基于氧化还原水合凝胶聚合物膜/金属界面的微纳米加工研究
为满足对纳米精度的大面积平坦化和批量加工复杂三维纳米结构的需求，本论文从原理创新发展了一种电化学纳米加工方法，其核心在于利用氧化还原水合凝胶聚合物的特性，即:软质水合物和电子仅能在电化学活性基团间慢速跳迁传导。新方法源自于田昭武院士提出的约束刻蚀剂层技术，但不需要高精度的距离控制设备和捕捉剂。 技术方案和纳米精度的距离敏感的加工原理简介如下:1）采用含有电活性基团的水合凝胶聚合物薄膜作为中间层，隔开叠放于电解池底部的模板电极（超平滑或微纳米图案化表面）和工件;2）依靠电极自重和水合聚合物膜的软质特性就能高精度地达到和保持模板电极和工件表面间的平行度和间距;3）调控模板电极电位，电化学氧化锚定在聚合膜中的电活性基团，由其化学氧化与之接触的工件表面，随后聚合物膜按最短途径将电子慢速传导至模板电极，使刻蚀持续进行;4）因膜中电子传导是整个刻蚀过程的决速步，工件表面各点的刻蚀速度反比于各点到模板电极的最短距离;随着工件表面刻蚀，工件表面各点到模板电极最短距离将逐渐达等同，工件刻面形成与模板电极表面互补的结构。 论文第三章研究了碳膜电极的制备工艺。通过优化光刻胶的碳化条件，制得了大面积表面超平滑(Φ:50mm，Ra:0.47 nm，PV:0.53μm)碳膜电极，可用作大面积铜工件表面平坦化的模板电极。 第四章分析了电化学纳米加工新方案的基础理论，并以铜互连层平坦化加工为例，验证了可行性和纳米量级精度的距离敏感性，着重调查了影响高质表面形成的各种关键条件。实验采用玻碳电极(Φ:6 mm，Ra:12.48 nm)为模板电极，以旋涂方法将合成的氧化还原水合凝胶聚合物([Ru(bpy)2Cl(PVP)5]Cl)薄膜固定在玻碳电极表面;刻蚀实验分别在0.1mol·dm-3 CH3COOH+0.2 mol·dm-3 Na2SO4(pH3.0)和0.1 mol·dm-3CH3COOH+0.2 mol·dm-3 H2SO4两种工作溶液中进行。结果表明:1）刻蚀加工具有典型的电化学-化学反应过程;2）电子在膜中的传导速度慢（电子扩散系数:6.80×10-11～2.86×10-10 cm2·s-1）;3）当调控电位使膜中的钌吡啶基团全部处于氧化态时，刻蚀电流反比于膜厚;4）采用循环伏安、阶跃电位或恒电位等方法，能以1.0～1.6 nm·min-1的材料去除率在铜工件表面刻蚀出与玻碳电极表面结构互补的圆坑状图案(Φ:6 mm，Ra:1.66nm)。另采用大面积表面超平滑碳膜电极作为模板电极，初步探讨大面积铜工件表面平坦化的加工条件，在铜工件表面Φ50 mm加工区域内，PV由加工前的3.95μm减至1.92μm， Ra由加工前的2.62 nm减为2.28 nm。 在第五章，利用水合凝胶聚合物/金属界面另发展了一种可对水合凝胶聚合物膜表面进行微图案化加工的新方法。实验结果表明:在硫酸溶液中，电化学氧化被聚合物膜完全包覆的金属铜电极，其表面将生成一层性质独特的铜盐层，可以引发自由基反应使聚合物链发生分解，同时铜盐层被还原至金属;采用表面具有微米尺度图案的金属铜模板电极，可在Nafion膜表面加工出与模板电极表面互补的微图案。
约束刻蚀层技术;电化学纳米加工;氧化还原;水合凝胶;聚合物膜;铜互连层平坦化
厦门大学
硕士
物理化学
时康
2014
中文
TB383
104
2015-06-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）