聚焦离子束三维纳米螺旋加工技术及纳米螺旋机电特性研究

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kimleetj007
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本论文开展了基于聚焦离子束(Focusedionbeam,FIB)的三维纳米螺旋加工技术及纳米螺旋机电特性的研究。由于极小的质量、极高的谐振频率以及独特的螺旋结构,纳米螺旋在电学、电磁学以及机械等方面展示出良好的特性,在纳电磁系统和纳机电系统等领域,例如生物医学监测系统中有着广泛的应用前景。电感一直是集成电路,尤其是模拟电路和射频电路中进行研究与改进的关键无源元件,是电路获得高性能的关键。三维可集成电感的出现,克服了传统平面螺线电感的缺点,其优良的性能和良好的应用前景引发了学者们的强烈兴趣。本文首先对以FIB进行三维加工的技术--FIB应力引入技术(FIBstress-introducingtechnique,FIB-SIT)进行介绍,展示其加工机理和加工方法。该技术适用于比较广泛的材料,具有灵活、可控的三维加工能力,在绝缘体、半导体、金属等多种材料上均能进行三维纳米螺旋加工,且螺旋的螺距、直径、圈数以及手性都能加以精确控制,展现出很好的可重复性。相对于其它三维纳米加工技术,FIB-SIT显示出独特的优势。纳米尺度下的结构往往展示出与宏观结构迥异的特性。为了研究纳米螺旋结构的机械特性,测试了单晶硅纳米螺旋结构与纳米悬臂梁在退火前后的弹性系数。纳米螺旋退火后的横向弯曲弹性系数为16.48N/m,而退火前为40.89N/m。与之对比的纳米悬臂梁退火前后的弹性系数几乎没有变化,退火前后分别为6.25N/m和6.94N/m。同时,在环境扫描显微镜中观测到退火过程中单晶硅螺旋结构长度没有明显变化,表现出较好的稳定性。此外,对螺旋在电子束轰击下的效果进行了研究。最后,本文首次将传统的IC加工工艺与FIB-SIT三维螺旋加工方法结合起来,在金属材料上进行加工,将三维纳米螺旋变成了三维螺线管状纳米电感,采用这种方法加工出的纳米电感的面积约是传统平面螺线电感的百分之一,但却表现出很高的电感值。电感实体由FIB-SFT加工的三维纳米螺旋构成,空芯结构,电感悬浮于衬底之上,电磁场方向平行于衬底。面积不足10×2μm2的两圈纳米电感所具备的电感值大于20nH,100MHz下品质因数为1.4,在GHz下可能达到几十。
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