MEMS微变形镜测试及工艺防粘附技术研究

论文摘要

采用表面加工工艺制作的MEMS分立式微变形镜具有集成度高、可实现批量生产等优点，成为MEMS微变形镜的研究热点。然而基于表面加工工艺的微变形镜工艺过程中的粘附问题将成为影响变形镜性能和可靠性的重要因素之一，因此，如何有效控制MEMS微变形镜加工中的粘附问题成为微变形镜制造中的一大难点。 首先，本文对粘附现象的产生根源、测试技术以及控制技术等几个方面进行了系统的分析和研究。结果发现，由于MEMS微变形镜上极板的面积比较大，在工艺最后清洗的过程中，由于表面张力的作用，上极板极易与下极板接触，干燥以后，如果弹性回复力不能克服各种表面应力，MEMS微变形镜将发生释放粘附。 其次，对牺牲层释放方法进行了详细的研究，并作了大量的实验工作。分别采用蒸发释放法、升华释放法等对MEMS微悬臂梁进行释放，通过测试发现，当采用蒸发释放法时，微悬臂梁的最大分离长度为140微米，而当采用升华释放法对微测试结构进行释放时，微悬臂梁的最大分离长度为650微米，同时发现，微悬臂梁的宽度对粘附也有一定的影响，在一定范围内，悬臂梁越窄，其更易发生粘附。 再次，研究了表面粗糙法以及自组装分子膜涂层在MEMS微结构防粘附中的应用。并对典型的FDTS和OTS分子膜进行了详细的讨论，研究表明，自组装分子膜不仅能有效防止释放粘附，更能防止工作粘附。 最后，针对分立式MEMS微变形镜研究了相关的测试理论工作，它为加工过程提供了定性或定量评价，是保证加工质量、研究加工规律和提高微细加工水平的基础，为将来的测试提供重要的理论依据。同时，提出了对分立式微变形镜在加工过程中的典型难点，并对采用PSG作为牺牲层、释放方法的改进以及多晶硅残余应力的控制提出了改进的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章:绪论
• 1.1 MEMS微变形镜及其国内外发展现状
• 1.2 MEMS器件的优势
• 1.3 表面加工MEMS微变形镜中的粘附问题
• 1.4 MEMS微变形镜的测试
• 1.5 本文研究目的与主要研究内容
• 第二章:粘附产生根源及其对微变形镜性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 释放粘附现象的产生根源
• 2.2.1 表面张力
• 2.2.2 范德华力
• 2.2.3 静电力
• 2.2.4 三种力的比较
• 2.2.5 氢键（hydrogen bonding）
• 2.2.6 固体桥接
• 2.2.7 残余应力对粘附的影响
• 2.3 工作粘附的产生根源
• 2.3.1 静电吸引力
• 2.3.2 加速度力
• 2.4 粘附现象对微变形镜的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章:微机械释放粘附控制技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 现有的防粘附方法
• 3.2.1 表面形貌的改变
• 3.2.2 表面处理和表面涂层
• 3.2.3 自组装分子膜
• 3.2.4 特殊的牺牲层释放干燥方法
• 3.3 常用的牺牲层释放技术
• 3.3.1 工艺干燥方法研究
• 3.3.2 氟化氢气相刻蚀
• 3.4 本章小结
• 第四章:微机械工作粘附控制技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 物理方法
• 4.2.1 RIE表面粗糙技术
• 4.2.2 物理改性
• 4.2.3 巧妙结构设计
• 4.3 化学改性
• 4.3.1 自组装单分子膜的优点:
• 4.3.2 低能单层涂层
• 4.3.3 氟化物涂层
• 4.4 典型自组装薄膜沉积技术
• 4.4.1 自组装OTS分子膜的成膜过程
• 4.4.2 自组装FDTS分子膜的成膜过程
• 4.4.3 基于烯烃的单分子膜
• 4.4.4 自组装分子膜的效果测试
• 4.5 本章小结
• 第五章:MEMS微结构粘附测试技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 分离长度测试法原理
• 5.2.1 悬臂梁结构
• 5.2.2 简支梁结构:
• 5.3 水滴接触角测试原理
• 5.4 MEMS微变形镜粘附研究
• 5.5 MEMS微变形镜及测试结构工艺实验
• 5.5.1 粘附测试结构的版图设计
• 5.5.2 测试结构加工过程
• 5.5.3 牺牲层释放方案研究
• 5.5.4 实验结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章:分立式微变形镜测试技术
• 6.1 引言
• 6.2 MEMS测试方法
• 6.2.1 MEMS运动参数的注入干涉测量法
• 6.2.2 Fabry-Perot结构用于振动测量
• 6.3 MEMS微变形镜测试
• 6.3.1 MEMS微变形镜三维形貌与变形测量
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文和申请的专利
• 论文发表
• 专利申请
• 参与课题情况
• 致谢