石墨的微加工工艺


21 世纪以来  ,随着微纳米加工技术的不断成熟  ,以硅为主要基础材料的微机电系统( MEMS) 得到了快速的发展  ,并且在航空、航天、生物、医疗等领 域都有了一定的应用 。同时  ,为了满足不同应用的特殊需求  ,研究人员也在尝试各种新的材料作 为 MEMS 基础材料 。例如  ,为了制备柔性可穿戴设备  ,有研究人员以聚二甲基硅氧烷( PDMS) 等柔性材料作为基础材料制备可穿戴 MEMS[4 - 6] 。再如  , 为了满足在 MEMS  在恶劣j9九游会平台下工作的需求  ,约翰•    霍普金斯大学的 Kevin  J. Hemker 团队研发了一种抗拉强度、耐高温性能都比硅强的镍钼钨合金薄膜  ,基于该合金材料的 MEMS 有望在高温、高压等恶劣条件下工作[7] 。因此  ,随着 MEMS 应用范围和领域的不断扩展  ,研究和寻找适用于各种不同应用领域的 MEMS 基础材料正日益受到重视[8  - 9] 。
石墨是一种结晶形碳  ,它的结晶格架为六边形层状结构  ,每一层都是单原子厚度的石墨烯  ,其不仅 有类似于硅的导电  ,导热  ,耐高温  ,抗辐射等特性  ,而 且具有润滑性和化学稳定性[10     -  13] 。早前  ,Dien-wiebel 等[14]在真空j9九游会平台下研究了纳米级石墨接触面的摩擦问题  ,发现石墨层间摩擦力极低  ,具有明显 超润滑特性 。后来  ,郑泉水等[15 - 17]发现大气j9九游会平台下微米级石墨层间也具有超低摩擦即超滑特性 。此外  ,石墨具有良好的化学稳定性  ,常温下能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀[18 - 19]  ,因此  ,石墨也有望成为 MEMS 基础材料的一种选择 。目前  ,微加工技术是制备 MEMS 的重要方法  ,如能利用常用的微加工技术对石墨进行微加工工艺研究  ,并分析在石墨基 上大批量、稳定、可控地制备各种掩模图案和石墨微 结构的可行性  ,一定程度上可以推动石墨成为MEMS 基础材料 。故本文利用常用的微纳米加工技术对石墨进行微加工工艺研究  ,并在石墨和石墨表 面大批量、稳定、可控地加工出各种光刻胶掩模图案 和石墨微结构 。

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本文研究薄膜沉积  ,光刻  ,刻蚀等常用的微纳米加工工艺对石墨进行微加工  ,并通过微纳米加工工艺在石墨上大批量、稳定、可控地制备出各种掩模图 案和石墨微结构 。首先  ,设计薄膜沉积  ,光刻和刻蚀 的工艺  ,同时设计并制作了含有不同形状  ,不同大小掩模图案的掩模版 。之后  ,摸索微加工的工艺参数  , 并在高定向热解石墨表面完成了薄膜沉积  ,光刻  ,刻蚀等微加工 。最后  ,对加工后的石墨进行表征 。结果表明  ,利用薄膜沉积技术在石墨表面沉积的薄膜可以满足后续光刻  ,刻蚀等工艺的要求 。同时  ,通过光刻技术可以根据设计的掩模板图案在石墨表面大批量、稳定、可控地加工出不同形状  ,不同尺寸的光刻胶掩模图案  ,并且具有较好的掩模图案成像的效果 。此外  ,利用刻蚀技术可在石墨表面加工出形状较规则  ,排列整齐且垂直度较高的微结构 。故石墨满足目前常用的微纳米加工技术  ,故一定程度上可以推动石墨成为 MEMS 基础材料  ,从而对石墨的应用具有重要意义 。

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