基于钢笔直写的微纳米图案化研究

发布时间：2020-07-09 15:43

【摘要】：微纳制造是指微米或纳米尺度功能器件的加工方法,由于加工的功能器件尺度较小,传统机械加工已不能满足加工的需求,所以,微纳制造主要依赖于平面集成加工技术,平面集成加工技术包括薄膜沉积、图形成像和图形转移三部分,其中图形成像是必不可少的,也是影响微纳制造的主要因素。能够实现高质量、高效、低成本的图形成像,对微纳制造技术在微纳电子芯片制造及半导体器件制造等领域的应用具有非常重要的意义。光学曝光和模型复制是图形成像的主要方法,其依赖于掩模板和印模的制造,而掩模板和印模制造工艺较复杂、成本较高、使用寿命较短,在很大程度上提高了微纳制造的成本,也使得微纳制造技术工艺更为复杂。针对以上微纳制造在图形成像方面存在的问题,提出了一种钢笔直写微纳米图案的方法,并研究设计搭建了一套基于力反馈的笔式自动化直写系统,能够实现高效、低成本、高精度的图形成像。首先,研究了钢笔直写的工作原理,分析了钢笔特性、直写材料特性、直写基底特性以及直写过程控制对钢笔直写图案性能的影响,在硅片基底上完成了宽度为30μm线条的直写,为钢笔直写微纳米图案化应用于微纳制造提供了理论依据。其次,为改善目前笔式直写自动化程度低、控制精度差的现状,研究设计搭建了基于力反馈的笔式自动化直写系统,系统硬件包括高精度位移台、高分辨率力传感器以及数据采集卡等,软件控制通过LABVIEW编程实现,包括数据采集程序、运动控制程序和绘图板程序等。位移台可实现实时的力调整控制,可以实现任意图案的连续线条和点阵直写,也通过实验对其各项性能进行了验证。在很大程度上提高了笔式直写的自动化程度,为钢笔直写的应用提供了技术上的支持。最后,研究利用麦芽糖作为掩模材料,分别利用物理气相沉积和反应离子刻蚀进行金电极制作和硅片的刻蚀,还利用导电墨水实现了柔性电路的制作,初步验证了钢笔直写应用于微纳制造的可行性,对微纳制造的发展具有非常重要的意义。
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH16
【图文】：

原理图,直写,探针,原理

（a）（b）图 1-1 AFM 探针直写原理自 2000 年开始，ChadA. Mirkin 等人就应用 AFM 探针蘸笔直写做了一系列的研究[3-10]，如图 1-2 所示。2000 年，团队对 AFM 探针蘸笔直写沉积次数与沉积图案尺寸的关系做了实验研究，实验分别在金、钛、氧化硅衬底上沉积掩模材料，并对刻蚀后的尺寸进行了对比，从而得出沉积次数与沉积图案尺寸的关系；2001 年，团队又对 AFM 探针蘸笔直写速度对于直写线条尺寸的影响做了详细的研究，并在带有氧化层的硅片上沉积砷化镓材料，观察砷化镓溶液在基底上的扩散规律；2002 年，团队通过在金、钛、氧化硅和硅衬底上沉积掩模材料，实现了间隙为 12nm-100nm 的两电极的沉积，并最终通过湿法刻蚀实现了图像的转移，最终完成了器件的制作，为 AFM 探针蘸笔直写应用于微纳器件的制造奠定了基础；2003 年，团队通过对 AFM探针接触力以及 AFM 探针运动速度的控制，实现了 45nm 以上多个尺寸的蛋白质微结构制作，除此之外还通过多次沉积，实现了多种蛋白质的分层沉积，为生物芯片的制作提供了一种新的思路。

直写,探针,图案,基底

a）（b）图 1-1 AFM 探针直写原理，ChadA. Mirkin 等人就应用 AFM 探针蘸笔。2000 年，团队对 AFM 探针蘸笔直写沉究，实验分别在金、钛、氧化硅衬底上沉比，从而得出沉积次数与沉积图案尺寸的直写速度对于直写线条尺寸的影响做了详细化镓材料，观察砷化镓溶液在基底上的扩化硅和硅衬底上沉积掩模材料，实现了间终通过湿法刻蚀实现了图像的转移，最终写应用于微纳器件的制造奠定了基础；2003M 探针运动速度的控制，实现了 45nm 以上还通过多次沉积，实现了多种蛋白质的分的思路。

氧化铟,电极制作,金电极,探针

图 1-3 MEH-PPV 聚合物纳米线. A. Nelson and W. P. King等人通过在AFM探针表面上沉积，实现了在距离为500nm的两个金电极之间的宽度为100-200nm，厚度为5nm，如图1-4所示，并通现了蘸笔直写在电极制作与修复中的应用[12]。图 1-4 氧化铟沉积rnhard Basnar and Itamar Willner等人，首先通过实验

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