约束电化学刻蚀微纳加工系统与工艺实验研究

摘要

当前微电子技术和微机电系统技术等微纳米科技不断发展进步，它们的共同特点均是依赖于尺寸在微米或纳米范围内的功能元件和结构。实现功能结构尺度微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。传统的微纳加工技术如超精密机械加工方法、光刻技术、三束直写技术等在加工复杂三维微纳结构方面均存在各自局限性。电化学微纳加工方法因其具有适用材料范围广、加工无应力、表面质量高、环境要求低、分辨率高以及成本低等优点，在加工复杂三维微纳结构中具有巨大的潜力。
　　本学位论文以约束刻蚀剂层技术（CELT）和电化学湿印章技术（E-WETS）两种约束电化学刻蚀微纳加工方法为研究对象，深入分析它们的工艺特点以及对加工装备的要求，设计了具有纳米级精度的高性能约束电化学刻蚀微纳加工系统。在该加工系统上，利用CELT技术在砷化镓（GaAs）表面实现了微透镜阵列的复制，利用E-WETS技术在多种金属和半导体上进行了三维复杂微纳结构的复制加工。本论文从约束电化学刻蚀微纳加工装备设计和工艺实验两方面开展研究，主要研究成果如下：
　　研制了具有纳米级精度的高性能约束电化学刻蚀微纳加工系统。设计了一种新型高刚度大理石拱形桥架结构，以其一阶固有频率为目标函数进行尺寸优化，有效抑制了外部振动干扰。运动系统采用宏微复合定位策略，其中宏动平台采用带谐波减速器的五相步进电机和交叉滚珠导轨，以提高分辨率、稳定性和负载能力，其运动分辨率达40nm。微动平台由压电陶瓷驱动器、柔性铰链机构和电容式位移传感器构成，采用了结合逆动力学模型前馈的闭环控制方法，抑制了平台非线性和振动干扰，使其定位分辨率小于1nm。提出了基于亚纳米精度变形检测的微力传感器技术，通过微变形测量实时检测模板与基底间的微接触力，有效提高了微力检测的分辨率与灵敏度，检测分辨率可达1μN。搭建了机器视觉检测系统，实现模板向基底快速逼近过程中两者间距的微米级测量，提高了加工系统的运行效率。
　　针对CELT技术的微间隙加工方式，在原点检测中，提出了视觉和力觉引导的宏微切换运动模式，实现了模板向基底的全自动快速逼近和纳米级精度的接触检测。为消除微力检测过程中的热漂移和噪音干扰，提出了基于数字锁相放大器的原点检测技术，通过微力信号与参考信号的相关运算，提取出相应频率的幅值，将检测精度提高至亚纳米级。针对E-WETS技术中采用的模板-基底微接触加工方式，设计了具有三自由度θXθYZ自适应调平功能的柔性导向机构，保证了基底与模板的共形接触，以提高大面积加工结果的一致性。同时设计了恒力反馈控制系统，可使模板与基底之间保持100μN精度的恒定微接触力，通过加工过程中模板不断进给基底，保证了刻蚀过程的持续进行。
　　针对CELT微纳加工技术，研究了约束刻蚀反应特性和工艺特点，优化了刻蚀体系的组分浓度和工艺参数，在研制的装置上实现了GaAs微透镜阵列的纳米精度复制。选择Br2和NaBr分别作为电生刻蚀剂和前驱物种，L-胱氨酸作为捕捉剂。通过刻蚀体系优化，确定刻蚀体系为0.1M NaBr+0.1M L-cystine+0.5M H2SO4。利用PMMA微透镜阵列作为加工模板，在其表面依次溅射10nm钛层和50nm铂层形成具有导电能力的PMMA/Ti/Pt模板电极。对加工微区中溶液的更新过程进行建模，依靠反复提升基底进行溶液强制更新，最终在GaAs基底上得到了高精度的微透镜阵列，加工误差小于3nm，表面粗糙度仅为8nm。
　　针对E-WETS微纳加工技术，建立了适用于不同基底材料的刻蚀电解液、电极电位和脉冲宽度等工艺条件和参数体系，在多种金属和半导体上加工出复杂三维微纳结构。首先研究了图案化琼脂糖凝胶模板的制备过程。研究利用该技术对金属铝和镍进行微加工，提出了使用短脉冲电位的加工方式，以促进电解液的更新和产物的排泄，并对刻蚀液的侧向铺展进行电场约束，提高了加工精度和表面粗糙度。通过实验研究，选择合适电解液体系，并且对各项工艺参数包括加工电位、脉冲宽度等进行了优化，从而在金属基底上获得了高精度的三维微纳结构。研究了半导体材料GaAs的E-WETS微加工工艺，选定刻蚀溶液体系为0.1M HBr，同样使用短脉冲电位，在GaAs表面刻蚀出高精度的三维微结构，相对误差仅为1.3％。最后提出将电化学抛光结合E-WETS技术对p型硅进行阳极电抛光刻蚀，使用0.68M的氢氟酸，合理选择阳极电位，在p型硅上加工出了具有较高表面光洁度的微透镜阵列，其表面粗糙度为12nm。

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第一章 绪论

1.1 微纳加工技术及其应用

1.2 微纳加工技术的种类与发展

1.3 电化学微纳加工技术的发展

1.4 约束电化学刻蚀微加工技术

1.5 微纳加工/测量装备发展

1.6 论文选题意义、课题来源及研究内容

第二章 约束电化学刻蚀微纳加工系统整体设计与研究

2.1 引言

2.2 约束电化学刻蚀微纳加工系统的要求

2.3 约束电化学刻蚀微纳加工系统整体组成

2.4 高精度大理石拱形桥架设计及结构优化

2.5 宏动平台设计及精度测试

2.6 微动平台设计及定位控制

2.7 微力检测模块

2.8 视觉检测模块

2.9 电控系统及软件系统设计

2.10 电解池系统及电化学工作站

2.11 本章小结

第三章 约束电化学刻蚀微纳加工系统关键技术研究

3.1 引言

3.2 模板-基底接触检测与间隙控制

3.3 三自由度θXθY Z调平机构

3.4 恒微力反馈控制

3.5 本章小结

第四章 微透镜阵列元件的约束刻蚀剂层微纳加工

4.1 引言

4.2 砷化镓约束刻蚀体系选择与优化

4.3 微透镜阵列元件的约束刻蚀剂层微纳加工实验

4.4 本章小结

第五章 基于准固态电解质的电化学湿印章约束刻蚀技术

5.1 引言

5.2 电化学湿印章技术加工过程

5.3 电化学湿印章技术对金属铝和镍的三维微结构加工

5.4 电化学湿印章技术对半导体的三维微结构加工

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位论文期间的科研成果

致谢