本文關(guān)鍵詞：硅基納米孔陣列制造技術(shù)基礎(chǔ)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：基于納米孔的DNA測(cè)序技術(shù)激發(fā)了全世界對(duì)固態(tài)納米孔的研究熱潮。實(shí)際上,除了作為生物傳感平臺(tái),固態(tài)納米孔在近場(chǎng)光學(xué)、能量轉(zhuǎn)換、分子分離等許多領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。然而,固態(tài)納米孔的制造仍然面臨一些根本性的挑戰(zhàn)。其一,制造效率低、成本高。其二,納米孔形貌、尺寸及位置可控性有待進(jìn)一步提高。針對(duì)這些挑戰(zhàn),本文提出了“利用傳統(tǒng)微電子工藝廉價(jià)地制造硅基納米孔陣列”的研究目標(biāo)。圍繞這個(gè)目標(biāo),本文提出了一種電感耦合等離子體(ICP)刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合制造硅基納米孔陣列的方法。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于,通過(guò)調(diào)整濕法刻蝕掩膜窗口的長(zhǎng)寬比,可以對(duì)納米孔的形狀進(jìn)行控制。在對(duì)ICP刻蝕和各向異性濕法刻蝕過(guò)程深入分析的基礎(chǔ)上,建立了納米孔孔徑控制方程,開展了模擬和實(shí)驗(yàn)。制造出了特征尺寸為38 nm的正方形和矩形納米孔陣列。為了降低制造成本,本文進(jìn)一步提出了一種純濕法刻蝕制造大規(guī)模硅基納米孔陣列的方法。利用高溫濕法刻蝕取代了ICP刻蝕,使得納米孔陣列芯片(4寸)的制造成本減少了80%。設(shè)計(jì)并自制了一種離子電流和顏色反饋式單面濕法刻蝕設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了納米孔開孔過(guò)程的實(shí)時(shí)可控化和間接可視化,使得納米孔孔徑控制方程大幅度簡(jiǎn)化。在深入研究和優(yōu)化純濕法刻蝕工藝的基礎(chǔ)上,制造出了形狀(長(zhǎng)寬比)和尺寸精確可控、特征尺寸小至13 nm的納米孔、納米縫陣列。為了進(jìn)一步縮小納米孔的尺寸,本文利用干氧氧化對(duì)上述硅基納米孔陣列進(jìn)行了可控收縮。在對(duì)錐面硅的干氧氧化進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,提出了基于黏性應(yīng)力的理論模型,開展了納米孔收縮模擬和實(shí)驗(yàn),二者吻合地較好。利用這個(gè)方法,將上述錐形硅基納米孔陣列進(jìn)一步可控收縮至8 nm,直至完全閉合(~0 nm)。此外,本文對(duì)金屬輔助等離子體刻蝕(MaPE)硅基納米孔的機(jī)理和工藝也進(jìn)行了深入研究,利用優(yōu)化的MaPE工藝制造出了錐角和尺寸(~26 nm)可控的圓錐形納米孔陣列。利用上述各種硅基納米孔陣列作為模板,本文還開展了接觸式和非接觸式納米掩模光刻實(shí)驗(yàn),在任意襯底上實(shí)現(xiàn)了從82 nm到7μm的平面微、納結(jié)構(gòu)陣列制造,獲得了一種新型的微納制造方法。
【關(guān)鍵詞】：硅基納米孔 濕法刻蝕 干法刻蝕 納米孔收縮 納米掩膜光刻
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN305.7
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符號(hào)對(duì)照表9-11
• 第1章 緒論11-30
• 1.1 研究的背景和意義11-12
• 1.2 固態(tài)納米孔制備方法研究現(xiàn)狀12-25
• 1.2.1 離子束鉆刻和雕刻納米孔12-14
• 1.2.2 電子束鉆刻和雕刻納米孔14-18
• 1.2.3 離子徑跡刻蝕納米孔18
• 1.2.4 電子束光刻技術(shù)輔助的反應(yīng)離子刻蝕納米孔18-20
• 1.2.5 金屬輔助化學(xué)刻蝕硅納米孔20-21
• 1.2.6 電化學(xué)陽(yáng)極氧化納米孔21-22
• 1.2.7 淀積材料和熱處理收縮固態(tài)納米孔22-25
• 1.3 固態(tài)納米孔制造面臨的挑戰(zhàn)25-27
• 1.3.1 固態(tài)納米孔制造面臨的挑戰(zhàn)25
• 1.3.2 錐形硅基納米孔的優(yōu)勢(shì)25-27
• 1.4 本研究主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)27-30
• 1.4.1 研究主要內(nèi)容28
• 1.4.2 本研究主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)28-30
• 第2章 金屬輔助等離子體刻蝕硅基納米孔陣列30-45
• 2.1 等離子體刻蝕單晶硅30-34
• 2.1.1 等離子體刻蝕系統(tǒng)30-31
• 2.1.2 等離子體刻蝕單晶硅常用氣體31-32
• 2.1.3 等離子體刻蝕單晶硅機(jī)理32-33
• 2.1.4 影響刻等離子體刻蝕速率的因素33-34
• 2.2 金屬輔助等離子體刻蝕硅基納米孔陣列34-44
• 2.2.1 刻蝕機(jī)理及建模分析34-37
• 2.2.2 金屬類型對(duì)刻蝕的影響37-39
• 2.2.3 金屬顆粒大小對(duì)刻蝕的影響39-40
• 2.2.4 刻蝕劑配比對(duì)刻蝕的影響40-41
• 2.2.5 等離子體功率對(duì)刻蝕的影響41
• 2.2.6 晶體晶向?qū)涛g的影響41-43
• 2.2.7 晶體摻雜類型對(duì)刻蝕的影響43-44
• 2.3 本章小結(jié)44-45
• 第3章 濕法刻蝕硅基納米孔陣列45-77
• 3.1 單晶硅各向異性濕法刻蝕45-51
• 3.1.1 單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)45-47
• 3.1.2 單晶硅各向異性濕法刻蝕劑47-48
• 3.1.3 各向異性濕法刻蝕機(jī)理48-50
• 3.1.4 掩膜層的選擇50-51
• 3.2 ICP輔助濕法刻蝕硅基納米孔陣列51-58
• 3.2.1 工藝流程設(shè)計(jì)51-52
• 3.2.2 濕法刻蝕過(guò)程分析52-55
• 3.2.3 ICP刻蝕結(jié)果分析55-56
• 3.2.4 納米孔陣列的制備與檢測(cè)56-58
• 3.2.5 納米孔形狀控制58
• 3.3 純濕法刻蝕硅基納米孔陣列58-76
• 3.3.1 工藝流程設(shè)計(jì)與優(yōu)化59-60
• 3.3.2 單面濕法刻蝕設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造60-62
• 3.3.3 單面濕法刻蝕過(guò)程及結(jié)果分析62-65
• 3.3.4 離子電流反饋式納米孔釋放65-68
• 3.3.5 顏色反饋式納米孔釋放68-75
• 3.3.6 濕法刻蝕納米孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析75-76
• 3.4 本章小結(jié)76-77
• 第4章 硅基納米孔陣列可控收縮77-95
• 4.1 干氧氧化收縮硅基納米孔現(xiàn)象77-78
• 4.2 平面硅干氧氧化模型78-80
• 4.3 錐面硅干氧氧化理論分析與建模80-83
• 4.4 干氧氧化收縮錐形硅基納米孔數(shù)值模擬83-86
• 4.5 干氧氧化縮孔實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較86-88
• 4.6 錐形硅基納米孔陣列的可控收縮88-89
• 4.7 收縮后納米孔剖面結(jié)構(gòu)分析89-91
• 4.8 FIB切割納米孔過(guò)程中的縮孔現(xiàn)象91-93
• 4.9 本章小結(jié)93-95
• 第5章 硅基納米孔陣列在納米掩膜光刻中的應(yīng)用95-108
• 5.1 納米掩膜光刻概述95-96
• 5.2 納米掩膜光刻的模板96-97
• 5.3 基于錐形硅基納米孔陣列的納米掩膜光刻平臺(tái)97-100
• 5.4 接觸式納米掩膜光刻制造納米圖案陣列100-103
• 5.5 非接觸式納米掩膜光刻制造微米圖案陣列103-106
• 5.6 本章小結(jié)106-108
• 第6章 結(jié)論和展望108-110
• 參考文獻(xiàn)110-123
• 致謝123-125
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果125-127

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10 戴隆貴;yっ，

本文編號(hào)：299778