
　　 第三,針對目前光電化學(xué)刻蝕對于大面積刻蝕均勻性和刻蝕效率研究不足的問題,我們對原有工藝進(jìn)行了一系列改進(jìn),包括均勻的背面歐姆接觸、基于PID反饋控制的刻蝕電流、更加合適的光照距離,成功實現(xiàn)直徑5μm、深度500μm(深寬比100:1)的大面積(>2cm2)通孔刻蝕,有效刻蝕區(qū)域內(nèi)的刻蝕均勻性接近100％；針對光電化學(xué)刻蝕只能加工與<110>晶向?qū)R的方孔和線條這一限制,我們將一種添加表面活性劑的TMAH

7、刻蝕技術(shù)用于光電化學(xué)刻蝕所需的初始刻蝕圖形的形成,成功實現(xiàn)線寬4μm、深度超過300μm的復(fù)雜圖形(非<110>圖形)的高深寬比刻蝕,從而將光電化學(xué)刻蝕拓展到一種用途更加廣泛的微加工手段。
　　 第四,針對目前困擾高深寬比結(jié)構(gòu)金屬填充的氣泡問題,我們首次提出并實現(xiàn)了一種間歇式真空除氣電鍍技術(shù)并將其與改進(jìn)后的光電化學(xué)刻蝕相結(jié)合,實現(xiàn)了深寬比100:1的通孔鎳電鍍、深寬比90:1的金屬柵陣列以及深寬比60:1的復(fù)雜圖形金屬結(jié)構(gòu)。