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CVD金刚石膜是一种具有众多卓越特性的功能材料,在MEMS领域有着广阔的应用前景。金刚石膜的精密微细图形化加工技术是将金刚石材料应用于MEMS微器件的关键技术。由于金刚石具有极高的硬度和化学稳定性,必须采用特殊的方法来实现金刚石的微细加工,其中模型复制法是一种可行的金刚石图形化方法。据此,本文开展了基于模型复制法的CVD金刚石微器件制备工艺和机理研究,所完成的主要研究工作以及取得的主要成果如下:
1.根据工艺要求和材料性能选择了合适的微模具材料,采用了微细电火花加工、准分子激光加工和ICP刻蚀加工等多种微细加工工艺制备微模具并在分析和比较各种方法的加工质量、加工精度和加工效率的基础上,确定了整体硅片的ICP图形化刻蚀为最佳的加工方案,采用这种方法成功制备了一系列高质量的硅微模具。
2.开发了基于模型复制法的CVD金刚石微器件制备工艺。开展了金刚石微器件的制备实验,获得了微圆柱阵列、微梁阵列、十字结构及文字图形等多种结构的金刚石微器件。EDS、Raman、纳米压痕测试、SEM、ADE等多种理化分析结果表明本文制备的金刚石微器件机械性能好、表面光滑无污染、形状和尺寸精度高并且一致性好.
3.首次开展了模型复制法制备金刚石微结构的极限深宽比研究。利用有限元仿真获得了微模具衬底的流场分布,并研究了微模具结构对流场分布的影响。在仿真的基础上开展了金刚石充型生长实验研究,验证了仿真结果,分析了微模具内金刚石微器件的生长形态并得到了完全充型的极限深宽比,为金刚石微器件的设计和制备提供了重要参考。
4.综合实验结果分析了基于模型复制法的金刚石微器件制备工艺的微复制特性、晶粒度可控性和结构尺寸极限等工艺特性。研究表明采用本文所开发的CVD金刚石微器件制备工艺能够批量制造表面质量好、形状和尺寸精度高、图形较复杂的金刚石微器件,并且加工质量能够随模具技术的进步而进一步提高,该工艺在制作金刚石MEMS微器件方面具有重要的应用价值。