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)為研究對象，根據(jù)其技術(shù)原理與特點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)計開發(fā)了一臺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與刀具機械運動耦合進行運動加工，并對加工過程進行有限元模擬分析，主要研究成果如下:
　　首先，開發(fā)研制了具有微納米精度、能夠進行大范圍運動的電化學(xué)微納加工平臺。運動

2、系統(tǒng)采用宏微復(fù)合定位策略，其中宏動平臺采用五相步進電機配合C3磨制級高精度滾珠絲杠導(dǎo)軌作為傳動機構(gòu)以實現(xiàn)高分辨率運動保證其穩(wěn)定性和負(fù)載能力。微動平臺由壓電陶瓷驅(qū)動器、柔性鉸鏈機構(gòu)和應(yīng)變片式位移傳感器(SGS)構(gòu)成。對其閉環(huán)和開環(huán)工作條件進行測試，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的微力傳感器技術(shù)，通過刀具與工件接觸時的微變形檢測模板與基底間的微接觸力，能夠可靠地檢測刀具與基底的接觸零點，以便對刀具和基底的有效距離進

3、行控制。對于旋轉(zhuǎn)運動加工，選擇高精度、穩(wěn)定性好的氣浮旋轉(zhuǎn)平臺，以對旋轉(zhuǎn)運動進行硬件保障。設(shè)計儀器平臺的電氣控制系統(tǒng)，包括電路濾波器以穩(wěn)定電壓條件，時間繼電器防止220V電源在短時間內(nèi)頻繁開閉對氣浮轉(zhuǎn)臺控制器造成損害，氣壓開關(guān)保證儀器工作過程氣壓過低時及時斷電，以保證氣浮轉(zhuǎn)臺的安全，同時包括空氣開關(guān)和急停開關(guān)在緊急情況下斷電，保護儀器、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)平對于高質(zhì)量的漸進曲線、成像和微納米陣列構(gòu)建極其重要;另外，在CELT耦合刀具機械運動加工中刀具的水平度對于加工的均一性和刀具基底的保護也具有重要的意義。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，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)此對基底水平度進行調(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。經(jīng)過有限元模擬和簡單的理論分析，討論基底反應(yīng)對調(diào)平精度的影響。經(jīng)過實驗研究表明，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)。
　　本論文對基于約束刻蝕劑層技術(shù)耦合刀具機械運動加工進行了相關(guān)研究。設(shè)計制作了一維或準(zhǔn)一維線性刀具（具有較大的長寬比），選擇砷化鎵(n-GaAs，以下簡稱GaAs)單晶片為加工對象。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，對刀具在靜態(tài)條件下加工GaAs的表面形貌進行研究，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)（加工時間，刀具-基底距離約束劑濃度等）對最終加工結(jié)果的影響。另外，在刀具相對于基底直線運動和旋轉(zhuǎn)運動條件下對基底進行大面積加工，并討論工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響。最后，采用有限元方法，耦合物質(zhì)擴散模型、層流模型和變形幾何模型對加工過程進行模擬仿真，模擬結(jié)