氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜的制备及其用于大面积纳米加工的研究

发布时间：2020-08-25 19:04

【摘要】：纳米加工是世界各工业大国近年来倾力发展的先进制造技术,也是衡量一个国家制造水平和能力的标志性技术之一。采用无应力的化学刻蚀对工件实现纳米精度和尺度的加工,这是田昭武院士原创的约束刻蚀剂层技术(CELT)有别于其它纳米加工技术的主要特点;最近我们进一步发展了以氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜作为约束刻蚀剂层的方法,从而极大地降低对加工设备和工艺的要求,但该方法对膜的质量要求较高,且膜内的各种物理化学行为对加工质量的影响及规律尚需弄清。本论文首先通过大量的工艺试验,发展出了制备高质氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜的方法;并以高质膜为基础,系统研究了采用电渗、微流控等方法改善膜内物料平衡的可行性和加工效果,实现了对铜工件的大面积曲面和图案化纳米加工,达到采用宏观的设备和工具实现大面积纳米加工的目的。论文第三章主要研究了大面积(Φ50mm)高质均一的氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜([Ru(bpy)2(PVP)5Cl]Cl)的制备工艺。通过大量工艺试验,优化了氧化还原聚合物薄膜的旋涂条件,弄清了旋涂溶液中溶剂、组分比例、聚合物质量分数、交联剂浓度等多种因素,对氧化还原聚合物薄膜表面形貌的影响及规律。结果表明:(1)等离子体处理碳质工具电极表面可改善电极表面的润湿性和稳定性;(2)在旋涂中使用难挥发溶剂,并且降低交联剂浓度可以有效改善聚合物薄膜的表面形貌,减少聚合物膜表面的缺陷。制得了表面无缺陷、厚度可控的大面积氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜。论文第四章主要研究了采用所制备出的高质氧化还原水合凝胶聚合物超薄膜([Ru(bpy)2(PVP)5Cl]Cl),对不同的铜工件表面进行大面积(Φ50mm)曲面纳米刻蚀加工。调查了超薄膜的电化学调控方法、外加的电渗和微流控系统对加工质量的影响及规律。实验结果表明:(1)采用低扫描速率(1mV·s-1)的循环伏安法调控超薄膜的氧化和还原,可通过电迁移的方式将刻蚀产物Cu2+移出膜外,使得膜对工件表面的刻蚀能以纳米的精度持续进行,并最终获得与工具电极表面形状互补的结构;(2)采用电渗方法虽可实现物料的平衡,但所产生的双电极(BipolarElectrode)现象使得工件表面发生自腐蚀;(3)采用微流控方式可有效地供给膜内水分并移除刻蚀产物,加快刻蚀速率,并可使恒电位方法也可应用于加工,提高了加工效率,例如:采用恒电位加工方法,当液流速率为1μ·min-1时,刻蚀速率可达125nm·h-1。在第五章,初步探索了采用循环伏安、恒电位等不同电化学手段,在铜工件表面进行微图案的纳米加工。实验结果表明:在镀铜工件表面可加工出与模板电极表面形状一致图案,但是加工出的图案在z轴方向的特征不明显,加工偏差值达到9.25%以上,原因在于加工过程中并存由刻蚀产物所形成的Cu2+/Cu+体系也可刻蚀铜工件表面,并且刻蚀过程中水的供给不足致使工件表面产生铜氧化物,影响了加工面质量。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

产业已经对人类社会产生了深刻的变革｜１］。微纳加工技术与传统加工的区别是需要实现微米或纳米级别的绝对加工精度，即加工单位为０．１邋１２１，而对Ｉ：件实施微纳尺度的加丨：主要有减材加丨：、等材加Ｉ：和增材本方式。：ＪＩ、：中从传统加「＿技术发展而来的减材微纳加Ｉ：技术加Ｔ：种类成熟，应用相对广泛，是三种加工方式中最主要的加工途径。逡逑微纳加工技术类别逡逑械微细加工技术逡逑械微细加工技术主要有车削（Ｔｕｒｎｉｎｇ）、铣削（Ｍｉｌｌｉｎｇ）、钻削（Ｄｒｉｌｌｉｎｇ（Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）、研磨（Ｌａｐｐｉｎｇ）、抛光（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等方式。其中，车钻削属于切削加工（Ｃｕｔｔｉｎｇ），磨削、研磨和抛光属于磨料加工。逡逑

去除作用来完成对工件的表面平坦化处理。化学机械抛光是目前唯一能实现全局逡逑平坦化的技术，是超大规模集成电路和半导体器件制造工艺中不可缺少的一环［５］，逡逑但是化学机械抛光存在损伤工件表面及残留磨料污染腐蚀工件的问题（图１．２）逡逑｜６］逡逑Ｏ逡逑■■■■逡逑图１．２化学机械抛光在工件上造成的划伤Ｗ逡逑２逡逑

将电子枪发射出的加速电子聚焦，形成能量密度极高的电子束冲击材料，将电子逡逑的动能转化为热能，使局部材料温度快速升高而发生熔化及气化来完成材料的去逡逑除［７］（图１．３邋）。控制电子束能量密度的大小和注入时间，可以完成如电子束焊接、逡逑打孔切割、局部熔解等不同加工目的［４］。逡逑Ｈｔｇｈ邋ｖｏｌｔａｇｅ邋＿邋ｇ邋｜逦Ｃｊ逡逑ｓｕｐｐｌｙ邋ｔｏ邋ｃａｔｈｏｄｅ逦＾邋ｐ邋厂邋逦？邋Ｃａｔｈｃｘｌｅ邋ｃａｒｔｒＫｌｇｅ逡逑Ｉ邋ｉＭｊ逦逦？邋ｂｉａｓ邋ｇｒｉｄ逡逑ｊｐ３ｎｏｄｅ逡逑ｔｌ邋逦逦＞邋ｖ？ｉｃｕｕｒ＊邋ｔｈｒｏｔｔｌｅ邋ｖａｌｖｅ逡逑Ｐｏｒｔ邋ｆｏｒ邋ｖａｃｕｕｍ邋？逦邋｜ｌ邋ｊ邋｜邋Ｖ．逦－邋ｐｏｒｔ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｐｕｍｐ逡逑９琴逦篇二’邋；－邋？邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｔｅｎｓ逡逑【、普ｉ说邋１逦＼邋Ｘ邋ｆ逦＇＊■邋ｌ？0ｈｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｆｏｒ逡逑ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ邋ｆｏｒ邋－——ｊ邋ＪｌＴ逦ａＳｇｎｍｅｍ逡逑ａｌｉｇｎｍｅｎｔ逦ｉ逡逑Ｎ逦＊邋ａｐｅｒｔｕｒｅ逡逑ＩＸＩ邋Ｉ逦—逦＊■邋ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ逡逑逦逦ｃｏｉｌｓ逡逑逦？邋ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ逡逑■邋．．逦ｃｏｉｌｓ逡逑Ｉ逡逑图１．３聚焦电子束加工系统图解［８］逡逑电子束加工中电子束的束斑大小是可以调控的，目前实现的最小束斑直径己逡逑经达到１０ｎｍ以下［８］，因此其加工过程可控性好，可以实现纳米尺度的加工精度逡逑［９】。电子束加工中束流的能量极高，功率密度可以达到ｉ0９邋Ｗ／ｃｍ２，因此材料会逡逑被瞬时蒸发

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 祖延兵,谢雷,罗瑾,毛秉伟,田昭武;电化学微/纳加工分辨率的影响因素及对策[J];物理化学学报;1997年11期

本文编号：2804083