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微镜是典型的微光机电系统器件之一,在显示器、医疗检查、光纤通信、空间光通信、航空航天、地理勘测等领域具有广阔的应用前景。本论文从满足微型多目标光谱仪对目标选择装置的需求及完善本所MEMS制作工艺体系、降低表面工艺制作成本等要求出发,展开了以静电驱动式金属微镜阵列制作为演示器件,以光刻胶牺牲层和微电镀工艺技术为主体的表面制作工艺技术的研究,论文主要的研究工作分为以下几个方面:
1.静电驱动微镜的结构设计论文在分析微镜的结构及工作原理的基础上,通过理论分析微镜吸合电压与微镜结构参数之间的关系,结合工艺的可行性,设计了微镜结构参数。
2.微电镀镀层的均匀性研究在微电镀工艺中,镀层厚度的均匀性是一个重要指标,它直接影响到所制作的微器件的性能。本研究工作首先针对低活性区域电镀时出现的烧焦现象进行了分析,提出了适用于MEMS工艺的解决方案,在此基础上展开了电镀参数对镀层均匀性影响的研究,在给定的电镀液组分下,讨论了影响微结构镀层厚度均匀性的主要因素。分析了镀层横截面轮廓随电流密度的改变而变化的原因。电镀液中无添加剂时,提出镀层均匀性与阴极极化度及电镀边缘效应直接相关;电镀液中有添加剂时,本实验所使用添加剂所具有的并存吸附状态是影响镀层均匀性的主要因素。并通过实验得到可获得良好均匀性镀层的电镀参数。
3.双层/叠层光刻胶工艺的研究探讨叠层光刻胶工艺特性,分析工艺中常遇到的烘胶起泡、龟裂、起皱等问题,特别是对后续工艺影响较大的上层光刻胶溶剂穿透中间种子层的问题以及种子层的污染问题进行了分析,提出相应的解决方案,获取稳定的工艺条件。研究分析实现同性双层光刻胶组合工艺的条件,分析烘胶温度对光刻胶的影响,探索新的烘胶工艺流程,获取稳定的光刻胶抗丙酮腐蚀的工艺条件,并研究分析光刻胶抗丙酮腐蚀的机理。
释放工艺是微镜制作工艺中的主要工艺之一,论文分析了湿法释放时粘附问题产生的机理及防粘附问题的主要方法,针对微镜阵列释放工艺存在的问题,提出了基于同性双层光刻胶的干法-湿法组合释放工艺技术,将干法湿法组合释放工艺用于微镜阵列的释放,解决了释放粘附问题及微镜释放时需增加释放孔的要求。
4.侧蚀问题及残余应力控制
研究了Ni/Cu双层金属结构腐蚀时的侧蚀问题,分析了侧蚀问题产生的机理,讨论了传统工艺中解决侧蚀问题的方法,提出了一种适用于MEMS工艺的避免侧蚀问题的解决方案。
针对镜面残余应力问题进行了研究,分析了残余应力的来源。讨论了控制薄膜残余应力的方法,通过实验分析了电镀参数对镀层残余应力的影响,提出了消除微镜镜面的残余应力的可行性解决方案。
5.5×5微镜阵列制作及初步性能测试
制作了残余应力趋于零的5×5微镜阵列,并对制作的微镜进行了初步的性能测试,微镜的粗糙度约为11.629nm,微镜的吸和电压约为92V,保持电压约为60V,最大的扭转角度为5.7°,微镜的工作寿命大于100万次,在可见光范围内的反射率约为88%。