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發(fā)展的前沿領域，在推動傳統(tǒng)產業(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)和生物信息技術發(fā)展，微納制造成為增長最快的產業(yè)，在航天、石化、電子、醫(yī)藥等領域廣泛應用。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主要包括逐點加工技術（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(LIGA、EAFB、大

2、馬士革工藝、凝膠電解質技術)、電化學拋光、電化學機械拋光以及約束刻蝕劑層技術(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權的微加工技術。近年來，CELT技術取得了長足的進步，但仍存在工具-工件之間電解液薄層內電場分布不勻、物料傳遞困難等技術難題。與傳統(tǒng)的電場調控相比，光場更容易調控。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制和CELT技術相結合，可以克服CELT加工過程的傳質困難等問題。
　　本論文以光化學為主要切入點，結合SECM技術，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微納加工技術中，發(fā)展了一種光化學約束刻蝕層技術(P-CELT)，并進一步研究了將P-CELT與機械運動相結合的作業(yè)方式，還發(fā)展了一

4、種基于光化學的凝膠復制技術，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容和結果如下:
　　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節(jié)，控制不同光功率密度(0-100 mwcm-2)。經過濾光片的調節(jié)，選取紫外、可見、紅外光波。結合分光光度法初步研究了TiO2光催化產生Br2的條件。該體系轉移至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合程度好，達到了進一步實驗的要求。
　　2.發(fā)現了光化學反應中的自催化現象，并研究了其反應動力學性質。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。自催化是反應產物充當催化劑的物理化學現象，該光化學體系的自催化效應是由于光催化的產物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/電解質溶液界面?zhèn)髻|和傳荷速率?？涛g加工結果顯示體系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構，以光化學的去除方式實現了機械加工作業(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。
　　4.提出了一種基于半導體光電效應的凝膠約束刻蝕技術(P-WETs)。本實驗以具有微結構的硅片作為模板，通過熱注塑的方法，將微結構轉移到瓊脂糖表面。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。建立了關于瓊脂糖凝膠刻蝕半導體的動力學模