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。     

应用双埋层SOI工艺制备低g值微惯性开关

采用双埋层SOI( Silicon-On- Insulator)材料,结合KOH腐蚀工艺、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、阳极键合以及喷雾式涂胶工艺,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关.利用二氧化硅KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点,平面矩形螺旋梁厚度的精度为±0.46 μm.分析了双埋层SO1材料的电学特性,采用等电位技术,实现了双埋层SOI与上下两层硼硅玻璃的阳极键合.采用玻璃无掩模湿法腐蚀技术,在玻璃封盖底部设计制作了大小为200 μm×200μm的防粘连凸台,解决了芯片在清洗干燥过程中的粘连问题.采用ICP刻蚀用硅衬片方法,解决了ICP刻蚀工艺中高温导致的金硅共晶合金问题.实验验证显示,提出的方法效果较好,芯片成品率得到较大提高,为大批量地研制低g值微惯性开关提供了可靠的工艺基础.     

飞秒激光直写加工柱面微透镜阵列的方法研究

正柱面微透镜阵列在叠阵半导体激光器快慢轴准直、裸眼3D成像、平行加工等领域有着广泛应用。针对半导体激光器领域:随着输出功率增大,尺度缩小;用于准直的透镜单元宽度由目前500μm朝100μm内缩减,长度维持mm量级,基材朝石英玻璃等高强度材料发展。目前适用于单元宽度100μm以内透镜阵列制造的方法均受限于聚合物材料,且受占空比小、效率低等缺陷影响,均难以满足工业发展需求。飞秒激光以其超快、超强的独特优势,可对所有材料实现冷加工,且加工尺     

硅基深宽比结构与SiO_2薄膜的干法刻蚀方法研究

文中研究了贯穿刻蚀硅基直壁沟槽及沟槽底部SiO_2薄膜过刻蚀的深反应离子刻蚀(DRIE)工艺过程。首先,研究了DRIE刻蚀钝化时间比(T_(SF6)∶T_(C4F8))对硅刻蚀形貌的影响。通过工艺参数优化,采用刻蚀钝化时间比分别为9 s/2 s、11 s/2 s(C_4F_8)下电极射频功率为40 W)和11 s/2 s(C_4F_8下电极射频功率为0 W)的三步刻蚀工艺,贯穿刻蚀了宽度为150μm,深度为300μm的直壁沟槽。其次,研究了C_4F_8(八氟环丁烷)钝化气体对SiO_2薄膜过刻蚀的现象,采用降低C4F8下电极射频功率方法,减小了C4F8对SiO_2薄膜过刻蚀。     

MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺

开发了一种适于MOEMS器件的基于硅微加工技术的简易的硅微透镜阵列制造工艺。通过光刻胶热熔法与ICPRIE(感应耦合等离子反应离子刻蚀)相结合的方式,实现在硅晶圆上批量生产微透镜阵列。通过多层涂胶的方式以及以2.5℃/min的速率从115℃升温至130℃的热熔工艺,获得口径为2.41 mm、矢高99.9μm的光刻胶微透镜阵列。通过控制ICPRIE的胶与硅的刻蚀选择比达到约1∶1,将光刻胶曲率准确地转移到硅晶圆上。     

单天体光纤耦合器的研制

本文叙述了用于耦合紫金山天文台60cm反射望远镜卡焦点及位于观测层下面试验室内的棱镜摄谱仪的天文光纤耦合器。单根熔石英光纤的长度为25m,芯径50μm,数值孔径0.2,多模梯度折射率型。在光纤的两端采用了直径1mm 的GRIN 棒透镜作变焦透镜。用这种耦合器进行了观测试验,首次拍下了aLy~r 星的光谱。     

微孔气流加压对ITO玻璃激光刻蚀平面度的影响

针对ITO玻璃表面线路激光刻蚀中因定位问题玻璃工件产生的微变形,采用微孔陶瓷对工件进行微气流阵列加压,确保高精度的激光刻蚀加工。分析不同加工工艺下的微气流压力分布,探究气流压力和刻蚀间隙对ITO玻璃刻蚀表面平面度的作用机制。结果表明：经微孔气流加压后,工件在气体流动的区域受到正压力,加工区域的压力分布较为均匀。由此可知,工件表面受到均布气压有利于刻蚀表面的定位,但过大的压力会导致工件微变形。实验结果显示：在合适的压力下,微孔气流加压可使得平面度低至8μm,当压力在0.16～0.2 kPa,刻蚀间隙在1.8～1.9 mm时,工件表面压力为13.2～14.4 Pa,此时平面度最好,微米尺度的刻蚀线路清晰,不产生破损。最后,对微孔气流加压的ITO玻璃进行激光刻蚀加工,可得到8μm以及25μm的表面微细线路,解决了通常无微孔气流加压的刻蚀工艺导致局部断点或变形线路引起产品短路或开路等问题。     

一种高效率低成本制作微透镜阵列的方法

通常采用的多次掩模光刻和离子束刻蚀制作微透镜阵列的方法不但制作效率低,而且易产生较大的制作误差。提出了一种在硅基底聚合物薄膜上热压制作微透镜阵列的工艺方法,并利用自制的热压印设备进行了热压制作衍射微透镜阵列的试验,讨论了影响压印精度的温度和压力等工艺参数,对压印的衍射微透镜阵列进行了轮廓测试和部分光学性能测试。测试结果表明,压印制作微透镜阵列的复形误差小于10%,衍射效率高于90%,为高效率低成本制作微透镜阵列提供了一种新的方法。     

绝对式光栅尺母尺刻划曝光系统

提出了基于数字微镜器件(DMD)的双曝光头总体结构,该结构可同时刻划母尺的周期和非周期两个光栅码道。单曝光头包含曝光光源、调焦光源、DMD和投影镜头四部分,曝光光源由激光器、准直镜组、二维微透镜阵列和场镜组成。本文利用光学软件TracePro设计该光源,实现了能量的平顶分布,在14mm×10mm的照明面上均匀性达到95%以上。利用光学软件Zemax设计了工作在双波段(曝光光源0.403～0.407μm和调焦光源0.525～0.535μm)的共焦投影镜头,采用了二向色镜和分光棱镜使其能在曝光的同时进行实时调焦,优化后的系统在曝光波段和调焦波段均达到衍射极限,最大畸变为0.009%。与传统的光栅尺刻划技术对比,设计的曝光系统具有工艺简单、制作速度快、精度高等优势,可用于长、超长计量光栅的制作。     

各向异性湿法刻蚀z切石英后结构侧壁形貌的预测

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律.首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图.然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻蚀速率矢量图,得到各速率矢量的晶面线,晶面线所围成的最小轮廓即是石英微结构的刻蚀形貌.最后,利用该方法预测了x向和y向石英梁的侧壁形貌.在70℃的氢氟酸和氟化铵混合溶液内刻蚀5h,制作了厚度均为500μm的x向和y向两种石英微梁.结果显示,y向梁的-x向侧壁有一均匀整齐的晶棱,棱高210 μm,而+z向侧壁平滑.x向梁的侧壁均有晶棱,+y向晶棱较大,棱高为450 μm,-y向晶棱棱高为240 μm.所制作梁的侧壁形貌与预测结论基本吻合,验证了预测方法的正确性.基于该方法可在石英微结构的设计阶段,通过引入工艺因素对微结构进行优化.     

用于蓝宝石光盘的数字化数据存储

为了解决长时数据存储的难题,开展了以数字格式在蓝宝石光盘表面写入数据的研究工作。根据艾林方程,分析了利用常用无机材料进行数据存储的数据失效时间。描述了在蓝宝石材料为基底的光盘上以数字格式记录数据的基本工艺流程,重点介绍了用于蓝宝石光盘的离子束刻蚀系统。实验结果显示,蓝宝石光盘表面刻蚀的信息坑宽度为0.6μm,深度为0.2μm,磁道节距为1.6μm,符合ISO/IEC 10149:1995规定的CD-ROM格式数据存储要求,表明采用本文提出的方法实现蓝宝石光盘的数字化数据存储是可行的。此外,这种基本工艺流程不仅适用于蓝宝石光盘,同样适用于其它以高度稳定的材料(如石英玻璃)作为基底的光盘。     

胶层厚度对三点支撑反射镜面形的影响

以45nm浸没式光刻物镜中采用的三点支撑反射镜为研究对象,建立了胶层连接的三点边缘支撑结构模型,用以确定胶层厚度对三点支撑反射镜面形变化的影响。分析了重力作用下三点支撑反射镜的面形变化情况,通过解析表达式描述了胶层厚度对反射镜受力变形的影响。建立了"支撑块-胶层-反射镜"的有限元计算模型,针对不同胶层厚度对反射镜的面形变化进行了仿真分析。仿真结果表明:随着胶层厚度的增大,反射镜的面形变化(均方根值RMS)呈现先减小后增大的趋势;当胶层厚度为280μm时,反射镜面形变化的RMS值最小,约为1.25nm。最后,通过实验测量了柔性双脚架三点边缘支撑导致的反射镜面形变化。结果显示:当胶层厚度为200,280,400μm时,反射镜面形的变化结果均与仿真结果一致,验证了本文仿真结果的正确性。     

激光冲击软模大面积微弯曲成形方法

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。 该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器,将250 μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模,采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120 μm的U型多槽模具,实现了在厚度为30 μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测,结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限元建模（FEM）方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明,加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近,成形工件更加均匀,而且具有较好的表面质量,其最大平均成形深度可达110 μm,大于激光直接冲击成形的最大深度（88 μm）,说明使用软模提高了充型能力。     

基于3-CCD显微视觉的高精度靶位姿控制

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略,通过对送靶机构的主动运动控制,实现了图像雅可比矩阵的在线自标定;利用增量式PI控制方法对送靶机构进行控制,实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中,基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07μm,姿态调整误差为0.02μrad;而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16μm,姿态调整误差为0.07μrad。实验结果表明:基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性,靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。     

激光聚变冲击波被动式测速光学系统设计

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求,设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃,实现了透射式300～800nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头,中间为平行光,镜头间距可变,光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器,轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质,轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置,激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4,宽谱工作物方分辨率优于10μm,532nm单波长工作物方分辨优于5μm。该光学系统光路排布灵活,可单独被动测速,也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统,满足激光聚变装置冲击波测速的需求。     

〈111〉晶向标定方法及其在湿法刻蚀硅光栅中的应用

在利用单晶硅的各向异性腐蚀制作光栅的过程中,掩模与硅晶向的精密对准是获取大尺寸光栅结构的前提条件,高对准精度将显著降低光栅槽型侧壁粗糙度。设计并制作了一种扇形图案,通过以该图案为掩模的预刻蚀,可快速准确发现硅基底内晶格取向。通过此方法进行晶向标定,并利用紫外光刻与湿法刻蚀,成功研制了尺寸为15mm×15mm、高度为48.3μm、周期为5μm、高宽比为20的矩形光栅结构,线条侧壁粗糙度RMS值为0.404nm;利用全息光刻与湿法刻蚀成功研制了大高宽比深槽矩形光栅及三角形槽光栅。矩形槽光栅尺寸为50mm×60mm,高度为4.8μm,周期为333nm,高宽比为100,侧壁粗糙度RMS值为0.267nm。三角形槽光栅周期为2.5μm,侧壁粗糙度RMS值为0.406nm。     

高回转精度多阶柱状微电极电化学高效制备试验研究

为实现高回转精度多阶柱状微电极的高效加工,对多阶柱状电极电化学刻蚀过程进行了深入的研究与改进。首先,根据电化学刻蚀理论推导了加工电流对电极直径变化的影响规律;通过试验证明了电极旋转可提高电流变化速率及有效起始电流进而提高加工效率,定性分析了电极旋转对电极回转精度的影响,提出了分阶变转速高效加工高回转精度多阶柱状微电极的方法;通过试验分析了各加工参数(电极转速、加工电压和切断电流)对电极形状及尺寸的影响;最后,在优化后的加工参数下,成功加工得到末端直径小于15μm且同轴度误差在1μm以内的多阶柱状微电极,与常规电化学刻蚀工艺相比,显著提高了加工效率。试验证明旋转电化学刻蚀是一种能够较好地提高微电极加工效率及回转精度的新工艺。     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。     

应用于早期火灾探测的CO传感器

为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离,从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明,系统的检测限(LoD)为1.18μL/L;当积分时间达到205s时,系统能够实现0.08μL/L的测量精度。最后,纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明,所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。