电子信息工程毕业设计(论文)软刻蚀方法复制仿生微纳结构.doc
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1、 毕业设计(论文) 课题 软刻蚀方法复制仿生微纳结构 专业年级 2005级电子科学与技术 学 号 姓 名 指导教师 评 阅 人 二九年六月计算机及信息工程学院(常州)河 海 大 学本科毕业设计(论文)任务书(理 工 科 类)、毕业设计(论文)题目: 软刻蚀方法复制仿生微纳结构 、毕业设计(论文)工作内容(从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明):当前微电子加工技术已经进入纳米时代,随着特征尺寸的进一步缩写,下一代光刻技术急需解决。纳米压印技术(nanoimprint)极有可能成为下一代光刻技术,因为它具有工艺简单
2、直接、成本低、效率高的优点。由于它是基于物理变形复制图案,不受光学衍射等因素影响,它具有较高的分辨率,可加工低于10纳米的图案。软刻蚀作为广义纳米压印技术的一种,具有柔性、易加工三维结构、生物相容性等优点,软刻蚀技术是一种集体技术的集体称呼,它包括微接触印刷、微模塑复制等,它们的共同点都是用到柔软的印章,常用的是PDMS印章。本课题拟提出用软刻蚀的方法批量复制仿生的微纳结构,该结构表面具有一定的疏水特性。通过本课题的设计,可认识软刻蚀技术中PDMS印章的制备,综合锻炼学生多学科的交叉分析能力。具体工作内容如下:1、熟悉课题研究背景,对相关纳米压印和软刻蚀资料进行分析整理。 2、对软刻蚀制备印章
3、的方法熟练掌握。 3、购买实验材料,准备进行复制实验。 4、进行实验,从干荷叶结构上复制其表面的微纳米结构。 5、对印章和复制品的表面结构分别进行原子力显微镜进行测量。6、对实验结果进行分析总结。7、给出论文英文摘要、专业英文资料翻译。 8、要求用WORD 排版、打印毕业论文。 、进度安排:(1)2008年11月2009年1月:查阅资料,英文翻译,熟悉课题背景 (2)2009年2月2009年3月:进行相关资料收集,购买实验材料 (3)2009年3月2009年4月:进行实验从干荷叶上复制其表面的微纳米结构。 (4)2009年4月2009年5月:对印章和复制品的表面结构分别进行原子力显微镜进行测量
4、,对实验结果进行分析总结。 (5)2009年5月2009年6月:撰写毕业设计论文、答辩 、主要参考资料:1崔铮,微纳米加工技术及其应用综述,物理,2006,35(1),34-39.2Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits, Electronic19Lee G.-B., Chen S.-H., Huang G.-R., et al. Microfabricated plastic chips by hot embossing methods and their applications for DNA separa
5、tion and detection, Sensors and Actuators B, 2001, 75,142-148.3Chou S. Y., Krauss P. R., Renstrom P. J., Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers ,Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3114-3116.4Miyauchi A., Haginoya C., Andou T., Nanoimprint technology and applications, INTERMAG ASIA 2005: Digests
6、 of the IEEE International Magnetics Conference, Nagoya,2005, 159-1605孙洪文,刘景全,陈迪,顾盼,杨春生,纳米压印技术,电子工艺技术,2004,25(3):9398指导教师: , 年 月 日学生姓名: 王志恒 ,专业年级: 2005电子科学技术 系负责人审核意见(从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核): 系负责人签字: , 年 月 日摘 要当前微电子加工技术已经进入纳米时代,纳米压印技术(nanoimprint lithograhpy, NIL)极有可能成为下一代光
7、刻技术,因为它具有工艺简单直接、成本低、效率高的优点。软刻蚀作为广义纳米压印技术的一种,具有柔性、易加工三维结构、生物相容性等优点,软刻蚀技术是一种集体技术的集体称呼,常用的是PDMS印章。近年来,自然界中的超疏水与自清洁现象引起人们的研究兴趣。超疏水表面可用于汽车车窗、建筑物的玻璃窗以及玻璃外墙起到防污作用。人工制备超疏水结构是近年来的热点研究,很多研究小组用各种方法进行超疏水结构的制备。由于软刻蚀技术的各种优点与加工特点,用软刻蚀技术加工聚二甲基硅氧烷PDMS(Polydimethy siloxane,PDMS)超疏水结构是一种经济新型的方法。本课题的设计,采用多学科的交叉的方法,应用软刻
8、蚀技术将荷叶的超疏水结构进行复制,在PDMS上制备超疏水结构,通过扫描探针显微镜与接触角的测量,验证并分析此方法,总结此方法的优缺点。本文的结构如下:1、介绍加工技术中软刻蚀技术的产生、软刻蚀技术的进展以及软刻蚀技术的方法。介绍超疏水与自清洁现象的原理。通过荷叶对超疏水结构进行深入的研究与分析,总结超疏水结构的特点。提出利用软刻蚀技术制备仿生超疏水结构。2、设计实验方法,利用软刻蚀技术将荷叶的疏水结构复制到PDMS上。3、通过扫描探针显微镜与接触角的测量,对实验结果进行分析总结,验证此方法的可行性,并对此方法进行优化。4、对软刻蚀技术复制仿生疏水结构进行总结与展望。关键字:软刻蚀技术 印章 荷
9、叶 PDMS 超疏水结构 AbstractThe self-cleaning effect of lotus leaves and ultra hydrophobicity have attracted great attention due to potential application in daily life and industrial processes. The artificial super-hydrophobic surface can be used for automobile windows, building windows and walls of glass,
10、 which play an important role in anti-fouling. Current microelectronics processing technology has entered the age of nanotechnology, nanoimprint is very possible to become the next lithography technology, because this process has a lot of advantages such as simple, low cost, and high efficiency. Sof
11、t lithography is one of nanoimprint technology, the advantages of this process is flexible and cable of processing three-dimensional structure. The soft lithography technology, which is commonly used PDMS stamp, is a collective name of several techniques. Through this experiment, our team made casti
12、ng processing technology apply to replicate the structure of ultra hydrophobic of dried locus leaf.This paper introduces the processing technology of microelectronics and nanoimprint technology firstly, then introduces the principle of ultra hydrophobic and self-cleaning. Through research and analys
13、is lotus leaf, the author knows about the structure of the ultra hydrophobic in-depth. This paper sum up the characteristics of ultra hydrophobic structure, and design the replication process method of ultra hydrophobic.Key words: ultra hydrophobicity, stamp, lotus leaves, soft lithography, PDMS目录第一
14、章 文献综述11.1 纳米压印技术11.1.1 纳米压抑技术背景11.1.2 纳米压印技术典型工艺与分类21.2 软刻蚀技术31.2.1 概述31.2.2 软刻蚀关键技术31.2.3 软刻蚀方法41.3 超疏水结构,自然界的疏水结构71.3.1 概述71.3.2 基本原理81.3.3 自然界的疏水结构91.4 荷叶表面的微纳米结构101.5 课题的研究意义和研究内容11第二章 软刻蚀方法复制仿生微纳结构122.1 对制作超疏水结构的方法与分析122.1.1 刻蚀法122.1.2 化学气相沉积132.1.3 机械拉伸132.1.4 溶胶凝胶法132.1.5 软刻蚀法复制仿生微纳结构142.1.6
15、 五种制作超疏水结构方法的比较142.2 实验原料与样品152.3 实验仪器及实验设备162.4 实验步骤182.5 试验步骤的改进202.6 小结22第三章 印章与复制结构结果分析233.1 实验条件对实验结果的影响233.1.1 荷叶的干燥233.1.2 预聚体和固化剂的比例243.1.3 气泡对实验结果的影响253.2 扫描探针显微镜分析263.3 接触角测量273.4 小结29第四章 结论与展望304.1 结论304.2 展望31致谢32参考文献33附录35第一章 文献综述1.1 纳米压印技术1.1.1 纳米压抑技术背景随着微电子技术的发展,集成电路在正向这体积更小、集成度更高的方向发
16、展,一方面遵循着摩尔定律,同时也在超越摩尔定律。由于现在的知识水平,现在也有很多人在怀疑摩尔定律,认为它的生命期还剩下1020年,以后的集成电路工艺技术将会遇到很难突破的瓶颈,影响集成电路的发展。随着微电子技术的迅速发展,IC的集成度越来越高,特征线宽尺寸越来越小。据2008国际半导体技术路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)(图1.1),45nm线宽IC已于2008年问世1。图 1.1 ITRS对IC制造最小特征尺寸历史走向和预测为了使IC集成度越高,要使得工艺的线宽越窄,集成电路在发展中也遇到过很多困境,特
17、别是从100nm线宽发展到40nm线宽,其难度超越了集成电路40多年发展所遇到的难度。而现有的光刻工艺,随着特征尺寸的不断变小,投影光刻几乎达到了物理极限,要研发线宽更小的光刻设备所付出的技术和资金代价也非常昂贵。而1995年由普林斯顿大学提出的纳米压印(nanoimprint lithography,NIL)2被认为是很有发展潜力的技术。NIL有很大的优点:(1)分辨率高;(2)成本低,不需要OPC掩模版;(3)可采用对整个晶圆进行一次性图形转移的技术,能成批量生产。因此纳米压印技术被国际半导体技术蓝图机构规划为下一代32nm节点光刻技术的代表之一。1.1.2 纳米压印技术典型工艺与分类纳米
18、压印技术是事先通过电子束光刻和反应离子束光刻等常规微电子工艺制作出一个具有纳米图形结构的模板或模具,压印时首先在硅表面涂一层聚合物(图1.2a);在压印机上,施以一定的温度,当聚合物具有合适的流动性时,模板与硅片表面聚合物物理接触,并使模板的花纹图案印在聚合物上(图1.2b);然后固化聚合物(图1.2c);最后通过刻蚀工艺,将聚合物上的图形转移到硅表面上,完成纳米压印(图1.2d)。纳米压印主要可分为热压印(hot embossing lithography,HEL)、紫外纳米压印(Ultra-Violet Nanoimprint Lithography,UVNIL)及微接触(Microcon
19、tact Printing,CP)印刷三种工艺。图 1.2 纳米压印技术加工过程示意图1.2 软刻蚀技术1.2.1 概述软刻蚀是上世纪90年代初期,由美国Harvard大学Whitesides教授的研究小组率先研究开发出来的,这类技术所有操作方法的一个共同特征就是使用一个弹性印章来进行图形的复制与转移或采用印章当作掩模,“软刻蚀”(Soft lithography)也应因得名3。软刻蚀技术除了制作母板需要使用比较昂贵的电子束刻蚀,在后续的操作过程诸如浇铸、复制、转移图形等都是非常简便的操作。软刻蚀技术有以下优点:软刻蚀操作过程简单,不需要复杂昂贵的大型设备;弹性印章模塑成型,可重复使用,有效地
20、降低成本;可一次在大面积上制作图形,适宜大面积、成批量生产;由于操作过程中不涉及光的作用,只要最初的模板足够精细,就可以突破投影光刻技术极限;可以方便地平面或曲面表面制作微细结构;既可以制造二维图形,也可以制造三维的微结构;迄今为止,软刻蚀已经发展壮大成一系列的相关操作,现在的软刻蚀特指这些操作的统称,它们具体包括复制模塑,微接触印刷,转移微模塑,近场光蚀刻等多项内容。1.2.2 软刻蚀关键技术表面带有凹凸微结构的弹性体是软刻蚀技术中的核心元件,称之为弹性印章。它是软刻蚀的技术基础,因为在软刻蚀的每一步操作方法中,都需要使用弹性印章来进行图形的复制、转移。软刻蚀所制造的最终结构的好坏都与弹性印
21、章直接关联。现在普遍使用的是以Dow Coming公司生产的牌号为Sylgard184为代表的聚二甲基硅氧烷(Polydimethy siloxane,PDMS)作为弹性印章的材料。首先将室温为流体的PDMS预聚体加入交联剂,均匀混合后浇铸在硬母模板上。用UV光照或热处理数小时,使其交联。将固化的PDMS轻轻剥下,就得到了弹性模板4, PDMS弹性印章加工过程如图1.3。之所以选用PDMS作弹性模板,是因为PDMS具有很低的玻璃化转变温度,在室温下为流体,通过交联,流体很容易转变为具有弹性的固体。其次,PDMS还有其它一些特点,如与非平面的基板形成良好的接触,有很强的化学稳定性和图形稳定性,可
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