单晶硅反应激波刻蚀试验研究

论文摘要

理论和试验研究表明,短脉冲有限幅值超声波在液体中传播时,由于传播的非线性影响,与材料表面相互作用时会产生冲击波或应力波,一般称为激波,又称震波,激波在液体介质中具有瞬时高能、高压的特点。本文提出基于脉冲超声波聚焦的反应激波刻蚀加工方法,采用大功率压电陶瓷激波发生器,在液体介质中产生聚焦脉冲超声波(本试验选用频率为1MHz),由于传输过程中形成的非线性效应,形成高能、瞬时压力激波,结合化学腐蚀方法,利用物理和声化学作用,使位于聚焦区域的材料迅速蚀除。本文主要研究内容如下:1、结合单晶硅结构特性,进行单晶硅反应激波刻蚀加工机理研究。探讨激波作用下声化学作用,分析液体压力激波加工的动力学机制。2、依据反应激波刻蚀加工机理构建试验样机。分析激波电源各项性能指标并对其输出功率进行测量。确定激波聚焦焦点位置并进行试验测定,对透镜式单元激波发生器聚焦区域大小进行确定,分析激波工作频率对焦域形态和激波最大压力的影响。3、针对反应激波刻蚀加工的特点,综合考虑选取腐蚀液和掩蔽层。对比激波,超声波和磁力搅拌三种不同方式,试验结果表明激波能有效提高单晶硅刻蚀速率和降低表面粗糙度,在此基础上,进一步分析研究腐蚀剂浓度、反应温度以及激波功率等不同工艺参数对反应激波刻蚀速率的影响,并对单晶硅反应激波刻蚀基本规律进行了探讨,为后续研究提拱了理论和试验基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 单晶硅材料特性及其用途
• 1.2 单晶硅材料加工发展现状及展望
• 1.2.1 体微加工技术
• 1.2.2 表面微加工技术
• 1.2.3 LIGA 和准LIGA 技术
• 1.2.4 微细电火花加工技术
• 1.3 激波产生方式及在加工中应用
• 1.4 课题研究意义及主要研究内容
• 第二章 反应激波刻蚀加工机理
• 2.1 单晶硅各向异性腐蚀机理
• 2.2 反应激波刻蚀的动力学机理
• 2.2.1 激波聚焦方式
• 2.2.2 声场基本理论
• 2.2.3 透镜式单元激波发生器声场理论
• 2.3 单晶硅反应激波刻蚀加工中的声化学反应机理
• 2.3.1 激波效应的三种机制
• 2.3.2 声空化原理
• 2.3.3 声空化形成条件
• 2.3.4 影响声化学产率的物理参数
• 第三章 反应激波刻蚀试验系统
• 3.1 反应激波刻蚀试验系统介绍
• 3.2 压电陶瓷激波发生器激励电源概述
• 3.2.1 压电陶瓷激波发生器激励电源的技术指标
• 3.2.2 激励电源输入输出功率测量
• 3.3 压电陶瓷激波发生器系统概述
• 3.4 压电陶瓷激波发生器系统测试
• 3.4.1 声透镜聚焦的焦点位置
• 3.4.2 透镜式单元激波发生器聚焦区域大小的确定
• 3.4.3 透镜式单元激波发生器设计频率对焦域形态和声压的影响
• 第四章 反应激波刻蚀试验研究
• 4.1 试验前准备
• 4.1.1 试验材料的选择
• 4.1.2 各向异性腐蚀剂的选择
• 4.1.3 试件的测量
• 4.1.4 单晶硅反应激波刻蚀掩蔽层的选择
• 4.2 试验过程
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 腐蚀液浓度、温度对刻蚀速率的影响
• 4.3.2 激波电源不同工作参数对刻蚀速率的影响
• 4.3.3 激波刻蚀对加工精度和表面质量的影响
• 4.3.4 气泡对刻蚀加工表面粗糙度的影响
• 4.3.5 激波对反应刻蚀加工效率的影响
• 4.4 结论
• 第五章 本课题研究总结与展望
• 5.1 论文完成的主要研究工作
• 5.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文