论文部分内容阅读
硅微加工技术是现代电子工业的最重要基础之一，随着对加工精度要求的提高和加工的微型化，传统的加工方法很难满足需要。而原子力显微镜(AFM)作为一种新的纳米加工工具却可以满足这方面的要求。将原子力显微镜加工技术与碱性溶液中腐蚀加工的技术相结合，利用AFM在单晶硅片的某一晶面机械加工并将此硅片放入碱性溶液中腐蚀加工，可以加工出三维微/纳米结构，此法能够弥补传统微/纳米尺度上加工技术在单晶硅表面上加工的缺点。研究其加工机理对于提高我国在此领域的研究水平，对固态传感器的发展和应用以及对国民经济的发展都具有重要意义。 本文使用AFM在单晶硅片(100)晶面加工形成一定形状的加工区域，以KOH和水为主要成分的碱性腐蚀液对经过AFM加工过的单晶硅进行腐蚀加工，在(100)晶面得到微结构平台。研究了不同加工条件对化学加工速率、微结构高度影响。给出了(100)和(111)晶面在碱性条件下腐蚀加工速率的各向异性的原因。 当AFM在单晶硅片(100)晶面进行加工时，可以形成一定形状的加工区域——凹下的微结构，同时在微结构表面形成一层SiO2薄膜。使用AFM、SEM、EDS和XPS分析测试手段对微结构的表面形态、表面成分以及加工产生的切屑进行了分析表征，给出针尖在不同载荷下的切入深度值。 根据EDS和XPS检测结果，提出利用化学热力学和化学动力学原理，分析了反应过程中断裂化学键键能与活化能的关系，说明金刚石针尖与硅在加工表面容易生成SiO2薄膜；同时也说明金刚石针尖磨损发生的是生成CO2的反应。 由于微结构表面的SiO2薄膜与氢氧化钾溶液中的反应速度慢于单晶硅，同时单晶硅的(100)晶面的反应速度又快于(111)等晶面，因此在氢氧化钾溶液加工过程中，在AFM加工的微结构基础上生成凸出微结构平台。实验研究了氢氧化钾水溶液中化学加工条件变化如温度、浓度、时间和有机添加剂对加工速率和微结构高度等的影响。 提出了基于电子(Lewis）酸碱理论碱溶液中化学加工的反应机理。OH-中的O原子上的孤对电子能够作为电子对的给体，是Lewis碱；而Si原子上有可以接收孤对电子的空的3d的轨道，是Lewis酸，硅片和OH-之间的反应是Lewis酸碱反应。 提出用化学动力学原理从化学反应活化能概念出发，根据(100)和(111)晶面悬挂键密度和数量、背键数量不同，分析其化学反应活化能和加工速率的影响。(100)与(111)晶面相比，悬挂键密度和数量多、背键数量少，导致(100)比(111)晶面加工反应的活化能低，加工速率快。 提出单晶硅不同晶面表面Si原子周围具有不同的电子密度、空间位阻、表面自由能，其反应活化能不同导致加工速率不同。(100)晶面Si原子周围电子密度比(111)晶面低，空间位阻小，对OH-排斥力较小，反应活化能低，加工反应速率快。由于(100)晶面原子堆积密度大于(111)晶面，摩尔表面自由能低，造成一个单位面积的表面所需要的能量小，易发生化学反应。 提出采用量子化学理论——密度泛函(DFT)计算程序结合周期性平板模型，计算了(100)和(111)晶面结合（吸附）氢氧根前后能量、键长、键角、电荷布局和化学键布局。选取单晶硅(100)和(111)晶面模型进行结构优化。从优化数据得出(100)晶面的稳定性低于(111)晶面，活泼性高。而结合OH-前后的总能量计算结果也表明(100)晶面上单个的Si原子的能量高于(111)晶面上Si原子，稳定性低，因此与碱溶液反应时活性高速率快。(100)晶面Si原子与羟基的结合能大于(111)晶面，说明(100)晶面更容易与OH-反应，有利于加快反应速率。结合OH-前后同一晶面上的Si原子间的键长、键角、电荷布局和化学键布局发生了变化，这些变化也是影响晶面反应速率快慢的因素。