基于玻璃湿法刻蚀的微流控器件加工工艺研究

介绍了以玻璃为基体材料的微加工工艺流程,重点研究了玻璃湿法刻蚀工艺,选择多种不同成分的刻蚀剂进行了对比性刻蚀试验,同时研究了刻蚀温度、搅拌方式和清洗间隔时间等多种刻蚀条件对刻蚀效果的影响,研究主要以高刻蚀速率的深度刻蚀以及高表面质量的毛细管道刻蚀两种典型应用为目标。对比与分析了多种试验结果并对其适用范围进行了适当的评价,为基于玻璃材质的微流控器件加工工艺提供了基本选择方案及实际经验曲线。     

混合进化算法的Metropolis蒙特卡罗MEMS单晶硅湿法刻蚀工艺模型

提出—种混合进化算法的Metropolis蒙特卡罗湿法刻蚀新工艺模型和改进的表面原子移除概率函数.依据单晶硅典型晶面的刻蚀速度,新工艺模型能够自动获得基于原子模型的蒙特卡罗法能量参数.改进的表面原子移除概率函数采用四指数的表面原子配置分类法,更加精确地描述刻蚀反应中表面结构的变化过程,增强了蒙特卡罗模型的仿真能力.在多种刻蚀系统,不同浓度和温度条件下的计算结果与试验数据对比表明,任意(h,k,l)晶面的各向异性刻蚀速度曲线能够与试验结果一致.与现有方法相比,新的移除概率函数能够表示刻蚀速度各向异性曲线在Si(100)和Si(110)临近晶面同时出现局部最小点的情形,并且计算精度显著提高.通过对三维微结构刻蚀过程的准确模拟,验证了Metropolis蒙特卡罗工艺模型的有效性.     

闪耀全息光栅离子束刻蚀工艺模拟及实验验证

依据特征曲线法推导了非晶体表面的离子束刻蚀模拟方程,结合全息光栅的刻蚀特点开发出离子束刻蚀模拟程序,并通过实验数据分析并优化了非晶体材料刻蚀速率与离子束入射角的关系方程,最后利用离子束刻蚀实验对所开发的离子束刻蚀模拟程序进行了实验验证.调节掩模与基底材料的刻蚀速率比为2∶1至1∶2,制作了线密度为1 200 1/mm,闪耀角为～8.6°,非闪耀角为34°～98°的4种闪耀光栅,与刻蚀模拟程序的结果进行对比,模拟误差＜5％;控制离子束刻蚀时间为6～14 min,制作了线密度为1 200 1/mm,闪耀角为～8.6°,顶角平台横向尺寸为0～211 nm的6种光栅,与刻蚀模拟程序的模拟结果进行对比,模拟误差＜1％.比较实验及离子束刻蚀模拟结果表明,离子束刻蚀模拟程序获得的模拟刻蚀轮廓曲线与实际刻蚀轮廓曲线的误差＜5％;模拟刻蚀截止点与实际刻蚀截止点误差＜1％.实验表明,提出的模拟方程可以准确地描述不同工艺过程和工艺参数对最终刻蚀结果的影响,进而可预知和控制离子束刻蚀过程.     

等离子体辅助激光织构化预处理增强TiAlN刀具涂层膜基结合强度的机理研究

物理气相沉积(PVD)TiAlN涂层刀具在难加工材料高性能切削中有巨大的应用需求,而涂层膜基结合强度成为制约其高性能切削难加工材料的关键问题。为解决该问题,采用纳秒激光和等离子体刻蚀系统对硬质合金基体表面进行预处理,而后进行TiAlN涂层,最终获得传统涂层刀具(CCT)、激光织构化涂层刀具(LCT)、等离子体刻蚀涂层刀具(CECT)、等离子体辅助激光织构化涂层刀具(LECT)。分析织构化基体晶相结构、比表面积、表面能等材料特性和表面状态,并利用上述制备的涂层刀具进行划痕试验和干切削316奥氏体不锈钢试验。结果表明,通过基体表面等离子体辅助激光织构化预处理,可改善涂层膜基化学键合性能的差异,增加基体表面比表面积和表面能,改善膜基间物理结合和化学键合界面,进而提升TiAlN涂层膜基结合强度。与其他三种涂层刀具进行划痕试验与切削试验对比,进一步验证了LECT的涂层膜基结合强度最好。     

光斑及线重合度对飞秒激光环形刻蚀SiC/SiC复合材料的影响

采用飞秒激光对SiC/SiC复合材料进行环形扫描刻蚀去除试验,分析脉冲能量、光斑重合度及线重合度对加工区域材料残留及环形凹槽外轮廓的影响。结果表明：光斑重合度、线重合度和脉冲能量显著影响光束扫描面积内的能量密度,材料去除量随扫描能量密度的增大而增大。在较小光斑重合度和线重合度条件下,即能量密度较小时,刻蚀槽外轮廓呈现锯齿状,且扫描轨迹间有较多材料残留。随着光斑重合度和线重合度的增大,外轮廓及底面趋于光滑。     

无掩膜流动刻蚀技术研究

为了实现玻璃材料高深宽比微结构的加工,提出了一种基于微尺度下流体分层流动现象的微流道内无掩膜流动刻蚀方法。通过对玻璃基体材料进行大量的工艺实验,明确了流动参数对于刻蚀成型微结构深宽比、侧壁形状、刻蚀速率的影响。证明了可以通过改变刻蚀剂与隔离剂的流动参数实现对成型微结构形貌的控制。实验结果表明约束流动刻蚀工艺可以在玻璃基体材料上加工出形态复杂、大深宽比的微结构,微结构的形貌取决于微流道中流体的流速。本实验的结果对于微尺度下分层流动的特性研究有一定的参考价值,并可为解决各向同性材料的微结构加工难题提供有效的解决方案。     

微热管复合沟槽激光刻蚀工艺正交优化试验

针对传统加工方式的不足,提出使用激光刻蚀微热管复合沟槽的方法。基于正交试验方法优化复合沟槽激光刻蚀工艺参数组合,通过极差分析法绘制了各试验因素与各试验指标之间的关系曲线图,得到各试验因素对刻蚀效果的影响程度,并以此为基础优化激光工艺参数,进行微热管复合沟槽激光刻蚀工艺优化研究。试验结果表明:各试验因素对最大毛细压力的影响大小顺序依次为激光重复频率、平均功率、扫描速度、扫描次数。采用优化后的工艺参数进行试验研究,当激光平均功率为20W,重复频率为40kHz,扫描速度为150mm/s,扫描次数为25次时,微热管复合沟槽为液体工质循环提供的最大毛细压力较优,为157282×σPa。     

离子束刻蚀光学薄膜的速率定标技术

离子束刻蚀技术现在越来越多被应用在可见光乃至红外薄膜中,在这一技术中最为关键的环节就是如何精确地测量离子源对薄膜的刻蚀速率,此速率因不同材料不同工艺条件而变化。现在利用光谱测量与数据拟合的方法,能够快速简便地测定出被刻蚀的材料的物理厚度,从而标定离子束刻蚀的速率。     

光纤激光诱导背面干法刻蚀制备二元衍射光学元件

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值,提高微光学元件的产出率,介绍了一种用固体介质作吸收层,激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先,选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层,应用中心波长为1 064 nm的掺镱光纤激光器,在3.2 mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后,对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后,观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2 μm,槽底均方根粗糙度小于40 nm,光栅常数为25 μm的二维微透射光栅,其刻蚀阈值低于7.66 J/cm²。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅,降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。     

反应离子刻蚀的模型及仿真

介绍了反应离子刻蚀的二维模型,模型包括各项同性刻蚀和各向异性刻蚀两部分.为模拟反应离子刻蚀过程中材料的表面轮廓,采用线算法和元胞算法的混合算法,用C++编写计算机模拟软件.模型中的参数随反应离子刻蚀工艺参数的变化而变化,由实验提取.软件可以模拟任意起始条件下不同材料的刻蚀形貌.给出的模拟结果与实验结果吻合.     

Nanofabrication of arbitrary patterns by nano plastic forming and etching (NPFE)

In this paper, flexibility of nano plastic forming and etching, an ultra-high resolution nanofabrication process developed recently by the authors, in terms of fabrication of arbitrary patterns as well as applicability to various work materials is demonstrated. First, a thin layer of nickel (Ni) is deposited on a silicon (Si) substrate. Then, it is directly patterned by nano plastic forming. Next, the patterned Ni mask is slightly etched by direct current sputter etching to transfer the pattern into the entire mask thickness and expose the surface of the substrate in the individual patterned areas. Afterward, the pattern is transferred onto the substrate by reactive ion etching. Finally, the remained Ni layer is removed from the substrate, and nanostructures fabricated on the surface of the substrate are revealed. Fabrication of grid patterns with various pitch settings on the surface of Si substrates is demonstrated. The experimental results indicate that the depth and width of the nanostructures can be controlled by the etching time. Also, it is confirmed from the results that the depth and width are not influenced by the pitch setting.     

Stencil mask methodology for the parallelized production of microscale mechanical test samples

A new methodology to parallelize the production of micromechanical test samples from bulk materials is reported. This methodology has been developed to produce samples with typical gage dimensions on the order of 20-200 μm, and also to minimize the reliance on conventional focused ion beam fabrication methods. The fabrication technique uses standard microelectronic process methods such as photolithography and deep-reactive ion etching to create high aspect ratio patterned templates-stencil masks-from a silicon wafer. In the present work, the stencil mask pattern consists of a linear row of tensile samples, where one grip of each sample is integrally attached to the bulk substrate. Once fabricated, the stencil mask is placed on top of a pre-thinned substrate, and the pattern and substrate are co-sputtered using a broad ion beam milling system, which ultimately results in the transfer of the mask pattern into the substrate. The methodology is demonstrated using a Si stencil mask and a polycrystalline Ni foil to manufacture an array of metallic micro-tensile samples.     

硅台面结构凸角腐蚀原因探析

本文探讨了硅台面结构凸角腐蚀的原因。指出非理想的直角掩膜结构导致了凸角腐蚀，凸角处侧壁由横向腐蚀速率最快的晶面所构成。     

MEMS硅半球陀螺球面电极成形工艺

由于球面电极是曲面结构,电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致,在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象,故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应,采用刻蚀窗口宽度由60μm渐变至10μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度,在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构,并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整,使其基本相等,通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极,其最大半径可达500μm。     

准分子激光刻蚀技术在微机械中的应用研究

准分子激光刻蚀技术在微机械领域有着十分广泛的应用前景,用该技术制作的聚合物微结构深宽比大、精度高,并且工艺简单。我们分析了准分子激光刻蚀原理,探索了这种技术的工艺方法和技术条件,特别对掩膜的结构和制作工艺进行了较为深入的研究。本文采用简易的实验装置,用自行研制的三种结构掩膜进行了准分子激光刻蚀实验,得到了50μm 深的聚合物材料微机械构件。     

掩模偏转方向对硅尖形状影响的研究

为制备高纵横比的纳米硅尖,研究了掩模的偏转方向对硅尖形状的影响。设计了硅尖制备的工艺流程,采用KOH溶液湿法各向异性腐蚀制备硅尖,将实验和{411}晶面模型相结合,分析了硅尖的成型机理,讨论了掩模偏转方向对硅尖形状的影响,得到制备高纵横比纳米硅尖的工艺参数。实验结果表明：硅尖侧壁是由与(100)面夹角为76.37°的{411}晶面组成;利用正方形掩模的偏转,可以制备出八面体和四面体的硅尖。当正方形掩模边缘沿<110>晶向时,在78℃、浓度40%的KOH溶液中腐蚀的硅尖,经980℃氧化削尖,可以得纵横比大于2的八面体纳米硅尖阵列。     

硅基周期槽结构的刻蚀工艺研究

针对微电子机械系统(MEMS)湿法槽刻蚀技术,基于硅材料各向异性腐蚀特性研究了硅基周期槽的湿法刻蚀工艺,得出了优化的光刻参数。通过对比实验详细分析了搅拌在腐蚀过程中起到的重要作用,实验结果显示,搅拌可以增加腐蚀溶液的流通性,使硅表面不易产生气泡形成"伪掩膜"阻碍反应的进行,从而制备出表面光滑平整的周期槽结构。同时,在搅拌的条件下对槽深和腐蚀时间的关系也做出了相应的分析。为硅微机械加工技术的进一步研究提供了参考。     

HfO2薄膜的离子束刻蚀特性研究

实验研究了HfO₂薄膜特性以及掩模材料AZ1350以Ar为工作气体下的离子束的刻蚀特性.给出了离子能量、离子束流密度和离子束入射角等因素与刻蚀速率的关系曲线,用最小二乘法拟合了上述因素与刻蚀斜率的函数关系方程;分析了光刻胶和基片在刻蚀过程中随刻蚀深度的变化对图形转移精度的影响,用AFM的Tapping模式测量了刻蚀前后HfO₂薄膜表面质量的变化.结果表明刻蚀速率与离子能量的平方根,及速流密度成正比,并随离子束入射角变化而变化;与刻蚀前相比,刻蚀工艺降低了因HfO₂薄膜刻蚀深度的增加引起图形转移精度下降,因此提高刻蚀选择比是获得高分辨率图形的前提.研究结果已应用到了在HfO₂/SiO₂多层膜衍射光栅的制作中.