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高深宽比微纳结构的制造及其在表面增强拉曼中的应用研究

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高深宽比微纳结构的制造及其在表面增强拉曼中的应用研究

作者：徐海纯广州大学

学位级别：硕士

半导体技术的快速发展,对微纳米结构制造技术提出了新的要求—高深宽比微纳结构的制造。现阶段该结构的相关制造工艺已被广泛研究,且在诸多领域得到了应用,但在制造过程中仍然存在工艺复杂、调试难度高、加工成本昂贵等问题。针对上述问... 详细信息

半导体技术的快速发展,对微纳米结构制造技术提出了新的要求—高深宽比微纳结构的制造。现阶段该结构的相关制造工艺已被广泛研究,且在诸多领域得到了应用,但在制造过程中仍然存在工艺复杂、调试难度高、加工成本昂贵等问题。针对上述问题,本论文以ICP刻蚀技术为基础,通过大量实验对该刻蚀进行分析研究,由此得出高效的刻蚀工艺参数,实现以成本较低的光刻胶为掩模版,光刻完成高深宽比微纳结构的可控制造,并进一步结合时域有限元仿真、实验、参数化分析方法系统地研究高深宽比微纳结构表面增强拉曼性能。主要研究工作如下:(1)研究以光刻胶为掩模、简便高效的高深宽比结构加工工艺首先对比各类加工方法的优劣,选定以ICP刻蚀作为高深宽比微纳结构刻蚀实验的加工手段。主要对刻蚀过程中的参数:反应时间、反应腔体压强、刻蚀/钝化气体流量比例以及ICP源功率进行实验,采用控制变量法分别设置5组连续变量的实验。分析刻蚀实验结果,得出刻蚀速率与各参数的关系曲线,以及各参数对结构形貌均匀性的影响,得出高效的高深宽比微纳结构可控加工工艺参数。确定由光刻胶作为刻蚀掩模的刻蚀加工参数为:反应时间0.625s、反应腔体压强30m Torr、刻蚀/钝化气体流量为160sccm/10sccm、ICP源功率2000W,实现刻蚀速率达5.07μm/min。在该工艺下,不再额外制造金属掩模即可实现在硅表面稳定加工出深宽比约为129、侧壁倾角约90.4°的微纳结构。(2)研究高深宽比微纳结构在表面增强拉曼中的应用首先利用时域差分软件FDTD对三种基底进行电场模拟,分别得出金颗粒-无结构硅基底、金颗粒-高深宽比微纳结构硅基底的电场分布情况,对比模拟结果发现,金颗粒-高深宽比微纳结构硅基底在不同偏振方向的激发光源下均能使金颗粒-硅之间产生大量稳定存在的“热点”。进一步,利用所研究的刻蚀工艺制造出不同深宽比的硅基微纳结构,由氯金酸在紫外光下的还原反应完成金颗粒的生成与修饰,以罗丹明6G(R6G)作为探针分子,配置不同浓度的水溶液,进行拉曼检测实验。结果表明,所制备的金颗粒-无结构硅基底在R6G的检测极限为10M,然后进行不同深宽比的金颗粒-高深宽比微纳结构硅基底实验,发现随着深宽比值的增大,基底的检测信号有所增强,当深宽比值为10时,信号强度比无结构基底所检测的信号增强了近3倍,表明高深宽比结构在拉曼检测中能够有效发挥高比表面积的优势,有助于信号的进一步增强。

关键词：高深宽比微纳结构刻蚀工艺表面增强拉曼

高深宽比微细结构紫外光固化-脱模工艺建模与分析

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同方学位论文库

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上海交通大学学报 2018年第12期52卷 1603-1608页

作者：吴昊易培云彭林法来新民上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

针对高深宽比结构的脱模问题,利用压缩试验获得了材料的力学性能,并用Ogden模型对其进行描述,建立了卷对卷紫外光(UV)固化-脱模工艺过程的有限元模型.分析了光照时长、残余层厚度、微结构深宽比以及结构间隙等参数对脱模最大应力的影响... 详细信息

针对高深宽比结构的脱模问题,利用压缩试验获得了材料的力学性能,并用Ogden模型对其进行描述,建立了卷对卷紫外光(UV)固化-脱模工艺过程的有限元模型.分析了光照时长、残余层厚度、微结构深宽比以及结构间隙等参数对脱模最大应力的影响规律.结果表明:在结构深宽比为4∶1时,界面粘接力是导致脱模缺陷的主要原因;光照时长越长,残余层厚度越薄;微结构深宽比越小以及结构间隙越大,固化-脱模应力越小、越有利于脱模.

关键词：高深宽比卷对卷固化-脱模结构缺陷

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高深宽比沟槽标准样板的设计与表征

微纳电子技术 2022年第12期59卷 1375-1382页

作者：陈雅晴管钰晴邹文哲赵琳梁法国孔明陈凯晴傅云霞雷李华中国计量大学计量测试工程学院杭州310018 上海市计量测试技术研究院上海201203 上海市在线检测与控制技术重点实验室上海201203 中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

针对高深宽比三维结构无损测量系统的量值溯源难点,开发并设计了最大深宽比为30∶1,宽度为2~30μm,深度为10~300μm的一系列具有循迹结构、可快速定位功能的高深宽比沟槽标准样板。采用计量型扫描电子显微镜(SEM)对制备的高深宽比沟槽... 详细信息

针对高深宽比三维结构无损测量系统的量值溯源难点,开发并设计了最大深宽比为30∶1,宽度为2~30μm,深度为10~300μm的一系列具有循迹结构、可快速定位功能的高深宽比沟槽标准样板。采用计量型扫描电子显微镜(SEM)对制备的高深宽比沟槽标准样板进行参数表征与溯源性分析。结果表明标称宽度2μm、标称深度60μm的高深宽比沟槽标准样板,其实际宽度测量结果为(2.191±0.008)μm,实际深度测量结果为(59.923±0.040)μm。对于标称宽度30μm、标称深度200μm的标准样板,其实际宽度测量结果为(29.721±0.112)μm,实际深度测量结果为(200.343±0.220)μm,并实现了近红外光谱型高深宽比三维结构测量系统高精密的校准。实验结果表明:设计的高深宽比沟槽标准样板是一种理想的高深宽比沟槽标准样板。

关键词：高深宽比标准样板测量系统溯源性三维结构

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高深宽比柔性微米纤维阵列制造及稳定性研究

西安交通大学学报 2017年第3期51卷 68-71,128页

作者：赵卫军西安交通大学机械工程学院西安710049

针对高深宽比柔性微米纤维阵列的制造难点,提出了一种利用氟树脂降低纤维表面能结合超声波辅助的方法,以实现高深宽比柔性微米纤维阵列的大面积和低成本制造。利用数学模型研究了纤维贴地倾倒和侧向倾倒的发生条件,在不稳定的情况下,相... 详细信息

针对高深宽比柔性微米纤维阵列的制造难点,提出了一种利用氟树脂降低纤维表面能结合超声波辅助的方法,以实现高深宽比柔性微米纤维阵列的大面积和低成本制造。利用数学模型研究了纤维贴地倾倒和侧向倾倒的发生条件,在不稳定的情况下,相比于侧向倾倒,高深宽比柔性纤维更易于贴地倾倒,并结合稳定性分析结果进行了相关实验验证。结果表明:通过具有更低表面能的氟树脂对已成型的高深宽比柔性纤维进行表面处理,可有效降低纤维表面能;对于倾倒的高深宽比纤维进行氟树脂表面处理,并辅之以超声振动,能够使得倾倒的纤维恢复到直立状态,当纤维直径为10μm时,其临界稳定深宽比为15.91,提高了纤维的稳定性,实现了直径为10μm、深宽比为10的柔性微米纤维阵列的制造,且制造出的高深宽比柔性纤维具有高度稳定性。

关键词：高深宽比柔性微米纤维贴地倾倒侧向倾倒

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高深宽比的TSV电镀铜填充技术研究

高深宽比的TSV电镀铜填充技术研究

作者：程万中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院)

学位级别：硕士

TSV(Through Silicon Via)技术是穿透硅通孔技术的缩写,简称硅通孔技术,是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术方案。使用TSV工艺的产品,可以获得更好的电性能,实现低功耗、低噪声、更小的封装尺寸和多功能化,适应消费类电子... 详细信息

TSV(Through Silicon Via)技术是穿透硅通孔技术的缩写,简称硅通孔技术,是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术方案。使用TSV工艺的产品,可以获得更好的电性能,实现低功耗、低噪声、更小的封装尺寸和多功能化,适应消费类电子产品的发展需求,是微电子技术未来发展的一种趋势。本文在COMSOL软件TSV电镀模块的基础上给出了一个含两种添加剂的TSV电镀仿真模型,并且利用实验验证了该仿真模型,同时根据实验结果进一步优化了仿真参数。通过对仿真过程的研究,可以直观的了解TSV电镀填充过程,对优化电镀工艺有一定的帮助。电镀铜填充是TSV技术的关键工艺,如何实现高深宽比的TSV的电镀铜填充一直是业界的难点问题。影响TSV电镀填充效果的因素有很多,比如TSV的尺寸、形貌,种子层的厚度、连续性,预处理工艺等。本文主要从电镀药液以及电镀的工艺条件这两个方面来研究TSV填充工艺。针对孔径10μm、孔深100μm的TSV,在12寸晶圆上实现了10x100μmTSV的无孔洞填充,并且保证过电镀铜层厚度满足后续工艺的要求。另外针对孔径30μm、孔深100μm的TSV的保形填充也做了一些研究,实现了较快的填充速率和较好的电镀覆盖率,能满足实际工艺的要求。本文旨在通过工艺的优化调整,得出一套稳定且经济的TSV填充的方法,从而提升TSV技术的良率,并降低工艺成本,为TSV技术的量产应用做出一些贡献。

关键词： TSV 电镀仿真无孔洞填充保形填充高深宽比三维封装

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高深宽比的TSV制作与填充技术

真空科学与技术学报 2016年第1期36卷 93-97页

作者：余成昇许高斌陈兴马渊明展明浩合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽省MEMS工程技术研究中心合肥230009 中国兵器工业集团北方通用电子集团有限公司蚌埠233042

硅通孔技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案。本文介绍了TSV的制作与填充技术,通过优化ICP刻蚀工艺,实现了上口尺寸14.41μm、下口尺寸8.83μm、深度331.0μm、深宽比大于20:1的高深宽比通孔的制作;利用LPCVD... 详细信息

硅通孔技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案。本文介绍了TSV的制作与填充技术,通过优化ICP刻蚀工艺,实现了上口尺寸14.41μm、下口尺寸8.83μm、深度331.0μm、深宽比大于20:1的高深宽比通孔的制作;利用LPCVD工艺在通孔内沉积的重掺杂多晶硅作为电极引线实现电气互连,并对通孔进行了电阻特性的测试,测试结果表明,通孔阻值约为25Ω,通孔互连的电学特性较好。

关键词：硅通孔 ICP刻蚀 LPCVD 重掺杂多晶硅高深宽比

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高深宽比硅台阶落差结构的精密成型

真空 2022年第2期59卷 81-84页

作者：丁景兵黄斌何凯旋赵三院华东光电集成器件研究所安徽蚌埠233030

针对MEMS深硅台阶刻蚀产生硅草导致器件短路的问题,分析了硅草形成的原因,通过对深硅台阶刻蚀的主要工艺参数,如刻蚀钝化时间、Ar物理轰击设置单因素实验,提出一种基于Bosch工艺,即采用周期性“刻蚀-钝化-预刻蚀”进行精密台阶结构落差... 详细信息

针对MEMS深硅台阶刻蚀产生硅草导致器件短路的问题,分析了硅草形成的原因,通过对深硅台阶刻蚀的主要工艺参数,如刻蚀钝化时间、Ar物理轰击设置单因素实验,提出一种基于Bosch工艺,即采用周期性“刻蚀-钝化-预刻蚀”进行精密台阶结构落差成型的方法,该方法主要通过大幅度提高预刻蚀偏置功率和合理配置刻蚀钝化时间来进行实验。结果表明:在预刻蚀偏置功率100W、预刻蚀时间0.8s的工艺条件下,可以有效的抑制硅草的产生;台阶刻蚀完成后再采用SF6刻蚀气体对台阶侧壁清扫10s,确保硅草去除完全,此时获得的台阶落差结构平整光滑,刻蚀的梳齿垂直度优于90°±1°。该方法具有重复性好、工艺简单的特点。

关键词：台阶刻蚀高深宽比预刻蚀硅草 Bosch

制备梳齿型高深宽比微静电马达的关键技术研究

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制备梳齿型高深宽比微静电马达的关键技术研究

作者：范若欣上海应用技术大学

学位级别：硕士

本文针对静电微驱动器所需的驱动电压较高、且驱动位移较小及提供驱动的静电力为非线性等问题,计算及仿真设计了梳齿型微静电马达的模型,得出高深宽比的梳齿结构可有效提高微静电马达的输出能量和效率。因而基于LIGA工艺设计并制备了梳... 详细信息

本文针对静电微驱动器所需的驱动电压较高、且驱动位移较小及提供驱动的静电力为非线性等问题,计算及仿真设计了梳齿型微静电马达的模型,得出高深宽比的梳齿结构可有效提高微静电马达的输出能量和效率。因而基于LIGA工艺设计并制备了梳齿型高深宽比亚微米级微结构,同时对制备工艺进行了优化,有效提升了器件的硬度,并为规模化生产提供了理论指导和技术支持。本文的主要研究内容如下:(1)根据梳齿型微静电马达的结构特点及工作原理,设计了相应的仿真模型,通过有限元仿真对静电梳齿电容结构的静电场进行分析和模拟,并分析了其在不同深宽比下的驱动电压和所产生的静电力与驱动位移的关系。通过仿真计算得出,当驱动位移达到理论最小位移时,深宽比越高,所需的驱动电压越小,强调了提高器件深宽比的重要性。(2)为提高静电梳齿结构的深宽比,基于LIGA工艺完成了对梳齿型高深宽比微结构的制备。选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻胶,通过对预实验进行表征发现了可优化的实验参数。经过优化实验,得到在掩模版到PMMA的间距为20μm、显影及烘干温度均为23℃时,可制备得到深宽比达8.28的梳齿型微结构,且此时梳齿矩形化较优。(3)为了增强器件的耐磨性及强度,采用电沉积的方式制备了粒径为100 nm金刚石颗粒增强镍基的复合镀层,并设置纯镍镀层及嵌入粒径为500 nm的镀层作为对照组。通过维氏硬度(HV)测试,得到镀覆粒径100 nm金刚石颗粒的复合镀层维氏硬度HV可达403,相较纯镍镀层提升了70.76%,较嵌入粒径500 nm金刚石颗粒的镀层提升了59.29%;同时为实现微结构低成本、高效及大规模的生产,设计研制了防抖动的小型热模压装置,有效改善了传统的热模压装置的压头存在定位偏移、模压压力施加不均匀以及脱模过程中粘连等现象,制备的微结构最小尺寸可达3μm。

关键词： LIGA工艺微静电马达高深宽比同步辐射X射线复合电镀热模压

高深宽比塑件超声波辅助微注塑流变机理和实验研究

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高深宽比塑件超声波辅助微注塑流变机理和实验研究

作者：熊建军深圳大学

学位级别：硕士

高聚物由于其独特的物理化学性质被作为微电子元器件和光学元件,广泛地应用于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System）中。但是在注塑加工高深宽比的微结构件时,由于其结构小、深宽比大、精度要求高的特点,塑件出现了各种微尺度... 详细信息

高聚物由于其独特的物理化学性质被作为微电子元器件和光学元件,广泛地应用于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System）中。但是在注塑加工高深宽比的微结构件时,由于其结构小、深宽比大、精度要求高的特点,塑件出现了各种微尺度下的成型缺陷,所以提高微结构的成型性能已成为微结构成型加工领域的重点问题。超声波辅助微注塑成型是一种对注塑设备的模具或者实验材料添加超声波的成型加工技术,超声波的添加可以改善高聚物熔体的流变性能,从而减少微结构的成型缺陷。本文在高聚物熔体的流变机理和注塑模具设计原理之上设计并制造了超声微注塑实验平台,该平台包含超声振动系统和微注塑模具两部分。设计并制造高深宽比（3:1、5:1、10:1）微结构镶件,并放置在定模模芯内,同时超声通过变幅杆作用于定模模芯,从而实现超声波对聚合物的辅助成型。首先分析超声作用下聚合物的流变机理,建立超声微观黏度模型（MU）。基于传统高聚物熔体流动的幂律模型,分析超声能量对非牛顿指数n和稠度系数K的影响规律,建立超声作用下高聚物熔体流动状态的黏度模型。同时结合微尺度因素（分子链段和特征尺寸）对高聚物熔体的流变性能影响,对超声黏度模型进行修正。然后对建立的超声微观黏度模型（MU）进行适用性和精确性验证。建立聚丙烯（PP）材料的超声微观黏度模型,代入到微注塑填充仿真中,将仿真结果与超声微注塑实验结果进行填充率对比。再建立聚苯乙烯（PS）材料的超声微观黏度模型,代入流变仿真中,将仿真压力差结果与流变试验结果进行压力差对比。对比结果证明,超声微观黏度模型具有良好的精确性。最后进行PP材料的超声微注塑实验,对得到的高深宽比塑件进行填充性能检测,并探究超声对材料结晶性能的影响。设置不同的注塑压力,注塑速度,超声波振幅,进行单因素高深宽比微槽的微注塑填充实验。结果显示,随微结构深宽比逐渐增大,超声辅助振动提高填充率效果越明显。在本文研究的范围内,超声对微注塑填充率的提升值可达13.4%;随超声能量增大,聚合物熔体流动性能提高,微结构填充率增大。将超声微注塑塑件与微注塑塑件进行差式描热检测（DSC）和X射线衍射检测（XRD）实验。检测结果显示,超声作用后高聚物结晶性能下降,结晶晶粒细化,说明超声作用激活了聚合物的分子链段运动,使得聚合物熔体的流动能力增加。

关键词：超声波微注塑高深宽比黏度模型填充率