刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微结构

硅基三维微纳结构在红外成像与探测方面具有重要的应用价值。然而,受加工技术的限制,硅基复杂面型三维微纳结构的制备仍然是一个难题。本文提出了利用刻蚀辅助激光灰度改性技术制备硅基三维微纳结构。利用激光改性制备的硅的氧化层作为刻蚀掩膜,经过刻蚀实现灰度图形向衬底的转移。研究发现,氧化层的抗刻蚀能力可以通过激光加工参数进行调控,例如,激光功率和扫描间距。通过编程化设计的局部调控的抗刻蚀氧化层图形,刻蚀后实现了台阶状、斜面及曲面复杂三维微结构的可控制备。另外,验证了该技术在特殊面型硅基微光学器件制备中的可行性。     

硅基微通道板微孔结构形貌的实验研究

硅基微通道板(MCP)的重要技术挑战之一就是如何在硅基上制作高深宽比的微孔阵列结构。采用光助电化学刻蚀方法研究硅基高深宽比微孔阵列制作技术。考虑到实际反应条件下的物质输送、刻蚀液浓度、光照条件、温度等因素的影响都体现在刻蚀电流与电压上,重点研究了电流、电压与微结构形貌之间的关系。通过空间电荷区的大小以及刻蚀电流与溶液浓度之间的关系,得到合理的刻蚀参数。在5inch(1inch=2.54cm)硅基上制作出深度达200μm以上的均匀深孔,得到大面积、高深宽比的均匀微孔阵列,满足微通道板对结构形貌的要求。     

仿生蛾眼抗反射结构成像系统研制

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构,该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜,平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况,得出在设计波段内,随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算,利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm,F数为5,视场角13,光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示,蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言,对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。     

硅基高长径比深孔阵列的制作研究

高长径比深孔阵列是微通道板、高分辨率X射线探测器、X射线二维光栅等器件的基本结构。基于制作大面积高长径比的深孔阵列目前仍是微纳制作技术面临的重大挑战。介绍了几种硅基微孔阵列的制作方法并分析了这几种方法的优劣。提出了用光助电化学刻蚀方法在硅基上制作大面积高长径比的深孔阵列,并从实验上研究了溶液浓度、温度、硅片掺杂浓度、光照条件、电流和电压等刻蚀过程参数对深孔微结构形貌的影响。最后给出了最佳刻蚀过程的实验参数,在整个5英寸(1英寸=2.54 cm)n型硅圆片上得到了长径比在40以上、有效圆面直径达110 mm的深孔阵列。     

基于纳米黑硅的新型MEMS红外光源

结合等离子体处理制备黑硅技术,研究了一种可用于非色散红外吸收光谱(non-dispersive infra-red,NDIR)气体传感器的微机电(micro-electro-mechanical systems,MEMS)红外光源。相较于其他MEMS红外光源,该光源以新型纳米黑硅材料作为辐射层,黑硅的近黑体特性使光源在3~5μm波段发射率可达到98%以上。光源采用四梁固支悬浮薄膜结构,可有效减小辐射区向硅基底的热传导;采用深反应离子刻蚀(DRIE)进行背面释放,有效减小了器件的尺寸。经测试,该光源的光谱辐射特性和调制特性均能满足NDIR气体传感器的要求,且简单的制备工艺使该光源易于实现大规模重复性制造,利于实现产业化推广。     

单晶硅微结构表面的制备及其减反射性能北大核心

利用聚苯乙烯胶体微球组装的单层胶体晶体阵列作为掩模板,分别采用反应离子刻蚀和等离子体刻蚀工艺在晶体硅表面构造出不同形态的微纳米结构,并研究不同刻蚀方法和不同刻蚀时间对微结构形态的影响作用。利用分光光度计测试得到微结构表面的反射光谱曲线。结果表明,在0.35-1.1μm太阳光有效吸收波段,单晶硅材料微结构表面的反射率显著降低,由于此时材料的透射率为零,材料在该波段的吸收得到有效增强。同时,具有规则微结构表面的减反射性能比无序微结构表面的减反射性能要更好一些。这为增强单晶硅对太阳能的有效吸收提供了一种简单可行的方法。     

面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展

随着信息传递、处理以及存储能力要求的不断提升,传统的近红外通信波段已呈“容量紧缩”之势。而工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术在中红外信号传输和处理方面已经显示出独特优势,有望在中红外波段实现大规模集成,在非线性光学等领域实现新的飞跃。首先介绍了硅基光电子技术在中红外应用中的优势以及目前研究过程中所遇到的困难和挑战;其次结合材料属性和结构特性对一些基本元件（如波导、分束/合束器、二极管）等在中红外领域的最新研究成果进行了介绍;最后对近5年来在中红外波段所实现传感应用的非线性光学硅基器件（基于FWM的非线性光学器件、频率梳）和面向中红外通信应用的激光器、调制器、光电探测器进行了成果介绍,并对研究进展进行了总结。     

环境适应性中红外宽带减反射元件的研制

通过微结构结合镀膜的方法成功设计和制备了中红外宽带减反射元件。首先,利用FDTD Solutions软件,模拟了微结构周期、占空比、高度以及膜层厚度对所需波段透射率的影响规律,得到较好增透效果的微结构和膜层结构参数;根据设计参数,采用激光干涉曝光和反应离子束刻蚀技术在蓝宝石表面制备出相应微结构,然后在其表面镀制相应厚度的SiO_2膜。测试结果表明:仅有单面微结构的蓝宝石元件在1.5～4μm波段的平均透射率达到92.3%,具有复合结构的蓝宝石元件在该波段的平均透射率高达98.7%,相对双面抛光蓝宝石样品透射率提升11.0%左右,实现了蓝宝石表面的宽带增透;对具有复合结构的蓝宝石元件进行了湿度验证和高低温循环实验,实验前后透射率曲线无明显变化,且无明显水吸收,说明该元件具有很好的环境适用性。     

波长和气氛对激光诱导硅表面微结构的影响

为了研究特定气氛下激光辐照对单晶硅表面微结构的影响,采用红外(基频波长1064nm)和紫外(3次谐波波长355nm)YAG纳秒激光脉冲连续辐照方法,分别在SF6、空气、N2和真空环境下对硅表面微结构进行了实验研究。得到红外纳秒激光在SF6和空气中形成的微结构较真空和N2下有更高的纵横比;紫外纳秒激光在SF6和真空中产生的锥形结构比N2和空气中要更为显著,但SF6中形成的微结构上有絮状物的结果。结果表明,激光波长和环境气氛对微结构的形成起着决定性作用,且激光辅助化学刻蚀的效率不同。该结果对深入研究纳秒激光在特定气氛下诱导硅表面微结构是有帮助的。     

高深宽比硅基微纳结构制造方法及其应用

三维高深宽比硅基结构是基于微纳制造技术的功能载体或执行机构。其由于小尺寸特征而获得特殊的微纳效应,具有灵敏度高、分辨率高、噪声低、位移量小等特点,在光电、生物、微能源和集成互连等技术领域具有广泛应用前景。主要分析了高深宽比硅基微纳结构的种类及特点;系统综述了该结构的制造方法及国内外研究现状;详细描述了不同外形特征结构的应用领域;从工艺标准、建模仿真、批量生产等方面讨论了高深宽比硅基微纳结构制造存在的技术瓶颈问题,并对高深宽比硅基微纳结构的可靠制造与发展趋势进行了展望。     

基于蛾眼阵列的全向宽光谱减反层优化设计

为降低太阳电池封装材料PET薄膜的反射率,采用严格耦合波分析(RCWA)方法对基于蛾眼阵列的减反层进行了优化设计。对比研究了圆锥形、抛物线形和正弦形蛾眼结构的减反性能,结果表明圆锥形蛾眼结构具有最佳全向宽光谱减反性能。分析了圆锥体几何参数对太阳光透过率的影响,为参数选取提供依据。在此基础上,提出基于柱形与锥形复合结构的蛾眼阵列,通过参数优化,进一步提高了太阳光在大角度入射条件下的透过率。优化后复合结构的蛾眼阵列的PET薄膜对波长范围在0.3~1.1μm、入射角度为0°~90°的入射太阳光角度归一化透过率达到0.966 4,相比于未采取减反措施的PET薄膜透过率提高12.77%。     

白光LED封装用蛾眼化荧光玻璃制备及光学性能

针对荧光玻璃封装白光LED存在的全反射损耗问题,制备了一种蛾眼化荧光玻璃用于提高白光LED光学性能。采用光刻和刻蚀工艺在蓝宝石基片的单面上制作出蛾眼阵列结构,再利用丝网印刷和低温烧结工艺在蓝宝石的另外一面制备YAG∶Ce^3+荧光玻璃层,最后将制备的蛾眼化荧光玻璃用于白光LED封装。通过控制荧光层厚度可以有效调节白光LED发光性能,当荧光层厚度为40μm时,白光LED光效为77.8 lm/W,色温为6024 K,显色指数为69.5。与平面荧光玻璃封装结构相比,在100 mA电流下蛾眼化荧光玻璃封装结构的光效提高了24.9%。结果表明,蛾眼化荧光玻璃提高了白光LED光效,有利于促进荧光玻璃封装白光LED的实际应用。     

纳米尺度多晶硅微结构刻蚀研究

以HBr作为刻蚀气体,采用ICP金属刻蚀系统对气体流量、刻蚀压力、离子源功率、偏压功率等工艺参数与刻蚀速率、刻蚀选择比和侧壁垂直度的对应关系进行了大量工艺实验。借助理论分析和工艺条件的优化,开发出一套可满足制备侧壁垂直度的纳米尺度多晶硅密排线结构的优化刻蚀工艺技术。实验结果表明:当采用900 W的离子源功率、11 W的偏压功率、25 cm3/min流量的HBr气体和3 mTorr(1 mTorr=0.133 3 Pa)刻蚀压力的工艺条件时,多晶硅与二氧化硅的刻蚀选择比大于100∶1;在保持离子源功率、偏压功率、气体流量不变的条件下,单纯提高反应腔工艺压力则会大幅提高上述选择比值,同时损失多晶硅和二氧化硅的刻蚀均匀性;HBr气体流量的变化在上述功率及反应腔工艺压力的工艺范围内,对多晶硅与二氧化硅的刻蚀选择比和多晶硅刻蚀的形貌特征均无显著影响。采用上述优化的刻蚀工艺条件,配合纳米电子束光刻技术成功得到多晶硅纳米尺度微结构,其最小线宽为40 nm。     

基于DEM技术的塑料毛细管电泳芯片加工工艺

传统的毛细管电泳芯片基体材料以硅和玻璃为主，成本较高，且不适合于生化领域。而以聚合物作为基片材料，由于材料成本较低，且微复制方法成本也很低，因此可望在商业上取得广泛的应用。采用DEM技术，利用感应偶合等离子体（ICP）刻蚀设备进行硅的刻蚀，然后从硅片直接进行微电铸，得到金属模具后，再利用微复制工艺，最终得到的毛细管电泳芯片基片，该技术工艺简单，可实现大批量低成本生产，预期将有广阔的应用前景。     

应用于中红外波段的阵列化多孔硅一维光子晶体的制备

首先通过光刻工艺制作了阵列化岛状硅衬底,然后利用交替变换阳极腐蚀电流,通过合理地控制制备参数,适当的热氧化条件,成功地制备了禁带中心位于5μm、6μm、7μm、10μm的阵列化多孔氧化硅一维光子晶体.随后在其表面淀积一层低应力的Si3N4,通过原子力显微镜(AFM)和傅里叶红外反射谱(FTIR)测试证明,沉积Si3N4后该结构仍然具有良好的平整度和较高的反射特性.该阵列结构不但具有较好的隔热和高反射特性,而且岛状的阵列结构可使其与其他器件互联变得简单易行,必将为制备多功能、一体化器件提供有利条件.     

钽酸锂薄膜红外探测器探测性能的模拟研究

建立了热释电钽酸锂薄膜红外探测器理论模型,用五层薄膜系统模拟了探测器结构,用钽酸锂晶体参数,模拟了探测器结构参数与探测率等性能指标之间的关系,研究了硅衬底厚度和钽酸锂薄膜厚度对探测器性能的影响。模拟结果显示,硅衬底彻底腐蚀形成悬空结构是减小探测器热传导损耗的最有效途径;热释电钽酸锂膜层越薄,器件探测率越高。探测器电压响应同时取决于钽酸锂膜层厚度和探测器外接电路参数。使探测器整体性能最佳的钽酸锂膜层厚度为1～2μm。     

V-groove substrate fed logic

A new substrate fed logic structure is presented which makes use of V-groove silicon etching. Experimental results are presented for the devices. A speed-power product below 1 pJ was obtained despite the large area of the test structures and the use of conventional bipolar processing. Further improvement in performance is expected by optimising the process parameters.     

基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的设计与制作

提出了一种新型的基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的结构设计及其制作方法.该种陀螺采用MEMS工艺制作而成,基底材料为肖特BF33玻璃,电极和谐振器均由单晶硅片加工而成,肖特BF33玻璃与单晶硅片通过阳极键合工艺键合在一起.介绍了该种陀螺的基本结构、工作原理,并进行了仿真分析,得出该种陀螺具有较小的频率分裂,表现出陀螺效应.最后,通过MEMS工艺进行了实际加工,得到了该种陀螺的实验样品.