微/纳结构牺牲层腐蚀及其模型研究

论文摘要

牺牲层腐蚀技术是先在硅衬底上生长一层牺牲层,然后再淀积一层结构层,腐蚀掉牺牲层后,得到自由悬空结构单元的一种技术。它是MEMS技术中的关键技术之一,在MEMS器件加工中得到广泛运用。尽管许多学者对于氢氟酸腐蚀二氧化硅牺牲层从腐蚀机理、影响牺牲层腐蚀速率的因素、牺牲层腐蚀通量模型等方面进行了详细地研究,但是还存在以下一些问题:(1)腐蚀模型只能在短时间内预测实验过程,当腐蚀长度和腐蚀时间增加时,误差就会越来越大;(2)组合结构的牺牲层腐蚀模型除了上述问题外,还没有人对其腐蚀前端的形状和腐蚀速率的变化规律进行深入研究;(3)牺牲层厚度达到纳米量级以后,牺牲层腐蚀模型能否继续适用,以及纳米量级下影响牺牲层腐蚀速率的因素尚不清楚。从这些问题出发,对牺牲层腐蚀模型进行深入的研究,发现腐蚀模型在腐蚀长度较长时误差较大的原因是把扩散系数和腐蚀速率常数当作是常数。本文把扩散系数是温度和腐蚀液浓度的函数、腐蚀速率常数是温度的函数运用到牺牲层腐蚀模型中,由此得到了牺牲层腐蚀修正模型。以直沟道结构和冒泡结构为例分别进行不同浓度、不同温度下和不同腐蚀孔半径(对于冒泡结构)的腐蚀实验。实验表明,修正模型能够长时间准确预测腐蚀过程。这就解决了以往模型在腐蚀长度较大时误差较大的问题。对于组合沟道结构,建立了新的腐蚀前端形状的数学模型。在这个模型中,对于窄到宽结构,腐蚀前端进入宽沟道后,其形状为一条圆弧;对于宽到窄结构,腐蚀前端进入到窄沟道后,其形状仍然保持为一条直线。这种数学模型能够准确描述腐蚀前端的变化过程,并且和实验结果吻合得较好。此外,对窄到宽和宽到窄两种组合沟道结构的腐蚀速率变化规律进行了详细地研究。对于窄到宽的组合沟道结构,当腐蚀前端到达两条沟道的交界处时,腐蚀前端面积首先经过一个快速增大过程,这一过程中腐蚀速率快速下降;随后腐蚀前端面积将经历一个缓慢增大过程,导致腐蚀速率进一步下降,但下降速度比前一过程小;当腐蚀前端碰到宽沟道两个侧壁时,腐蚀前端面积达到最大值,腐蚀速率达到一个极小值;此后腐蚀前端面积开始减小,直至等于宽沟道的横截面积,腐蚀速率则逐渐上升,但是同时由于存在扩散限制效应使得腐蚀速率下降,所以腐蚀速率会出现一个极大值;此后腐蚀速率由于扩散限制的影响逐渐下降。对于宽到窄的组合沟道结构,当腐蚀前端到达两条沟道的交界处时,由于腐蚀前端面积突然下降会导致腐蚀速率突然上升。此后由于扩散限制效应,腐蚀速率一直下降。文中还对厚度为数十纳米的牺牲层腐蚀特性进行了研究。研究表明,上述牺牲层腐蚀模型在纳米厚度下和实验结果有较大偏差。通过对牺牲层腐蚀机理的定性分析,提出了产生这种偏差的原因是纳米厚度下腐蚀液的扩散系数已经发生了变化,通过仿真拟合,初步得到纳米沟道中扩散系数下降的大致程度,并指出了导致扩散系数发生变化的可能因素有双电层效应、表面张力和表面粗糙度,以及由这些因素引起的粘度和离子电导率因素的变化。为进一步研究这些效应,论文提出了一种新颖而又简单的纳米沟道加工方法,研制了厚度为数十纳米的沟道,通过对微流体和纳流体流动特性的比较,得到了一些有用的结论。通过本文工作,得到了修正的牺牲层腐蚀模型,提高模型的正确性。并首次对纳米流体中物质扩散、流动等进行了初步研究。这些结果对今后MEMS/NEMS技术的发展将是非常有益的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号列表
• 插图列表
• 表格列表
• 第一章 序论
• 1.1 牺牲层腐蚀技术
• 1.2 牺牲层腐蚀技术研究现状
• 1.2.1 牺牲层腐蚀机理研究现状
• 1.2.1.1 形成硅烷醇结构
• 1.2.1.2 HF与硅烷醇的反应
• 1.2.2 影响牺牲层腐蚀速率因素研究现状
• 1.2.2.1 腐蚀液浓度
• 1.2.2.2 牺牲层材料
• 1.2.2.3 腐蚀温度
• 1.2.2.4 退火处理
• 1.2.2.5 牺牲层图形
• 1.2.3 牺牲层腐蚀通量模型的研究现状
• 1.2.3.1 Deal-Grove牺牲层腐蚀模型
• 1.2.3.2 Freundlich吸附等温线模型
• 1.2.3.3 Langmuir-Hinshelwood模型
• 1.2.3.4 Power-Law模型
• 1.2.3.5 一、二阶混合模型
• 1.2.4 纳米量级下牺牲层腐蚀研究现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 简单结构牺牲层腐蚀模型研究
• 2.1 一维牺牲层腐蚀修正模型
• 2.1.1 扩散系数的修正
• 2.1.2 腐蚀速率常数的修正
• 2.2 简单结构一维牺牲层腐蚀实验研究
• 2.2.1 样品加工工艺
• 2.2.2 实验原理
• 2.2.3 实验结果和讨论
• 2.2.3.1 Port结构实验研究
• 2.2.3.2 Bubble结构实验研究
• 2.3 小结
• 第三章 组合沟道结构牺牲层腐蚀模型研究
• 3.1 组合沟道结构牺牲层腐蚀模型
• 3.2 组合结构牺牲层腐蚀实验研究
• 3.2.1 腐蚀参数的确定
• 3.2.2 由窄到宽结构腐蚀实验研究
• 3.2.3 由宽到窄结构腐蚀实验研究
• 3.3 小结
• 第四章 纳米厚度牺牲层腐蚀研究
• 4.1 样品的生长工艺及腐蚀参数的确定
• 4.2 纳米厚度下牺牲层腐蚀速率实验研究
• 4.2.1 纳米厚度下牺牲层腐蚀过程
• 4.2.2 双电层效应
• 4.2.2.1 双电层效应简介
• 4.2.2.2 双电层效应的特征量—Debye长度
• 4.3 双电层效应对纳米量级牺牲层腐蚀速率的影响
• 4.4 小结
• 第五章 影响纳流体流动特性因素研究
• 5.1 纳米沟道的加工
• 5.2 影响纳流体流动特性因素研究
• 5.2.1 实验装置的建立
• 5.2.2 微纳流体流动特性比较研究
• 5.3 小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 牺牲层腐蚀程序算法研究
• 附录2 牺牲层仿真软件的界面和使用方法
• 攻读博士学位期间已发表（录用）的论文
• 攻读博士学位期间所获的奖项和所得的荣誉
• 攻读博士学位期间参与的项目