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用于半导体和金属表面三维微/纳结构制备的新型电化学加工方法及其应用

2020-11-28阅读(588)

用于半导体和金属表面三维微/纳结构制备的新型电化学加工方法及其应用

论文摘要

工艺简单、用途广泛、能批量加工复杂三维微/纳结构的加工技术一直是微/纳加工领域的研究热点。近来,利用电化学手段进行三维微/纳米尺度的刻蚀加工己成为该领域中一个发展迅速的研究方向。电化学方法具有控制灵活、工作条件温和、低成本等优点,在加工复杂三维微/纳结构上具有很好的潜力。本论文完善和发展了适用于复杂三维微/纳加工的电化学加工技术,对金属和半导体的微/纳加工进行了深入的研究,并将电化学加工技术初步应用于微光学元件阵列和生物芯片（细胞阵列）的制备等方面。本论文共分为七个章节。前言介绍了现有的各种微细加工技术的主要特点,同时在应用方面主要介绍了微细加工技术用于微光学阵列元件以及细胞微阵列的制备。作者不仅对现有可加工复杂三维微结构的方法的局限性进行了分析,而且详细介绍了论文工作中涉及的两种新型电化学微/纳加工技术（约束刻蚀剂层技术和电化学湿印章技术）,而后提出了本论文的主要设想和工作思路。第二章介绍了论文实验中涉及的实验技术和表征手段。第三章和第四章分别介绍约束刻蚀剂层技术（Confined Etchant Layer Technique,简称CELT）用于n-GaAs及p-Si表面的三维微加工。通过对约束刻蚀体系的筛选,确定溴离子为电生刻蚀剂前驱物种以及L-胱胺酸为有效的捕捉剂,利用Pt微圆柱电极刻蚀加工实验,对刻蚀体系进行优化,而后利用多种复杂三维模板对n-GaAs及p-Si进行三维微加工。同时,第四章中进一步对CELT技术加工的基底对微加工的分辨率影响进行了深入的讨论,指出了CELT技术中考虑基底与刻蚀剂的化学反应速度的必要性。第五章应用CELT技术进行n-GaAs表面衍射型光学微透镜阵列的制备,通过纳米热压印技术以及磁控溅射技术制备大面积PMMA/Ti/Pt模板电极,CELT技术将模板电极上微/纳结构复制刻蚀在n-GaAs表面。作者也提出了能够初步解决大面积微加工过程中涉及的均匀性和平行性等困难的方法。第六章介绍了电化学湿印章技术的原理和应用,将可存储溶液的图案化琼脂糖凝胶模板与阳极溶解过程结合,对多种金属（Ni、Cu以及Au膜）和半导体p-Si进行了微加工,并将Au膜应用于制备Hela细胞微阵列。第七章探讨了论文工作中尚需进一步完善的问题,提出了对未来工作的展望。本论文工作的创新点以及主要成果有如下三点:1.利用CELT技术首次在n-GaAs以及p-Si材料表面实现了三维复杂微加工。选择KBr或HBr作为电生刻蚀剂的前驱物种,确定L-胱氨酸作为最合适的捕捉剂,取代了毒性很强的H3AsO3。利用Pt微圆柱电极刻蚀加工实验,优化刻蚀体系组成。使用复杂硅基模板电极和微凹半球阵列电极对n-GaAs基底进行了加工,并分析了影响刻蚀的因素,如平行度和溶液更新等问题。讨论了Br2对GaAs的刻蚀机理,并分析了GaAs深刻蚀的困难,通过在刻蚀过程中反复提降模板强制更新溶液的方法,利用微圆柱电极进行了深刻蚀的初步实验。使用复杂Pt-Ir微半球模板电极和"XMU"模板电极对Si进行了加工,选择合适的表面活性剂（十六烷基三甲基氯化铵,CTAC1）消除了刻蚀过程中副产物氢气的影响,获得了高分辨率的刻蚀结果。比较不同极性的表面活性剂的作用效果,提出了表面活性剂可消除气体影响的作用机理和理论模型。从两者刻蚀机理出发,对GaAs刻蚀体系与Si刻蚀体系的差异进行了比较分析。通过分析相同刻蚀剂与捕捉剂浓度配比下,两者刻蚀分辨率的差别,提出了电生刻蚀剂与基底之间的异相捕捉反应可影响电生刻蚀剂浓度分布的观点。2.利用CELT技术在n-GaAs表面制备得到衍射型光学微透镜阵列,发展了纳米热压印技术结合磁控溅射技术制备大面积PMMA/Ti/Pt模板电极的方法。该二元微光学阵列的每个单元具有八个同心环和七个台阶,总高度为1.58μm。作者提出了利用CELT技术加工大面积的GaAs微光学元件的困难和策略:通过设计调整平行度的有效方法,克服了由于模板与基底之间不平行对刻蚀加工均匀性的影响;采用多次提降模板从而强制交换微区中溶液的实验步骤,一定程度上解决了模板和工件间微区中溶液更新的困难,初步解决刻蚀微结构均匀性的问题。分析了基底与电生刻蚀剂的异相捕捉反应对电生刻蚀剂浓度分布的影响,提出了可恒定模板和工件之间接触压力以进行电化学微加工的模式,在此模式下增加电生刻蚀剂前驱物HBr的浓度,可提高刻蚀分辨率和刻蚀深度,在GaAs上实现了大面积衍射微光学阵列元件的复制加工,同时在竖直方向上加工的分辨率可达到数十纳米。建立了简单的数学模型用以讨论无基底、有基底以及模板与基底距离不同时电生刻蚀剂的浓度分布。该模型也可解释基底对微区内电生刻蚀剂浓度分布的影响,以及加工过程中可通过减小模板与基底之间距离以提高刻蚀分辨率和刻蚀深度。3.提出了电化学湿印章技术（简称E-WETS）的电化学加工新技术。该技术将可存储溶液的图案化琼脂糖凝胶模板与阳极溶解过程结合,对多种金属（Cu、Ni、Au/ITO膜等）和半导体进行了加工。它克服了传统电化学微加工方法中溶液补充的难题,实现了三维微加工,加工速度快且加工分辨率可达到微米级。如通过将琼脂糖凝胶湿印章与阳极电抛光技术结合,选择合适的HF浓度以及电位条件,在p-Si（100）加工出多种微细结构。利用该技术对磁控溅射了Au膜的导电ITO玻璃（Au/ITO）进行微加工,得到图案化的Au/ITO基底。在残余的金岛表面修饰疏细胞的分子（甲氧基巯基聚乙二醇,methoxy（poly-（ethyleneglycol））thiol,mPEG-SH）,而后在该基底上继续进行Hela细胞（宫颈癌细胞）的培养。由于细胞无法粘附在修饰疏有细胞硫醇的金岛表面,而金膜完全刻蚀后露出的ITO玻璃上可进行Hela细胞的粘附,因此可获得Hela细胞阵列。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 微机电系统简介
  • §1.2 现代微细加工技术
  • 1.2.1 微细加工技术分类
  • 1.2.2 光刻结合刻蚀技术
  • 1.2.3 体硅加工技术
  • 1.2.4 硅表面微加工技术
  • 1.2.5 LIGA技术
  • 1.2.6 复制技术
  • 1.2.7 三束直写加工技术
  • 1.2.8 电火花微加工技术
  • 1.2.9 新型无掩膜加工技术
  • 1.2.10 现代微细加工技术的应用
  • §1.3 电化学微加工技术
  • 1.3.1 EFAB技术
  • 1.3.2 掩膜电化学加工技术
  • 1.3.3 超短脉冲电化学微加工
  • 1.3.4 硅电化学阳极溶解技术
  • 1.3.5 基于扫描电化学显微镜的微加工技术
  • 1.3.6 扫描探针技术
  • §1.4 新型电化学微加工技术简介
  • 1.4.1 复杂三维加工方法及其局限性
  • 1.4.2 约束刻蚀剂层技术简介
  • 1.4.3 基于琼脂糖印章的电化学微加工技术
  • §1.5 本论文的目标和设想
  • 参考文献
  • 第二章 实验部分
  • §2.1 实验材料与试剂
  • 2.1.1 实验所用化学试剂
  • 2.1.2 被加工基底材料
  • 2.1.3 其它实验装备或器件所用材料
  • §2.2 模板电极（工作电极）的制作
  • 2.2.1 Pt微圆柱电极的制备
  • 2.2.2 复杂硅基模板电极的制备、连接和包封
  • 2.2.3 微凹半球模板电极的制备
  • 2.2.4 三维Pt-Ir模板的制备
  • 2.2.5 PMMA/Ti/Pt模板电极
  • 2.2.6 几种模板电极的比较
  • 2.2.7 图案化的琼脂糖凝胶模板
  • §2.3 电解池
  • §2.4 超精密电化学微加工系统
  • 2.4.1 仪器的组成及其性能
  • 2.4.2 电化学微加工的基本步骤
  • §2.5 磁控溅射技术
  • §2.6 细胞培养
  • 2.6.1 细胞培养仪器与器皿
  • 2.6.2 仪器清洗及消毒
  • 2.6.3 溶液配置
  • 2.6.4 细胞培养操作
  • §2.7 表征方法
  • 2.7.1 金相显微镜
  • 2.7.2 激光扫描共聚焦显微镜
  • 2.7.3 原子力显微镜
  • 2.7.4 扫描电子显微镜
  • 2.7.5 倒置显微镜
  • 2.7.6 接触角测量
  • 参考文献
  • 第三章 约束刻蚀剂层技术用于n-GaAs表面三维微加工
  • §3.1 前言
  • §3.2 GaAs刻蚀体系的选择和优化
  • 3.2.1 刻蚀体系的选择
  • 3.2.2 刻蚀体系的优化
  • §3.3 复杂三维模板的复制加工
  • 3.3.1 复杂硅基模板电极的复制加工
  • 3.3.2 微凹半球阵列模板电极的复制加工
  • §3.4 GaAs表面微加工的一些探讨
  • 2对不同晶面GaAs刻蚀的机理'>3.4.1 Br2对不同晶面GaAs刻蚀的机理
  • 3.4.2 利用CELT技术对GaAs的深刻蚀
  • §3.5 本章小节
  • 参考文献
  • 第四章 约束刻蚀剂层技术用于p-Si表面三维微加工
  • §4.1 前言
  • §4.2 Si刻蚀体系的选择和优化
  • 4.2.1 刻蚀体系的选择
  • 4.2.2 刻蚀体系的优化
  • §4.3 复杂三维模板的复制加工
  • 4.3.1 Pt-Ir微半球模板电极的复制加工
  • 4.3.2 "XMU"模板电极的复制加工
  • §4.4 Si及GaAs刻蚀体系的比较
  • 4.4.1 Si及GaAs刻蚀体系的差异
  • 4.4.2 Si及GaAs刻蚀体系差异的理论解释
  • §4.5 本章小节
  • 参考文献
  • 第五章 约束刻蚀剂层技术用于n-GaAs上衍射光学微透镜的加工
  • §5.1 前言
  • §5.2 提高PMMA/Ti/Pt模板镀层稳定性的研究
  • 5.2.1 PMMA的表面溅射
  • 5.2.2 磁控溅射条件的优化
  • §5.3 利用CELT技术加工n-GaAs衍射光学微透镜阵列
  • 5.3.1 CELT技术加工GaAs微透镜阵列元件的问题和应对
  • 5.3.2 GaAs微透镜阵列元件"刻蚀—捕捉"体系的优化和微区中溶液的补充
  • §5.4 n-GaAs微光学元件高分辨加工的理论解释
  • 5.4.1 无基底时电生刻蚀剂的浓度分布
  • 5.4.2 模板与基底间薄层内电生刻蚀剂的浓度分布
  • 5.4.3 GaAs上二元光学元件刻蚀过程中涉及的理论模拟和计算
  • §5.5 本章小节
  • 参考文献
  • 第六章 基于琼脂糖印章的电化学微加工技术
  • §6.1 前言
  • §6.2 使用E-WETS技术对p-Si的加工
  • 6.2.1 p-Si微加工体系电化学行为的研究
  • 6.2.2 E-WETS技术用于p-Si微加工
  • 6.2.3 影响p-Si微加工的因素
  • §6.3 使用E-WETS技术对铜和镍的微加工
  • 6.3.1 使用E-WETS技术对铜的微加工
  • 6.3.2 使用E-WETS技术对镍的微加工
  • §6.4 使用E-WETS对Au/ITO膜的微加工及其在生物方面的应用
  • 6.4.1 使用E-WETS技术对Au/ITO膜的微加工
  • 6.4.2 Hela细胞在图案化Au/ITO膜表面的阵列化
  • §6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 论文的一些探讨和展望
  • §7.1 约束刻蚀剂层技术的一些探讨
  • 7.1.1 捕捉剂浓度选择与基底的关系
  • 7.1.2 GaAs上衍射型微光学元件加工仍然存在的问题
  • 7.1.3 GaAs上衍射型微光学元件的光学性能表征
  • §7.2 约束刻蚀剂层技术的展望
  • 7.2.1 克服溶液补充问题的解决途径
  • 7.2.2 在基底上进行抛光整平的应用
  • 7.2.3 加工纳米尺度阵列结构
  • 7.2.4 CELT技术的拓展应用
  • §7.3 电化学湿印章技术的展望
  • 参考文献
  • 作者攻读博士学位期间发表的论文
  • 致谢

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