基于約束刻蝕劑層技術(shù)的大面積加工新方法和儀器研究.pdf

1、本學(xué)位論文以約束刻蝕劑層技術(shù)(Confined Etchant Layer Technique，CELT)為研究對(duì)象，根據(jù)其技術(shù)原理與特點(diǎn)提出一種大面積加工的新方法。本論文根據(jù)方法要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)具有微納米精度的高性能綜合加工系統(tǒng)，在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，深入研究了CELT與刀具機(jī)械運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)加工，并對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行有限元模擬分析，主要研究成果如下:
　　首先，開(kāi)發(fā)研制了具有微納米精度、能夠進(jìn)行大范圍運(yùn)動(dòng)的電化學(xué)微納加工平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)

2、系統(tǒng)采用宏微復(fù)合定位策略，其中宏動(dòng)平臺(tái)采用五相步進(jìn)電機(jī)配合C3磨制級(jí)高精度滾珠絲杠導(dǎo)軌作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高分辨率運(yùn)動(dòng)保證其穩(wěn)定性和負(fù)載能力。微動(dòng)平臺(tái)由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)和應(yīng)變片式位移傳感器(SGS)構(gòu)成。對(duì)其閉環(huán)和開(kāi)環(huán)工作條件進(jìn)行測(cè)試，其定位分辨率小于1nm。提出了一種基于微納米精度變形檢測(cè)的微力傳感器技術(shù)，通過(guò)刀具與工件接觸時(shí)的微變形檢測(cè)模板與基底間的微接觸力，能夠可靠地檢測(cè)刀具與基底的接觸零點(diǎn)，以便對(duì)刀具和基底的有效距離進(jìn)

3、行控制。對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加工，選擇高精度、穩(wěn)定性好的氣浮旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行硬件保障。設(shè)計(jì)儀器平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)，包括電路濾波器以穩(wěn)定電壓條件，時(shí)間繼電器防止220V電源在短時(shí)間內(nèi)頻繁開(kāi)閉對(duì)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)控制器造成損害，氣壓開(kāi)關(guān)保證儀器工作過(guò)程氣壓過(guò)低時(shí)及時(shí)斷電，以保證氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的安全，同時(shí)包括空氣開(kāi)關(guān)和急停開(kāi)關(guān)在緊急情況下斷電，保護(hù)儀器、刀具和工件。
　　在掃描電化學(xué)顯微鏡(Scanning electrochemical micro

4、scopy，SECM)中，基底調(diào)平對(duì)于高質(zhì)量的漸進(jìn)曲線(xiàn)、成像和微納米陣列構(gòu)建極其重要;另外，在CELT耦合刀具機(jī)械運(yùn)動(dòng)加工中刀具的水平度對(duì)于加工的均一性和刀具基底的保護(hù)也具有重要的意義。因此，本論文根據(jù)基于掃描電化學(xué)顯微鏡電流反饋模式原理提出了一種新型高效的調(diào)平方法。當(dāng)針尖微納電極與基底一定距離時(shí)，針尖表面電化學(xué)反應(yīng)電流與針尖-基底距離有關(guān)，因此可以根據(jù)針尖電流大小反推針尖基底距離，并據(jù)此對(duì)基底水平度進(jìn)行調(diào)整。該方法與傳統(tǒng)千分表調(diào)平方法

5、相比具有快速、高效、精度高、集成度高等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)有限元模擬和簡(jiǎn)單的理論分析，討論基底反應(yīng)對(duì)調(diào)平精度的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法能夠用于一般均勻基底和較復(fù)雜基底（表面具有周期性變化）的水平度調(diào)節(jié)。
　　本論文對(duì)基于約束刻蝕劑層技術(shù)耦合刀具機(jī)械運(yùn)動(dòng)加工進(jìn)行了相關(guān)研究。設(shè)計(jì)制作了一維或準(zhǔn)一維線(xiàn)性刀具（具有較大的長(zhǎng)寬比），選擇砷化鎵(n-GaAs，以下簡(jiǎn)稱(chēng)GaAs)單晶片為加工對(duì)象。電化學(xué)加工體系以Br-為刻蝕劑前驅(qū)體，胱氨酸(L-C

6、ystine)為約束劑，硫酸(H2SO4)為支持電解質(zhì)。首先，對(duì)刀具在靜態(tài)條件下加工GaAs的表面形貌進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)加工后GaAs基底輪廓為“中間高，邊緣低”的牙狀，并討論了不同加工參數(shù)（加工時(shí)間，刀具-基底距離約束劑濃度等）對(duì)最終加工結(jié)果的影響。另外，在刀具相對(duì)于基底直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)基底進(jìn)行大面積加工，并討論工藝參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響。最后，采用有限元方法，耦合物質(zhì)擴(kuò)散模型、層流模型和變形幾何模型對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，模擬結(jié)