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透明MEMS三维隧道结构的设计与制备

吴宝健  
【摘要】:MEMS即微电子机械系统,一般利用氧化、镀膜、刻蚀、外延生长、键合等工艺来制备微型的传感器。MEMS器件种类繁多,涉及到各行各业,本文介绍的三维隧道结构是一种较为特殊的悬浮微结构,工业上多将其用来制备微流体管道,微通道散热器等器件。随着科学研究的不断深入,在生物研究、化学检测上都需要对微流体进行操作,因此微流体管道是不可或缺的重要器件。而现今大部分MEMS技术都采用深刻蚀和键合的方式来制备微型隧道或者微流体管道结构。由于硅片本身不透光,所以必须外接电压电路才能检测微流体的流速和成分性质,而且深刻蚀和键合的工艺操作复杂,对硅基底质量要求较高,受掩膜影响大,这种方法难以满足工业上对微通道多样化的要求。本实验设计了一种利用钻蚀现象来制备微隧道、微流体管道的新方法。其创新之处在于材料上选择二氧化硅作为结构层的新材料,由于二氧化硅制备简单,结构坚固,同时它本身是透明材料,有很好的透光性,作为隧道管壁时,可以让检测光直接照射到内部的微流体上,方便利用光学的方法完成检测,不再需要外接电压电流,提高了微器件的集成度,降低了作为微流体管道时的功耗;在工艺上舍弃复杂繁琐的键合工艺,选用了相对廉价的湿法腐蚀方式。在腐蚀液的选择上实验对25%的四甲基氢氧化铵水溶液和34%的氢氧化钾水溶液进行了选择对比,研究添加剂对腐蚀液的影响和分析标准清洗液对腐蚀结果的改良效果。通过金相显微镜观测使用氢氧化钾腐蚀的硅基底时发现,虽然在氢氧化钾溶液中腐蚀速度快钻蚀现象明显,但是对作为结构层的二氧化硅有不可忽视的腐蚀现象,而且腐蚀过程中会带入钾离子杂质,和集成电路工艺难以兼容。使用四甲基氢氧化铵水溶液时,对二氧化硅蚕食影响小,腐蚀出来的结构层光滑平整,同时腐蚀液不会产生多余的金属杂质,有利于和集成电路工艺相结合,使这个结构也能应用在LCD和OLED的前置TFT驱动中,可以有效改良工艺步骤,降低成本和生产周期。实验最后成功制备了一组上边长15.5?m,下边长40?m,高16.5?m,长度为20?m的梯形透明三维隧道结构阵列。


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