硅基纳米孔阵列制造技术基础研究
发布时间：2017-04-11 19:12
本文关键词：硅基纳米孔阵列制造技术基础研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：基于纳米孔的DNA测序技术激发了全世界对固态纳米孔的研究热潮。实际上,除了作为生物传感平台,固态纳米孔在近场光学、能量转换、分子分离等许多领域都有着巨大的应用潜力。然而,固态纳米孔的制造仍然面临一些根本性的挑战。其一,制造效率低、成本高。其二,纳米孔形貌、尺寸及位置可控性有待进一步提高。针对这些挑战,本文提出了“利用传统微电子工艺廉价地制造硅基纳米孔阵列”的研究目标。围绕这个目标,本文提出了一种电感耦合等离子体(ICP)刻蚀和湿法刻蚀相结合制造硅基纳米孔阵列的方法。这种方法最大的优点在于,通过调整湿法刻蚀掩膜窗口的长宽比,可以对纳米孔的形状进行控制。在对ICP刻蚀和各向异性湿法刻蚀过程深入分析的基础上,建立了纳米孔孔径控制方程,开展了模拟和实验。制造出了特征尺寸为38 nm的正方形和矩形纳米孔阵列。为了降低制造成本,本文进一步提出了一种纯湿法刻蚀制造大规模硅基纳米孔阵列的方法。利用高温湿法刻蚀取代了ICP刻蚀,使得纳米孔阵列芯片(4寸)的制造成本减少了80%。设计并自制了一种离子电流和颜色反馈式单面湿法刻蚀设备,实现了纳米孔开孔过程的实时可控化和间接可视化,使得纳米孔孔径控制方程大幅度简化。在深入研究和优化纯湿法刻蚀工艺的基础上,制造出了形状(长宽比)和尺寸精确可控、特征尺寸小至13 nm的纳米孔、纳米缝阵列。为了进一步缩小纳米孔的尺寸,本文利用干氧氧化对上述硅基纳米孔阵列进行了可控收缩。在对锥面硅的干氧氧化进行深入研究的基础上,提出了基于黏性应力的理论模型,开展了纳米孔收缩模拟和实验,二者吻合地较好。利用这个方法,将上述锥形硅基纳米孔阵列进一步可控收缩至8 nm,直至完全闭合(~0 nm)。此外,本文对金属辅助等离子体刻蚀(MaPE)硅基纳米孔的机理和工艺也进行了深入研究,利用优化的MaPE工艺制造出了锥角和尺寸(~26 nm)可控的圆锥形纳米孔阵列。利用上述各种硅基纳米孔阵列作为模板,本文还开展了接触式和非接触式纳米掩模光刻实验,在任意衬底上实现了从82 nm到7μm的平面微、纳结构阵列制造,获得了一种新型的微纳制造方法。
【关键词】：硅基纳米孔 湿法刻蚀 干法刻蚀 纳米孔收缩 纳米掩膜光刻
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN305.7
【目录】：
- 摘要3-4
- Abstract4-9
- 主要符号对照表9-11
- 第1章 绪论11-30
- 1.1 研究的背景和意义11-12
- 1.2 固态纳米孔制备方法研究现状12-25
- 1.2.1 离子束钻刻和雕刻纳米孔12-14
- 1.2.2 电子束钻刻和雕刻纳米孔14-18
- 1.2.3 离子径迹刻蚀纳米孔18
- 1.2.4 电子束光刻技术辅助的反应离子刻蚀纳米孔18-20
- 1.2.5 金属辅助化学刻蚀硅纳米孔20-21
- 1.2.6 电化学阳极氧化纳米孔21-22
- 1.2.7 淀积材料和热处理收缩固态纳米孔22-25
- 1.3 固态纳米孔制造面临的挑战25-27
- 1.3.1 固态纳米孔制造面临的挑战25
- 1.3.2 锥形硅基纳米孔的优势25-27
- 1.4 本研究主要内容和贡献27-30
- 1.4.1 研究主要内容28
- 1.4.2 本研究主要贡献和创新点28-30
- 第2章 金属辅助等离子体刻蚀硅基纳米孔阵列30-45
- 2.1 等离子体刻蚀单晶硅30-34
- 2.1.1 等离子体刻蚀系统30-31
- 2.1.2 等离子体刻蚀单晶硅常用气体31-32
- 2.1.3 等离子体刻蚀单晶硅机理32-33
- 2.1.4 影响刻等离子体刻蚀速率的因素33-34
- 2.2 金属辅助等离子体刻蚀硅基纳米孔阵列34-44
- 2.2.1 刻蚀机理及建模分析34-37
- 2.2.2 金属类型对刻蚀的影响37-39
- 2.2.3 金属颗粒大小对刻蚀的影响39-40
- 2.2.4 刻蚀剂配比对刻蚀的影响40-41
- 2.2.5 等离子体功率对刻蚀的影响41
- 2.2.6 晶体晶向对刻蚀的影响41-43
- 2.2.7 晶体掺杂类型对刻蚀的影响43-44
- 2.3 本章小结44-45
- 第3章 湿法刻蚀硅基纳米孔阵列45-77
- 3.1 单晶硅各向异性湿法刻蚀45-51
- 3.1.1 单晶硅的晶体结构45-47
- 3.1.2 单晶硅各向异性湿法刻蚀剂47-48
- 3.1.3 各向异性湿法刻蚀机理48-50
- 3.1.4 掩膜层的选择50-51
- 3.2 ICP辅助湿法刻蚀硅基纳米孔阵列51-58
- 3.2.1 工艺流程设计51-52
- 3.2.2 湿法刻蚀过程分析52-55
- 3.2.3 ICP刻蚀结果分析55-56
- 3.2.4 纳米孔阵列的制备与检测56-58
- 3.2.5 纳米孔形状控制58
- 3.3 纯湿法刻蚀硅基纳米孔阵列58-76
- 3.3.1 工艺流程设计与优化59-60
- 3.3.2 单面湿法刻蚀设备的设计与制造60-62
- 3.3.3 单面湿法刻蚀过程及结果分析62-65
- 3.3.4 离子电流反馈式纳米孔释放65-68
- 3.3.5 颜色反馈式纳米孔释放68-75
- 3.3.6 湿法刻蚀纳米孔内部结构分析75-76
- 3.4 本章小结76-77
- 第4章 硅基纳米孔阵列可控收缩77-95
- 4.1 干氧氧化收缩硅基纳米孔现象77-78
- 4.2 平面硅干氧氧化模型78-80
- 4.3 锥面硅干氧氧化理论分析与建模80-83
- 4.4 干氧氧化收缩锥形硅基纳米孔数值模拟83-86
- 4.5 干氧氧化缩孔实验与模拟结果的比较86-88
- 4.6 锥形硅基纳米孔阵列的可控收缩88-89
- 4.7 收缩后纳米孔剖面结构分析89-91
- 4.8 FIB切割纳米孔过程中的缩孔现象91-93
- 4.9 本章小结93-95
- 第5章 硅基纳米孔阵列在纳米掩膜光刻中的应用95-108
- 5.1 纳米掩膜光刻概述95-96
- 5.2 纳米掩膜光刻的模板96-97
- 5.3 基于锥形硅基纳米孔阵列的纳米掩膜光刻平台97-100
- 5.4 接触式纳米掩膜光刻制造纳米图案阵列100-103
- 5.5 非接触式纳米掩膜光刻制造微米图案阵列103-106
- 5.6 本章小结106-108
- 第6章 结论和展望108-110
- 参考文献110-123
- 致谢123-125
- 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果125-127
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