CN110526203A

CN110526203A - 基于afm直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法

Info

Publication number: CN110526203A
Application number: CN201910710823.6A
Authority: CN
Inventors: 杨晔
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2019-12-03

Abstract

本发明涉及一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，该方法可在真空或大气环境下进行，在刻蚀过程中，利用AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具和电极，对样品表面同时施加机械力和电场的复合作用，并且在水平方向上按照扫描加工路径移动AFM探针，实现在样品的指定区域上去除材料，保持同一刻蚀深度，从而形成准三维的微纳米结构。与现有技术相比，本发明是一种直写式的微纳米刻蚀加工方法，制造过程无须传统微纳米刻蚀加工中的光刻胶和掩膜工艺，操作过程方便灵活，可控性强，且刻蚀精度高，加工后的表面粗糙度可低至3.0nm，在微纳米器件加工领域中具有广泛的应用价值。

Description

基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种基于AFM(原子力显微镜)的直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种纳米尺度的表面形貌扫描成像和检测设备，可以达到原子尺度的空间分辨率。除了作为重要的测量工具，AFM还被用于开发新型的微纳米加工刻蚀技术，可用于加工微纳米传感器、二极管、晶体管、微流控芯片等器件，具有重要的应用价值。

目前传统的微纳米加工技术，例如：光刻、电子束刻蚀等方法还存在如下的不足之处：

1)刻蚀过程中采用光刻胶作为掩膜的工艺，操作过程复杂；

2)在去除光刻胶的过程中，易在样品表面引入杂质污染；

3)对于纳米尺度的加工难度大，尤其是当特征尺寸小于10nm以下时。

基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工方法无需使用光刻胶，通过AFM探针针尖施加的力载荷和局域强电场，去除局域的样品材料，刻蚀深度可由施加的力载荷和偏压的大小调整，范围约8～60nm。

专利申请201510877418.5公开了一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，属于微纳米结构加工领域。为了解决复杂三维微纳米结构加工问题，所述装置包括AFM、X方向精密工作台、Y方向精密工作台，X方向精密工作台底座固连在Y方向精密工作台的滑块上，X方向定位工作台的滑块进行X方向运动，Y方向精密工作台底座固连在AFM样品台上，Y方向定位工作台的滑块进行Y方向运动。该发明提出的三种方法分别通过对同一套商用AFM以及高精度定位平台系统的不用控制和参数设置，实现采用AFM探针纳米刻划技术加工复杂三维微纳米结构的加工。该发明能够在较低成本下解决复杂三维微纳米结构的加工问题，且方法简单，装置及加工实现成本相对较低。然而，因为以上AFM探针纳米刻划加工方法是基于机械压入和刻划力作用来去除材料，加工结构的深度理论上等于压入深度的大小，无法刻蚀更大的深度；此外也不适用于加工硬度大的材料，需要采用硬度更大的AFM探针工具进行材料蚀除的加工。

与以上专利相对比，本发明专利中所述的基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工方法去除材料的机理是力刻蚀和电场刻蚀相结合，能够有效地提高结构深度，获得的刻蚀深度能够比初始的压入深度大3倍以上，并且可以用普通的AFM探针刻蚀硬度大的金属材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不需要使用光刻胶工艺，基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工的方法，并且刻蚀加工精度高，表面粗糙度低，能够实现准三维的微纳米结构加工。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，在刻蚀过程中，利用AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具和电极，对样品表面同时施加机械力和电场的复合作用，并且在水平方向上按照扫描加工路径移动AFM探针，实现在样品的指定区域上去除材料，保持同一刻蚀深度，从而形成准三维的微纳米结构。

所述的AFM探针为阴极、样品为阳极，在刻蚀过程中，阴极和阳极之间形成局域强电场，当局域电场强度阈值E₀达6.0～8.0V/nm以上时，样品材料被放电蚀除。

所述的AFM探针在刻蚀加工中，既是对样品表面材料施加负载力的刻蚀刀具，也是作为电刻蚀加工中的阴极，与阳极样品间形成局域强电场。在刻蚀加工过程中，AFM探针针尖与样品表面之间相互接触，施加力负载；同时，在作为阴极的AFM探针和阳极样品之间施加6～10V的偏压，在与针尖接触的局域样品上形成高于阈值场强E0的强电场。沿针尖通过的加工路径上的局域样品材料在机械力和放电电场能量的复合作用下被可控地去除。

所述的AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具，探针针尖对局域样品表面施加力载荷，大小为500nN～10μN。

所述的扫描加工路径是在水平x和y方向上根据准三维微纳米结构的平面二维图形边界生成的来回往复的加工路径。根据二维图形的边界，AFM探针在x方向上来回往复，每回复一次，在y方向上d进给量δ与AFM探针针尖的曲率半径r间的关系为δ＝1.5r。AFM探针针尖的曲率半径r通常为10～50nm，根据实验结果总结的经验，δ值可设置为1.5倍r，即15～75nm。

在垂直方向上施加恒力反馈，控制AFM探针的针尖在垂直z方向上与样品表面接触时的相对位置大小，从而获得刻蚀深度一致的准三维的微纳米结构，刻蚀深度的大小可由施加力载荷和偏压的大小进行可控的调整。

与传统的微纳米加工技术(如光刻、电子束刻蚀等)相比，本发明采用基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工的方法来获得准三维的微纳米结构，具有以下明显的优势：加工工艺不须光刻胶和掩膜，不会引入污染物；刻蚀精度高，刻蚀深度可通过加工参数调整；加工出的结构表面质量高，表面粗糙度Ra可低至3.0nm。与以上列举的AFM探针纳米刻划加工方法相比，本发明中所述的基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工方法去除材料的机理是力刻蚀和电场刻蚀相结合，具有独特的优势：大幅提高了刻蚀深度，减小了表面粗糙度，提高了表面质量，而且适用于刻蚀加工硬度大的金属材料，扩大了加工适用的范围。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

其中1是AFM悬臂梁探针，2是AFM探针针尖，3是导电样品，4是压电陶瓷扫描管驱动器，5是电源，6是激光器，7是光斑位置检测器，8是计算机控制器，9是电流表；

图2为典型的准三维方形凹槽结构的加工路径图；

图3为典型的DFL与高度Height的关系曲线图；

图4为刻蚀深度与施加偏压和力载荷间的关系曲线图；

图5为表面粗糙度与施加偏压和力负载间的关系曲线图；

图6为基于AFM的直写式力电耦合刻蚀出的准三维微纳米方形凹槽结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工准三维的微纳米方形凹槽结构的方法如下步骤所述：

1)在加工前，先采用AFM半接触模式进行样品表面形貌的检测，获得初始形貌图。在本实施例中，AFM悬臂梁探针1为镀TiN膜的硅探针，导电样品3为镀有100nm厚铜膜的硅片；

2)采用AFM接触模式，检测获得DFL与Height之间的关系曲线，DFL是激光器6发射的光束经AFM悬臂梁探针1的悬臂梁反射后达到光斑位置检测器7上的偏转信号，反应探针针尖2的偏转大小，Height是AFM探针针尖2和导电样品3间的相对高度；

3)根据刻蚀结构的二维平面图形边界，生成水平(x和y)方向上来回往复的加工路径。根据二维图形的边界，探针在x方向上来回往复，每回复一次，在y方向上进给一定的距离δ，该进给量和AFM探针针尖曲率半径和加工参数设置有关。AFM探针针尖的曲率半径r通常为10～50nm，根据实验结果总结的经验，δ值可设置为1.5倍r，即15～75nm。当加工方形微纳米结构时，其加工路径图如图2所示；

4)设置AFM探针针尖2和导电样品3表面之间的接触力，即加工过程的力载荷。具体的操作方法是，首先，通过步骤2中获得的关系曲线，可以获得一定的DFL信号下的高度变化值ΔHeight，如图3中所示，当DFL值为2.0nA时，从两次测量后获得ΔHeight的平均值为134nm；然后，根据式(1)胡克定律对力载荷进行估算：

F＝K×ΔHeight (1)

式中，F为AFM探针针尖对样品表面施加的力载荷大小，K为AFM悬臂梁探针1的力常数。若所采用的AFM探针的K值为0.3N/m，则AFM探针针尖2施加于样品3上的力载荷为40.2nN。如果需要施加更小或更大的力载荷，则可以通过驱动压电陶瓷扫描管驱动器4在z方向上进行相对的位移，远离或趋近样品表面，从而减小或增加DFL设定值来实现。一般设置探针针尖对局域样品表面施加力载荷的大小为500nN～10μN。根据实验结果可得，刻蚀出的微纳米结构的深度随施加力载荷的增大而增加，如图4所示，而表面粗糙度Ra值也随力载荷的增大而增加，即表面质量下降，如图5所示；

5)设置基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工的电参数，AFM悬臂梁探针1为阴极，导电样品3为阳极，使用直流电源两极间施加6～10V偏压。当所述的局域电场强度阈值E₀达6.0～8.0V/nm以上时，样品材料能够被放电蚀除。根据实验结果可得，刻蚀出微纳米结构的深度随施加偏压的增大而增加，如图4所示，而表面粗糙度Ra值则随偏压的增大反而减小，即表面质量获得提高，如图5所示；

6)基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工在恒力反馈下进行，可控制AFM探针针尖在垂直(z)方向上与样品表面接触时的相对位置大小，从而获得一致的刻蚀深度，即准三维微纳米结构的加工结果。典型的准三维微纳米方形凹槽结构如图6所示。

本发明解决了传统微纳米刻蚀加工需要复杂的光刻胶工艺，易引入污染，加工纳米尺度结构难度高等问题，开发出新型的基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工方法，为微纳米结构和器件的加工提供了一种低成本、高精度的有效可行的途径。

以上内容是结合具体的优选实施方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，在刻蚀过程中，利用AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具和电极，对样品表面同时施加机械力和电场的复合作用，并且在水平方向上按照扫描加工路径移动AFM探针，实现在样品的指定区域上去除材料，保持同一刻蚀深度，从而形成准三维的微纳米结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，所述的AFM探针为阴极、样品为阳极，在刻蚀过程中，阴极和阳极之间形成局域强电场，当局域电场强度阈值E₀达6.0～8.0V/nm以上时，样品材料被放电蚀除。

3.根据权利要求2所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，所述的阴极和阳极之间施加的电压为6～10V。

4.根据权利要求1所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，所述的AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具，探针针尖对局域样品表面施加力载荷，大小为500nN～10μN。

5.根据权利要求1所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，所述的扫描加工路径是在水平x和y方向上根据准三维微纳米结构的平面二维图形边界生成的来回往复的加工路径。

6.根据权利要求5所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，根据二维图形的边界，AFM探针在x方向上来回往复，每回复一次，在y方向上d进给量δ与AFM探针针尖的曲率半径r间的关系为δ＝1.5r。

7.根据权利要求1所述的一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，在垂直方向上施加恒力反馈，控制AFM探针的针尖在垂直z方向上与样品表面接触时的相对位置大小，从而获得刻蚀深度一致的准三维的微纳米结构，刻蚀深度的大小可由施加力载荷和偏压的大小进行可控的调整。