利用FFM機(jī)制進(jìn)行的極微細(xì)機(jī)械加工

引言

隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械加工中也需要納米級的加工控制技術(shù)，從這個觀點出發(fā)，近年來，利用掃描型探針顯微鏡(SPM)的極微細(xì)加工技術(shù)被廣泛研究1）～5）。為了確立納米級的機(jī)械加工技術(shù)， 考慮到化學(xué)效果，理解加工現(xiàn)象是重要的研究課題。

實驗

圖1是利用FFM機(jī)制進(jìn)行的極微細(xì)機(jī)械加工（以下稱FFM加工）的概略圖。

圖1實驗裝置的原理示意圖

圖2是實驗方法的概略圖。首先，使用安裝了加工用懸臂梁的FFM機(jī)構(gòu)，對單晶硅的拋光面（（100）面，Ra5nm）進(jìn)行正方形領(lǐng)域的凹痕形成加工，其次，用KOH水溶液對該試料進(jìn)行蝕刻處理。為了提高蝕刻處理后的試料表面的粗糙度，將異丙醇(IPA)作為添加劑混合在蝕刻液中使用。加工條件如表1和表2所示。經(jīng)過一定時間后，充分進(jìn)行流水沖洗，使表面干燥后，用觀察用懸臂梁對加工部的變化進(jìn)行AFM觀察。

圖2實驗方法的示意圖
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以垂直負(fù)荷789μN，加工速度120μm%s進(jìn)行機(jī)械加工的試料表面的AFM觀察像。形成了深度約34nm的凹痕。圖1是用15wt%KOH水溶液進(jìn)行20分鐘蝕刻處理的加工部的AFM觀察像。加工部表面顯示出很強的掩膜作用，其周圍被選擇性地蝕刻。其結(jié)果，殘留形成了高度約259nm的角柱構(gòu)造物。

圖3是使用10wt%KOH水溶液時，角柱構(gòu)造物殘留高度與蝕刻處理時間的關(guān)系。隨著蝕刻處理時間的增加，殘留高度增大。這表明在加工部生成了對KOH水溶液具有足夠耐腐

蝕性的加工變質(zhì)層。

圖3剩余高度取決于蝕刻時間

一般情況下，單晶硅的表面被數(shù)nm左右厚的自然氧化膜覆蓋，為了避免對細(xì)微的除去加工的影響，將預(yù)處理過的試料用于實驗。

預(yù)處理順序為:（1）用自來水流水沖洗20分鐘，（2）用純水超聲波沖洗3分鐘，（3）用丙酮超聲波沖洗5分鐘，（4）用46%氫氟酸自然氧化膜除去處理1分鐘，（5）用純水超聲波沖洗3分鐘。首先，使用安裝了加工用懸臂梁的FFM機(jī)構(gòu)，對單晶硅的拋光面（（100）面，Ra5nm）進(jìn)行正方形領(lǐng)域的凹痕形成加工，其次，用KOH水溶液對該試料進(jìn)行蝕刻處理。為了提高蝕刻處理后的試料表面的粗糙度，將異丙醇(IPA)作為添加劑混合在蝕刻液中使用。加工條件如表1和表2所示。經(jīng)過一定時間后，充分進(jìn)行流水沖洗，使表面干燥后，用觀察用懸臂梁對加工部的變化進(jìn)行AFM觀察。

通過進(jìn)行凹陷加工，在凹陷底面生成受到加工影響的加工變質(zhì)層（圖1）（cd.使用濃度20wt%以下的KOH水溶液的情況下，在蝕刻率大的未加工部分蝕刻迅速進(jìn)行，加工部分的加工變質(zhì)層顯示出很強的掩蔽作用。加工部分殘留形成角柱構(gòu)造物。另一方面，濃度20wt%以上時，由于KOH水溶液的作用，加工部分的蝕刻作用被促進(jìn)，加工部分變成比加工后的加工痕跡更深的凹陷形狀。

討論和總結(jié)

1.通過FFM結(jié)構(gòu)對單晶硅（100）進(jìn)行極微細(xì)加工后，發(fā)現(xiàn)用KOH水溶液進(jìn)行蝕刻時，對加工部產(chǎn)生了很強的掩蔽作用。明確了加工部殘留為棱柱狀。

2.在本實驗條件的范圍內(nèi)，不受垂直負(fù)荷和加工速度的影響，在加工部生成了對KOH水溶液具有充分耐蝕性的加工變質(zhì)層。另外，還顯示了根據(jù)KOH蝕刻液的濃度，在加工部產(chǎn)生掩蔽作用的情況和產(chǎn)生蝕刻促進(jìn)作用的情況。

3.使用提案的微細(xì)加工原理，顯示了形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的可能性。在本報告中，沒有討論蝕刻試料表面的形狀精度。今后，為了形成更實用的微細(xì)結(jié)構(gòu)，在把握加工部表面層的實際狀態(tài)的同時，尋找最佳的蝕刻條件，展開無掩模的直接圖形形成技術(shù)。

審核編輯：湯梓紅