過去幾十年中,先進(jìn)電子材料和結(jié)構(gòu)的制造取得了極大的進(jìn)展,微電子器件和下一代電子產(chǎn)品的發(fā)展與復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)的制備息息相關(guān)。為了使器件在電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能有進(jìn)一步的突破,表面薄膜器件都會以三維或準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)代替常規(guī)的二維平面結(jié)構(gòu)。當(dāng)前越來越多的新型的表面結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來,這對表面微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的要求越來越高,而目前的常規(guī)微納結(jié)構(gòu)加工方法已經(jīng)難以滿足復(fù)雜新型表面結(jié)構(gòu)的加工需要。傳統(tǒng)的表面三維結(jié)構(gòu)的加工方法工藝繁瑣、成本高昂,而二維結(jié)構(gòu)的加工工藝則簡單的多,且可選用的加工技術(shù)也更多樣。本文提出一種基于褶皺生長行為的微納結(jié)構(gòu)加工工藝,主要利用激光直寫技術(shù),結(jié)合褶皺生長現(xiàn)象,在加工二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,完成三維微納結(jié)構(gòu)的制備,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模廉價三維微納結(jié)構(gòu)的制備。本文構(gòu)建了不同體系的軟/硬雙層膜樣品,通過引入熱應(yīng)力的方式,得到了周期不同的褶皺結(jié)構(gòu),并分析褶皺形貌討論了各層薄膜的物理性質(zhì)對褶皺形貌的影響。通過調(diào)控不同的熱處理工藝,探索了加工工藝對褶皺形貌的影響。通過調(diào)整膜厚比,在5 nm錫/17 nm聚苯乙烯的樣品上制備了本征周期最小為200nm褶皺,以氧化銦錫為表面膜制備了透明導(dǎo)電的褶皺結(jié)構(gòu)。利用激光直... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1雙層膜系統(tǒng)的失穩(wěn)模型[13]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-5-從應(yīng)力角度分析和從能量角度分析得到的結(jié)果是一致的，由此推導(dǎo)過程我們可以得知，雙層膜體系失穩(wěn)產(chǎn)生的褶皺結(jié)構(gòu)形貌，與上下兩層薄膜的彈性模量及泊松比密切相關(guān)。只有基底受到超過臨界應(yīng)力的壓縮應(yīng)力時，系統(tǒng)才會失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺結(jié)構(gòu)。此外由臨界失穩(wěn)公式可知，樣品形成的褶皺波長只與薄膜厚度、薄膜材料性能相關(guān)，而與應(yīng)力大小無關(guān)。褶皺的振幅則與薄膜所受的應(yīng)力大小以及金屬膜厚度有關(guān)。這意味著對于確定的雙層膜結(jié)構(gòu)，一旦褶皺結(jié)構(gòu)形成，其波長將不再變化，而振幅將隨著應(yīng)力增大而增大。這些褶皺形成機(jī)理對我們利用褶皺生長制備微納結(jié)構(gòu)提供了理論支撐，我們可以根據(jù)褶皺的這些特性來設(shè)計加工微納結(jié)構(gòu)。以上僅僅是在二維層面分析系統(tǒng)失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺結(jié)構(gòu)機(jī)理，研究的也只是褶皺的波長、振幅等基本特性。若想把褶皺生長作為一種微納加工方法，只是能得到正弦型結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而在不同系統(tǒng)下，在不同的應(yīng)力條件時薄膜也能獲得不同類型的褶皺，如圖1-2所示。圖1-2雙層膜體系失穩(wěn)常見的褶皺形貌[17]a)正弦型；b)三角型；c)六方型；d)人字型；e)四方型；f)迷宮型Chen等人[18,19]發(fā)現(xiàn)若薄膜受面內(nèi)雙向應(yīng)力，則不會產(chǎn)生正弦型褶皺而是形成人字形褶皺。而對于非等軸加載，Audoly等人[20]分析得出在體系臨界失穩(wěn)時形成的是條紋形貌的褶皺，繼續(xù)發(fā)展則是人字形貌時系統(tǒng)能量最小，形

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-8-示：()1/8eetktkt=（1-22）式中ek——溶脹飽和平衡態(tài)時的波數(shù)；et——溶脹飽和平衡態(tài)時的時間�？梢园l(fā)現(xiàn)利用溶劑誘導(dǎo)法制備褶皺結(jié)構(gòu)與溶劑的擴(kuò)散行為密切相關(guān)，且制備環(huán)境要求很高，十分不利于大面積制備，不適用于微納結(jié)構(gòu)加工。圖1-3溶劑誘導(dǎo)法制備褶皺結(jié)構(gòu)過程[22]1.2.2.3熱誘導(dǎo)法熱誘導(dǎo)法是利用表皮層和基底層熱膨脹系數(shù)的不同，從而在對樣品進(jìn)行加熱時，上下兩層膜間產(chǎn)生應(yīng)力差，以此來形成褶皺結(jié)構(gòu)的。最早提出利用熱膨脹法制備褶皺結(jié)構(gòu)的是Bowden等人[8]，他們成功在Au/PDMS體系上制備了周期最小達(dá)10μm的微褶皺結(jié)構(gòu)，主要利用的是PDMS和Au之間熱膨脹系數(shù)的巨大差異。他們在加熱膨脹的PDMS表面鍍一層Au薄膜，冷卻后PDMS開始回縮，而Au冷卻后回縮量遠(yuǎn)小于聚合物薄膜，因此會受到基底的壓應(yīng)力，只能通過形成褶皺結(jié)構(gòu)的形式來釋放應(yīng)力。除此之外熱誘導(dǎo)法還可以通過另一種方式來形成褶皺結(jié)構(gòu)。Yoo等人[24]在玻璃基板上制備了一組Al/PS的雙層薄膜，之后將樣品放在溫度高于PS玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的烘箱中加熱一段時間，冷卻至室溫后在樣品表面得到大面積的褶皺結(jié)構(gòu)。其機(jī)理為，當(dāng)加熱溫度超過PS的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度后，PS的物理性質(zhì)發(fā)生一定改變，會由玻璃態(tài)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，此時PS薄膜的彈性模量減小，粘性增加。這個時候Al/PS體系薄膜相對于薄膜基板非常薄，樣品此時的熱膨脹性質(zhì)由基底決定，而PS膜相當(dāng)于一個變形層，只起到粘合基底和Al膜的作用。隨著溫度升高樣品表面受到的熱應(yīng)力逐漸增大，而另一方面，PS的粘性特征也會慢

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光直寫光刻工藝技術(shù)研究[J]. 邱傳凱,杜春雷,侯德勝.  光電工程. 1997(S1)

博士論文
[1]PDMS薄膜基柔性微納結(jié)構(gòu)的制備及其應(yīng)用研究[D]. 孟彥成.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019



本文編號：2931518