硅微悬臂梁探针的制备工艺研究

论文摘要

随着MEMS及纳米科技的进步,悬臂梁探针在扫描探针显微镜、隧道传感器、微纳米加工、高密度数据存储中的应用越来越多,微纳米针尖的曲率半径及悬臂梁的性能决定着传感器的灵敏度。本文以硅微悬臂梁探针的制备为研究对象,采用单晶硅材料,结合湿法腐蚀和干法刻蚀的方法制备硅微悬臂梁探针。首先采用湿法各向异性腐蚀及干法刻蚀的方法制备纳米硅尖,研究了两种方法的特点,制作出不同形状的硅尖。采用干法刻蚀的方法制备出纵横比约为1.1的四面体硅尖。采用KOH溶液各向异性腐蚀单晶硅的方法制备硅尖,研究了腐蚀溶液的浓度、添加剂异丙醇(IPA)、掩模的偏转方向对硅尖形状的影响以及硅尖的锐化方法,制备出纵横比0.52～2.1的硅尖。提出了硅尖晶面的判别方法,讨论了实验中出现的两种硅尖晶面类型{411}和{331}晶面族。通过分析腐蚀溶液的浓度和添加剂对{411}、{331)晶面族腐蚀速度的影响,得到了制备纳米硅尖的工艺参数:在78℃、浓度40%的KOH溶液中腐蚀硅尖,硅尖侧壁由与(100)面夹角为76.37°的{411}晶面组成,经980℃氧化削尖,可以制备出纵横比大于2的纳米硅尖阵列。设计三种硅微悬臂梁探针的制备工艺方案,选取其中一种方案制备硅悬臂梁探针,并优化掩膜版图及工艺流程。采用湿法各向异性腐蚀单晶硅的方法制备了长宽450μm×50μm、硅尖纵横比2、高10μm、尖端曲率半径小于50nm的硅微悬臂梁探针;采用干法刻蚀的方法制备了长宽230μm×40μm、硅尖纵横比1.1、高14μm的硅微悬臂梁探针。采用两种方法均实现了硅尖和悬臂梁工艺的兼容,达到了预期目标,为硅微悬臂探针在传感器中的应用打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 悬臂梁探针的概述
• 1.1.1 悬臂梁探针与纳米科技
• 1.1.2 悬臂梁探针在扫描探针显微镜中的应用
• 1.2 悬臂梁探针的国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究意义及内容
• 2 硅微悬臂梁探针制备的基础理论
• 2.1 微悬臂梁探针相关理论
• 2.1.1 微悬臂梁探针变形检测方式
• 2.1.2 微悬臂梁探针的工作模式
• 2.1.3 微悬臂梁探针结构及要求
• 2.1.4 微悬臂梁探针的材料
• 2.2 硅晶体基本理论
• 2.2.1 硅晶体结构及性能
• 2.2.2 晶面参数
• 2.3 硅微机械加工方法
• 2.3.1 湿法各向异性腐蚀
• 2.3.2 湿法各向同性腐蚀
• 2.3.3 干法刻蚀
• 2.3.4 硅的氧化
• 2.3.5 溅射
• 2.4 本章小结
• 3 硅尖的制备工艺研究
• 3.1 湿法各向异性腐蚀制备硅尖
• 3.1.1 湿法腐蚀硅尖时间的控制
• 3.1.2 硅尖的锐化削尖
• 3.1.3 硅尖晶面类型的判别方法
• 3.1.4 腐蚀液浓度对硅尖形状的影响
• 3.1.5 添加剂对硅尖形状的影响
• 3.1.6 掩模偏转对硅尖形状的影响
• 3.1.7 矩形掩模对硅尖形状的影响
• 3.2 干法刻蚀制备硅尖
• 3.2.1 DRIE刻蚀硅尖
• 3.2.2 ICP刻蚀硅尖
• 3.3 本章小结
• 4 硅微悬臂梁探针的制备工艺研究
• 4.1 硅微悬臂梁探针的制备工艺方案设计及优化
• 4.1.1 硅微悬臂梁探针的工艺方案设计
• 4.1.2 硅微悬臂梁探针的结构及掩膜版图设计
• 4.1.3 制备硅微悬臂梁探针的关键工艺研究
• 4.1.4 工艺中存在的问题及解决方法
• 4.1.5 优化工艺流程及版图结构
• 4.2 湿法腐蚀制备硅微悬臂梁探针
• 4.3 干法刻蚀制备硅微悬臂梁探针
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢