利用FFM机制进行的极微细机械加工

引言

随着超精密加工技术的发展，在机械加工中也需要纳米级的加工控制技术，从这个观点出发，近年来，利用扫描型探针显微镜(SPM)的极微细加工技术被广泛研究1）～5）。为了确立纳米级的机械加工技术， 考虑到化学效果，理解加工现象是重要的研究课题。

实验

图1是利用FFM机制进行的极微细机械加工（以下称FFM加工）的概略图。

图1实验装置的原理示意图

图2是实验方法的概略图。首先，使用安装了加工用悬臂梁的FFM机构，对单晶硅的抛光面（（100）面，Ra5nm）进行正方形领域的凹痕形成加工，其次，用KOH水溶液对该试料进行蚀刻处理。为了提高蚀刻处理后的试料表面的粗糙度，将异丙醇(IPA)作为添加剂混合在蚀刻液中使用。加工条件如表1和表2所示。经过一定时间后，充分进行流水冲洗，使表面干燥后，用观察用悬臂梁对加工部的变化进行AFM观察。

图2实验方法的示意图
 

以垂直负荷789μN，加工速度120μm%s进行机械加工的试料表面的AFM观察像。形成了深度约34nm的凹痕。图1是用15wt%KOH水溶液进行20分钟蚀刻处理的加工部的AFM观察像。加工部表面显示出很强的掩膜作用，其周围被选择性地蚀刻。其结果，残留形成了高度约259nm的角柱构造物。

图3是使用10wt%KOH水溶液时，角柱构造物残留高度与蚀刻处理时间的关系。随着蚀刻处理时间的增加，残留高度增大。这表明在加工部生成了对KOH水溶液具有足够耐腐

蚀性的加工变质层。

图3剩余高度取决于蚀刻时间

一般情况下，单晶硅的表面被数nm左右厚的自然氧化膜覆盖，为了避免对细微的除去加工的影响，将预处理过的试料用于实验。

预处理顺序为:（1）用自来水流水冲洗20分钟，（2）用纯水超声波冲洗3分钟，（3）用丙酮超声波冲洗5分钟，（4）用46%氢氟酸自然氧化膜除去处理1分钟，（5）用纯水超声波冲洗3分钟。首先，使用安装了加工用悬臂梁的FFM机构，对单晶硅的抛光面（（100）面，Ra5nm）进行正方形领域的凹痕形成加工，其次，用KOH水溶液对该试料进行蚀刻处理。为了提高蚀刻处理后的试料表面的粗糙度，将异丙醇(IPA)作为添加剂混合在蚀刻液中使用。加工条件如表1和表2所示。经过一定时间后，充分进行流水冲洗，使表面干燥后，用观察用悬臂梁对加工部的变化进行AFM观察。

通过进行凹陷加工，在凹陷底面生成受到加工影响的加工变质层（图1）（cd.使用浓度20wt%以下的KOH水溶液的情况下，在蚀刻率大的未加工部分蚀刻迅速进行，加工部分的加工变质层显示出很强的掩蔽作用。加工部分残留形成角柱构造物。另一方面，浓度20wt%以上时，由于KOH水溶液的作用，加工部分的蚀刻作用被促进，加工部分变成比加工后的加工痕迹更深的凹陷形状。

讨论和总结

1.通过FFM结构对单晶硅（100）进行极微细加工后，发现用KOH水溶液进行蚀刻时，对加工部产生了很强的掩蔽作用。明确了加工部残留为棱柱状。

2.在本实验条件的范围内，不受垂直负荷和加工速度的影响，在加工部生成了对KOH水溶液具有充分耐蚀性的加工变质层。另外，还显示了根据KOH蚀刻液的浓度，在加工部产生掩蔽作用的情况和产生蚀刻促进作用的情况。

3.使用提案的微细加工原理，显示了形成微细结构的可能性。在本报告中，没有讨论蚀刻试料表面的形状精度。今后，为了形成更实用的微细结构，在把握加工部表面层的实际状态的同时，寻找最佳的蚀刻条件，展开无掩模的直接图形形成技术。

审核编辑：汤梓红