光化學約束刻蝕在微加工中的應用.pdf

1、微納制造是當代科學技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，在推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級和促進高尖端制造業(yè)的騰飛具有重大意義。隨著IC工業(yè)、精密光學、微納機電系統(tǒng)和生物信息技術(shù)發(fā)展，微納制造成為增長最快的產(chǎn)業(yè)，在航天、石化、電子、醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應用。微納制造的加工方法諸多，其中電化學微納加工方法由于無工具磨損、無殘余應力等優(yōu)點被廣泛使用。電化學微納加工技術(shù)主要包括逐點加工技術(shù)（超短勢脈沖加工、掃描電化學顯微鏡、電化學-SPM等）、掩模版加工技術(shù)(LIGA、EAFB、大

2、馬士革工藝、凝膠電解質(zhì)技術(shù))、電化學拋光、電化學機械拋光以及約束刻蝕劑層技術(shù)(CELT)。CELT由我國著名的電化學家田昭武院士在1992年提出，是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的微加工技術(shù)。近年來，CELT技術(shù)取得了長足的進步，但仍存在工具-工件之間電解液薄層內(nèi)電場分布不勻、物料傳遞困難等技術(shù)難題。與傳統(tǒng)的電場調(diào)控相比，光場更容易調(diào)控。光場受空間的限制小，更容易均一化，因此，發(fā)展光化學CELT技術(shù)可以規(guī)避傳統(tǒng)電化學CELT由于電場分布不均一帶來

3、的加工精度和加工效率等問題。將機械運動等外場調(diào)制和CELT技術(shù)相結(jié)合，可以克服CELT加工過程的傳質(zhì)困難等問題。
　　本論文以光化學為主要切入點，結(jié)合SECM技術(shù)，自行搭建了掃描光電化學顯微鏡(SPCEM)，用于光催化反應的動力學機理研究。探究了TiO2/KBr/Fe3+自催化體系，并將其應用到CELT微納加工技術(shù)中，發(fā)展了一種光化學約束刻蝕層技術(shù)(P-CELT)，并進一步研究了將P-CELT與機械運動相結(jié)合的作業(yè)方式，還發(fā)展了一

4、種基于光化學的凝膠復制技術(shù)，通過局域腐蝕的電化學方法達到微納加工的目的。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.研制了用于研究光化學反應動力學的SPECM儀器。該儀器主要包括兩個部分:光路系統(tǒng)與SECM裝置。光路系統(tǒng)通過光學鏡頭的聚焦與濾光片的調(diào)節(jié)，控制不同光功率密度(0-100 mwcm-2)。經(jīng)過濾光片的調(diào)節(jié)，選取紫外、可見、紅外光波。結(jié)合分光光度法初步研究了TiO2光催化產(chǎn)生Br2的條件。該體系轉(zhuǎn)移至SPECM儀器，采集了

5、光催化的電流響應信號。儀器搭建與實驗過程相結(jié)合程度好，達到了進一步實驗的要求。
　　2.發(fā)現(xiàn)了光化學反應中的自催化現(xiàn)象，并研究了其反應動力學性質(zhì)。如果以溶解氧作為光化學反應的電子受體，由于水溶液中氧氣的溶解度較低，催化劑的性能沒有得到充分利用。當電解質(zhì)中的電子受體溶解氧(O2)被1.0 mM Fe3+所代替時，濃度為5.0 mM Br-反應速率常數(shù)為(1.5±0.5)×10-3 cm s-1，而體系(TiO2/飽和O2/5.0 m

6、M Br-)中，溶解氧作為電子受體時，反應速率常數(shù)為(4.0±0.5)×10-4 cm s-1，說明自催化體系的催化效果有明顯的提高。自催化是反應產(chǎn)物充當催化劑的物理化學現(xiàn)象，該光化學體系的自催化效應是由于光催化的產(chǎn)物Fe2+和Br2的隨后化學反應使得Fe3+和Br-再生，從而有效地提高了TiO2/電解質(zhì)溶液界面?zhèn)髻|(zhì)和傳荷速率。刻蝕加工結(jié)果顯示體系TiO2/1.0 mM Fe3+/5.0 mMBr-的刻蝕速率為675 nm/min，而T

7、iO2/飽和O2/5.0 mM Br-為141 nm/min。在進行染料降解實驗對比時，自催化體系TiO2/1.0 mM Fe3+/5.0 mM Br-降解羅丹明B速率達到了0.139 min-1，而同一條件下TiO2/飽和O2/5.0 mM Br-只有0.013 min-1。自催化效應只需要少量的電荷受體就可以大幅提升光電化學轉(zhuǎn)化速率，而且沒有電荷受體的凈消耗，催化效率高，環(huán)境友好，為高效利用太陽能提供了新的途徑，有望在太陽能電池、光

8、降解環(huán)境污染物、光化學合成以及微納制造業(yè)等領(lǐng)域得到應用。
　　3.提出了一種TiO2修飾的微管刀具的方法，解決了光纖刀具在使用過程中TiO2易脫落的問題，并通過控制微管的直徑來調(diào)控刀具尺寸。將光化學CELT加工與機械運動耦合，在砷化鎵表面加工出微米級的溝槽結(jié)構(gòu)，以光化學的去除方式實現(xiàn)了機械加工作業(yè)。與傳統(tǒng)的機械加工相比，P-CELT是一種非接觸式的加工方法，無熱效應、無殘余應力以及無表面損傷。結(jié)果表明，將P-CELT是一種有潛力的

9、多尺度、高精度的微加工技術(shù)。
　　4.提出了一種基于半導體光電效應的凝膠約束刻蝕技術(shù)(P-WETs)。本實驗以具有微結(jié)構(gòu)的硅片作為模板，通過熱注塑的方法，將微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到瓊脂糖表面。然后將瓊脂糖在工作溶液中浸泡，得到圖案化的瓊脂糖濕印章。將半導體置于瓊脂糖表面，光源穿越瓊脂糖引入到半導體表面，利用半導體在光的促進下電荷與空穴分離、發(fā)生腐蝕的原理進行加工。該方法得到的表面形貌保型好，刻蝕速度佳。建立了關(guān)于瓊脂糖凝膠刻蝕半導體的動力學模