基于RIE与AFM机械刻划的纳米结构加工实验研究

发布时间：2017-09-05 07:37

  本文关键词：基于RIE与AFM机械刻划的纳米结构加工实验研究

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【摘要】：基于原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）的机械刻划是一种加工纳米结构的有效方法，学者们运用该加工方式已经在多种材料如聚合物、金属表面加工出了精细的二维甚至三维结构。然而受限于AFM针尖的硬度，其在硅表面进行加工时容易急剧磨损，，且深度尺寸难以得到保证。因此本文利用AFM针尖在聚合物掩膜上进行纳米结构的加工，并通过反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）将其转印到硅基底上，最终在硅上得到了精细的纳米结构。本文主要围绕以下三个方面进行研究分析。 通过控制旋转涂覆的速度和溶液浓度，在硅基底上制备了不同厚度的PMMA薄膜。利用原子力显微镜（Dimension Icon）系统中的PeakForce QNM（QuantitativeNanoMechanics）模块，测量了PMMA薄膜的弹性模量，分析了硅基底对其机械性能的影响。通过刻划实验分析了不同厚度薄膜的加工性能，并比较了针尖的磨损情况，确定了适合AFM机械加工的掩膜制备条件。 为了在掩膜材料上加工出良好的纳米结构，在其上进行了重复刻划实验和超声振动辅助加工实验。重复刻划实验在保证纳米结构一致性的同时，增大了加工的沟槽深度，然而其较低的加工效率限制了它的实际应用。采用超声振动辅助加工的方式不仅能增大结构的深度尺寸，且降低了针尖的粘结和磨损。 为了使掩膜上的结构能真实地转印到硅基底上，进行了反应离子刻蚀实验。通过对比不同厚度掩膜的刻蚀效果，确定了有利于结构转印的掩膜厚度。合理调整刻蚀参数，以及引入双掩膜的实验方案，最终在硅基底上得到了精细的纳米结构。
【关键词】：原子力显微镜 反应离子刻蚀 PMMA 纳米结构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1;TH16
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题研究的背景和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-14
• 1.2.1 AFM 机械刻划在聚合物表面加工的实验研究9-11
• 1.2.2 结合刻蚀与 AFM 机械刻划的实验研究11-14
• 1.3 本课题的主要研究内容14-15
• 第2章 PMMA 掩膜性能分析15-29
• 2.1 引言15
• 2.2 PMMA 掩膜的制备工艺15-18
• 2.2.1 PMMA 薄膜的制备15-16
• 2.2.2 不同工艺参数下 PMMA 掩膜的比较16-18
• 2.3 PMMA 掩膜弹性模量的测量18-23
• 2.3.1 PeakForce QNM 的工作原理19-21
• 2.3.2 PeakForce QNM 的校准过程21-22
• 2.3.3 PeakForce QNM 的测量结果分析22-23
• 2.4 AFM 在不同厚度 PMMA 掩膜上的加工实验23-28
• 2.4.1 不同厚度掩膜上的加工实验条件23-24
• 2.4.2 不同厚度掩膜的加工实验结果分析24-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 AFM 在 PMMA 掩膜上的加工工艺研究29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 不同针尖半径对纳米刻划的影响29-33
• 3.2.1 不同半径针尖的刻划结果对比29-31
• 3.2.2 不同半径针尖对影响刻划结果的理论分析31-33
• 3.3 方坑结构的加工33-35
• 3.3.1 载荷对方坑结构的影响33-34
• 3.3.2 加工速度对方坑结构的影响34
• 3.3.3 进给量对方坑结构的影响34-35
• 3.3.4 完整方坑结构的加工研究35
• 3.4 AFM 探针重复刻划实验35-39
• 3.4.1 重复刻划实验过程35-36
• 3.4.2 重复刻划实验结果分析36-39
• 3.5 AFM 在超声振动辅助下的加工实验研究39-45
• 3.5.1 AFM 超声振动辅助加工的实验设备40-41
• 3.5.2 超声振动辅助加工的实验步骤及结果分析41-43
• 3.5.3 超声振动辅助加工的原理分析43-45
• 3.6 本章小结45-47
• 第4章 纳米结构的反应离子刻蚀实验47-62
• 4.1 引言47
• 4.2 反应离子刻蚀简介47-49
• 4.3 反应离子刻蚀实验49-61
• 4.3.1 RIE 设备及参数49-50
• 4.3.2 不同厚度掩膜的刻蚀结果对比分析50-55
• 4.3.3 优化的 RIE 工艺方案设计55-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间发表的论文68-70
• 致谢70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 曹凤国,张勤俭;超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J];电加工与模具;2005年S1期

2 崔铮;;微纳米加工技术及其应用综述[J];物理;2006年01期

本文编号：796689