基于硅各向同性腐蚀工艺的三维曲面壳体微谐振器制备技术

轴对称3D曲面壳体谐振器具有自身对称性好、耐冲击能力强、可靠性高的特点,是应用最为广泛的谐振器之一,但因制备工艺涉及薄壳结构的曲面成形过程,属于MEMS 3D工艺,很难进行批量化制备。基于硅各向同性湿法技术对多晶硅3D曲面壳体谐振器的批量化制备工艺进行了实验研究。设计了脱模法制备多晶硅3D曲面壳体结构的工艺流程,实验优选体积比为15∶10∶75的醋酸、氢氟酸、硝酸的混合液各向同性腐蚀制备硅半球腔模具,利用自制的水浴设备和水平度可调夹具,对刻蚀液温度和扩散速度进行了有效控制,减弱了反应放热和硅基片放置不水平对硅半球腔圆度与粗糙度的影响。制备了直径为0.8～1.3mm的多晶硅3D曲面壳体结构,测试对称性最好优于0.4%,多晶硅3D曲面壳体结构的表面粗糙度优于1nm。在0.2Pa的压强下,激光多普勒测试得到曲面壳体谐振器的谐振频率为28kHz,Q值为14 365,调节驱动电压和偏置电压可实现谐振器四波腹谐振模态的模式匹配,基频差趋于零。     

微注射成形制品质量影响因素分析

在不同工艺条件下进行聚合物和粉末微注射成形试验,制得微米级的聚丙烯和二氧化锆陶瓷微结构,微型腔采用感应耦合等离子深槽刻蚀技术在硅模具镶块上加工。分析微注射成形工艺及硅模具对微结构的填充、尺寸精度及表面质量的影响。不合理的工艺参数容易导致微结构出现填充不足、表面粗糙、气孔等缺陷,提高模具温度和注射压力以及注射前模具抽真空有利于微型腔的填充,模具抽真空还可以改善微结构件的表面质量。深槽刻蚀后的硅模具表面粗糙度为0.31 μm,填充完好的聚丙烯微结构及陶瓷微结构素坯表面粗糙度不再受注射工艺参数的影响,其值近似于刻蚀后的硅模具,亚微米级粉末的使用可以明显改善烧结后陶瓷微结构的表面粗糙度。     

复合湿法腐蚀工艺制备硅基三维曲面

提出了将各向异性湿法腐蚀与各向同性湿法腐蚀相结合的复合工艺,通过控制刻蚀工艺参数进行体硅加工,成功刻蚀了硅基材料三维曲面回转体结构.在各向同性腐蚀过程中,由各向异性刻蚀得到的多面体结构的表面垂直腐蚀速率与刻蚀液浓度呈指数关系,而搅拌使得多面体结构表面峰值与谷底的刻蚀液存在流速差,基于此原理可得到光滑的三维曲面.刻蚀过程中,通过各向异性湿法腐蚀控制结构深度,通过各向同性湿法腐蚀"抛光"结构曲面.最后,采用实验优化湿法腐蚀过程的工艺参数,基于直径为600～1 000 μm的圆形掩模板,在硅材料表面制备得到了高度为100～200μm的三维曲面回转结构.提出的工艺简单、有效且便于操作,有望用于制作不同曲面形状的三维硅结构及聚合物光学器件模具.     

Mg掺杂对ZnO基体声波谐振器性能的影响

文中利用Mg掺杂ZnO压电膜制备了薄膜体声波谐振器,在较低浓度Mg掺杂时,器件机电耦合系数有微弱增大;当掺杂浓度过高时,机电耦合系数呈下降趋势。当掺杂Mg元素质量分数为2.23%时,器件在20～100℃内的温度频率系数为-26.0 ppm/℃,比之前纯ZnO基薄膜体声波谐振器的温度频率系数值-69.5 ppm/℃下降了很多。     

湿法化学刻蚀技术处理抛光熔石英元件

为了提高熔石英元件的抗激光损伤能力,采用基于氢氟酸刻蚀的湿法化学技术去除元件内的激光损伤诱因。利用不同的氢氟酸溶液处理经氧化铈抛光的熔石英元件,并对元件的刻蚀速率、表面洁净度、粗糙度、透过率和激光损伤性能进行评价。研究结果表明,与传统的静态刻蚀相比,在质量分数为6%的氢氟酸刻蚀溶液中引入能量密度约为0.6 W/cm^2的兆声能量对元件的溶解速率和激光损伤性能没有明显的提升作用;化学刻蚀产生的沉积物对元件表面粗糙度和透过率均有不利影响,且沉积物比例与所用的刻蚀液成分和浓度密切相关;经质量分数6%或12%的纯氢氟酸溶液刻蚀(5±1)μm深度后,熔石英元件的激光损伤阈值相比于未刻蚀元件提升了约1.9倍;熔石英元件的激光损伤性能与表面粗糙度和透过率之间不是简单的线性关系,但激光损伤阈值较理想的元件(>20 J/cm^2@3ns)往往具有较光滑的表面,即表面粗糙度<2 nm,由此可以确定有利于熔石英元件激光损伤性能的刻蚀条件,并获得元件表面粗糙度的控制指标。     

基于感应耦合等离子刻蚀技术的三维微拉伸梁制作工艺

根据感应耦合等离子(Inductively coupled plasma,ICP)刻蚀的机理,针对热氧化硅薄膜微拉伸梁的结构特点,研究ICP刻蚀制作3D微拉伸梁结构的工艺并解决其中的难点问题。介绍ICP刻蚀工艺参数对刻蚀质量的影响,包括存在的微负载效应和深宽比效应。详细介绍热氧化硅薄膜微拉伸梁的制作,其关键步骤是双掩膜两次ICP刻蚀形成阶梯状窗口结构,并在硅衬底表面形成释放了的热氧化硅薄膜梁。利用ICP刻蚀对单晶硅的高选择性,此制作工艺适用于各种薄膜的微拉伸梁制作。     

单晶硅各向异性湿法刻蚀的形貌控制

针对摆式微加速度计的制作,对利用两种添加剂共同修饰的TMAH刻蚀液的单晶硅湿法刻蚀技术及其相关刻蚀特性进行了研究。分析了两种添加剂之间的作用机理及对单晶硅湿法刻蚀的影响,选择合适的添加剂刻蚀液配比,实现了稳定的刻蚀形貌控制。通过两种添加剂的共同作用,获得了具有光滑刻蚀表面(粗糙度约为1nm)和良好凸角保护(凸角侧蚀比率小于0.8)的刻蚀形貌。实验结果表明,在三重溶液(TMAH+Triton-X-100+IPA)下的刻蚀形貌具有明显优势。最后,基于添加剂对疏水性单晶硅材料的作用机理及表面张力调节,表面活性剂和酒精类添加剂之间的相互作用分析了刻蚀形貌发生变化的原因。以典型悬臂梁-质量块的制作为例,验证了采用该单晶硅刻蚀形貌控制方法可以获得微加速度计光滑的悬臂梁表面和无需凸角补偿的完整质量块。相比于其它制作工艺,该方法简单、易操作,有利于提高微机电器件的性能。     

各向异性湿法刻蚀中刻蚀温度对硅尖形貌的影响

纳米硅尖在原子力学显微镜、微机械电子、光学研究、纳米级图形加工上具有广泛的用途。然而,如何制备小曲率半径高纵横比的硅尖仍为有待解决的问题和挑战。根据各项异性湿法刻蚀硅尖原理,设计了硅尖的加工工艺流程,并制备出不同纵横比的纳米硅尖。通过观察掩模对角线刻蚀进程,得到了掩模对角线刻蚀速率与刻蚀温度的关系;对比了不同刻蚀温度对刻蚀硅尖的影响,发现采用40wt%KOH刻蚀液,水浴78℃的刻蚀条件满足自锐化且刻蚀出纳米硅尖曲率半径小而纵横比大,其曲率半径为26 nm,纵横比为1.9。     

聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光

为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量,提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法,对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体的低表面张力及流动特性,通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补;结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺,将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面,从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明:PV、RMS分别为1.347μm和340nm的粗糙表面,通过二次抛光其粗糙度可降低至75nm和13nm;PV、RMS分别为61nm和8nm的表面,其粗糙度可降低至9nm和1nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度,可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。     

SiC薄膜制备MEMS结构

采用PECVD方法制备了无定形SiC薄膜,在此基础上,以SiC为结构层,利用传统的表面硅牺牲层工艺制作了电容式谐振器以及薄膜残余应力的在片检测结构。对SiC的MEMS结构进一步进行了长时间的腐蚀,以获得SiC材料的腐蚀特性。对SiC材料的力学特性进行了研究。深入探讨了退火工艺、薄膜硅碳原子比对SiC薄膜力学特性的影响,同时对薄膜硅碳原子比与制备工艺参数(包括硅烷、甲烷流量)之间的关系进行了实验研究。     

梳齿型深硅刻蚀工艺研究

为实现Faims气体传感器梳齿型离子迁移区的设计,文中采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术进行大深宽比梳齿型结构的深硅刻蚀。影响刻蚀的工艺参数主要包括RF功率、腔室压力、气体流量等,通过调节刻蚀气体SF6流量、腔室压力等参数进行试验,分析工艺参数对刻蚀速率、表面形貌和侧壁垂直度的影响,选出最优工艺参数。根据选出的最优工艺参数,刻蚀出了侧壁光滑、垂直度为90°的梳齿型迁移区。     

超声技术在硅湿法腐蚀中的应用

为了获得平滑的硅湿法腐蚀表面,在硅湿法腐蚀中引入超声技术.对超声湿法腐蚀系统进行了改进,以确保腐蚀溶液的顶部和底部温差在0.5 ℃之内.采用60 ℃,10 %质量分数的KOH溶液,在超声频率为59 kHz,超声功率为60～180 W(间隔10 W)条件下对(100)硅片进行湿法腐蚀.最后,运用激光共聚焦扫描显微镜(LSCM)对腐蚀后硅片表面粗糙度进行测量,并探讨超声参数的选择对腐蚀表面质量的影响.实验结果表明:超声功率在120 W时,可以获得平滑的腐蚀表面,表面粗糙度Rq值为0.020 μm.在湿法腐蚀系统中采用超声技术,可以明显改善腐蚀表面质量,在较低温度和较低浓度的KOH溶液中,选择合适的超声参数可获得高品质的腐蚀表面.     

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。     

基于MEMS技术的微波(RF)滤波器的设计

微波MEMS(RF-MEMS)滤波器是一种基于硅微加工技术的新型器件.由于RF-MEMS器件具有体积小、承受功率大、性能优良、成本低以及易于与后续的电路集成等突出优点,因此,由薄膜体声波谐振器(FBAR)构成的RF-MEMS滤波器在微波通讯系统的射频前端将取代传统的声表面波(SAW)滤波器.从以MEMS技术制作的薄膜体声波谐振器(FBAR)为基本单元构成梯子式(Ladder type)射频滤波器的原理出发,对滤波器的性能和设计进行分析,并对实际滤波器中的问题进行了较详细的探讨.     

硅基MEMS技术

结合MEMS技术的发展历史,概括了当今硅基MEMS加工技术的发展方向。指出表面牺牲层技术和体硅加工技术是硅基MEMS加工技术的两条发展主线;表面牺牲层技术向多层、集成化方向发展;体硅工艺主要表现为键合与深刻蚀技术的组合,追求大质量块和低应力以及三维加工。SOI技术是新一代的体硅工艺方向;标准化加工是MEMS研究的重要手段。     

动力学蒙特卡罗法体硅湿法刻蚀工艺仿真的研究与开发

对比分析了BKL、二叉树搜索以及树状结构搜索算法（KLS）3种动力学蒙特卡罗法的实现过程,讨论了它们在MEMS各向异性湿法刻蚀工艺仿真计算中的应用,阐述了应用特点。使用树状结构搜索算法实现了加工仿真程序,以（111）晶面的原子移除过程为例,解释了蒙特卡罗法在刻蚀中的计算特点。开发的系统模拟了（311）晶面在KOH刻蚀中表面形貌的演化过程,刻蚀面能够很好地再现出表面的微观特征。基于KLS的方法能对湿法硅微结构工艺进行仿真计算,不同刻蚀阶段的微结构能与实验结果相一致,较为合理准确。     

动力学蒙特卡罗法体硅湿法刻蚀工艺仿真的研究与开发

对比分析了BKL、二叉树搜索以及树状结构搜索算法(KLS) 3种动力学蒙特卡罗法的实现过程,讨论了它们在MEMS各向异性湿法刻蚀工艺仿真计算中的应用,阐述了应用特点.使用树状结构搜索算法实现了加工仿真程序,以(111)晶面的原子移除过程为例,解释了蒙特卡罗法在刻蚀中的计算特点.开发的系统模拟了(311)晶面在KOH刻蚀中表面形貌的演化过程,刻蚀面能够很好地再现出表面的微观特征.基于KLS的方法能对湿法硅微结构工艺进行仿真计算,不同刻蚀阶段的微结构能与实验结果相一致,较为合理准确.     

7050-T7451铝合金化铣加工速率影响因素研究

化铣是一种通过化学腐蚀方法进行金属加工的工件成形加工方法,控制化铣速率精度是化铣工艺的关键。本文根据铝合金化铣的反应机理,通过配置不同配比的铝合金化铣液,研究了影响化铣加工速率的主要因素,获得控制铝合金化铣的工艺参数。研究结果表明:化铣速率取决于Na OH质量浓度和温度,随着Na OH质量浓度和温度的升高,化铣速率增加;当化铣时间达到30min后,化铣速率基本达到平衡。     

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。     

聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法

为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量,提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法,对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体低表面张力及流动特性,通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补;结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺,将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面,从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明：PV、RMS分别为1.347μm和340nm的粗糙表面通过二次抛光可降低至75nm和13nm,PV、RMS分别为61nm和8nm的表面粗糙度可降低至9nm和1nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度,可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。