微透鏡陣列的約束電化學(xué)刻蝕加工技術(shù)與系統(tǒng).pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展,微納米技術(shù)產(chǎn)品諸如微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等,逐漸在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮重要的作用。它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)或功能尺寸均在微米或納米尺寸范圍內(nèi),所以對(duì)它們的加工方法有別于普通的機(jī)械加工方式,稱之為微納加工技術(shù)。傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)諸如光刻技術(shù)、超精密機(jī)械加工方法、三束直寫(xiě)等工藝只能夠加工二維或準(zhǔn)三維的形狀,在加工三維微結(jié)構(gòu)的過(guò)程中會(huì)面臨許多困難。微納結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法是這些年發(fā)展的重要方向,電化學(xué)加工方法具有可加工

2、材料范圍廣、加工過(guò)程無(wú)應(yīng)力、表面質(zhì)量高、分辨率高及低成本等優(yōu)點(diǎn),極有可能在未來(lái)成為加工三維復(fù)雜微納機(jī)構(gòu)的主流的方法。
　　本文以約束電化學(xué)刻蝕微納加工方法為研究對(duì)象,重點(diǎn)研究了約束刻蝕劑層技術(shù)(CELT)和電化學(xué)濕印章技術(shù)(E-WETS)兩種加工方法,在深入分析這兩種方法的工藝特點(diǎn)和對(duì)加工儀器的要求的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了具有納米級(jí)分辨率定位精度的高性能電化學(xué)微納加工系統(tǒng),并在此系統(tǒng)上開(kāi)展了CELT和E-WETS在半導(dǎo)體材料上的刻蝕實(shí)驗(yàn),

3、實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)微透鏡陣列的高精度復(fù)制加工。主要的研究成果如下:
　　設(shè)計(jì)了一套用于CELT和E-WETS工藝的微納米加工系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并優(yōu)化了大理石拱形橋架結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的剛度和共振頻率;對(duì)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分采用宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)的思路,宏動(dòng)定位平臺(tái)采用五相步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,以交叉滾珠導(dǎo)軌作為導(dǎo)向平臺(tái);微動(dòng)平臺(tái)采用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件,柔性鉸鏈作為導(dǎo)向平臺(tái)的方式;采用SGS型位移傳感器作為位移檢測(cè)元件,實(shí)現(xiàn)微動(dòng)平臺(tái)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制;針對(duì)

4、加工模板和基底之間的調(diào)平問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種三自由度自適應(yīng)柔性調(diào)平機(jī)構(gòu),建立了調(diào)平機(jī)構(gòu)的靜態(tài)剛度模型,并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的有效性,在工藝的大面積加工方面,該機(jī)構(gòu)能夠有效提高加工結(jié)果的精度和一致性。
　　使用LabVIEW圖形化編程軟件編寫(xiě)了系統(tǒng)的控制程序,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)與定位控制。軟件主要由宏動(dòng)平臺(tái)控制模塊、微動(dòng)平臺(tái)控制模塊、逼近模塊、恒力控制模塊以及數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)指示模塊組成。具有界面簡(jiǎn)單,操作方便等優(yōu)點(diǎn)。按照約束刻蝕

5、劑層技術(shù)對(duì)加工系統(tǒng)的要求,設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)逐步逼近和接觸檢測(cè)方法,該方法利用數(shù)字鎖相放大器的檢測(cè)原理,可以達(dá)到納米級(jí)的檢測(cè)精度;針對(duì)E-WETS中的恒力加工問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種恒力控制算法,通過(guò)對(duì)力信號(hào)進(jìn)行反饋和控制,將接觸力限定在設(shè)定值大小,上下浮動(dòng)不超過(guò)0.2mN。
　　使用本文開(kāi)發(fā)的儀器開(kāi)展了相關(guān)的工藝試驗(yàn)研究。采用PMMA模板,利用CELT在砷化鎵基底上刻蝕微透鏡陣列圖案。首先對(duì)PMMA模板進(jìn)行濺射處理;選擇Br2作為電生刻蝕