新型电化学微刻蚀技术及其机理的研究
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1. Three-dimensional micromachining on Mg by CELT Comparing corrosion effects of four kinds of etching systems on Mg, we sellect the
NaNO2+NaOH+ Na2SiO3 system as the chemical etching and confining system. A lattice- microstructure mold fabricated by bulk silicon etching technique was used. By optimizing processing and experimental parameters, the microstructure which are negative copy of mold was obtained on the surface of Mg. SEM and AFM results show the distance of two micro-cubes on mold is 7.109 µm, and the width of micro-cube on mold is 3.008 µm ; the distance of two micro-cubes on Mg is 6.075 µm, and the width of micro-cube on Mg is 3.163 µm. The different value between the distance of two micro-cubes on mold and the distance of two micro-cubes on Mg is 1.034 µm, the deflection is 0.517 µm in one side; the different value between the width of micro-cube on mold and the width of micro-cube on Mg is 155 nm, the deflection is 77.5 nm in one
I
南昌航空大学硕士学位论文
Abstract
英文摘要
Micro- and Nanometer science and technology, which will lead to a great breakthrough in understanding and stransforming the nature is considered to be a key Hi-tech in 21st century. The microsystem or microelectromechanical systems（MEMS）， as an interdisciplinary field, will be a core of micro- and nanometer science and technology. In order to meet the requirements of the rapid-developed MEMS technique, some new micromachining method must be further developed. The new method should meet the fo llowing three requirements: (1) Replication of 3-D complex structures can be realized; (2) Micrometer or nanometer scale resolution can be reached; (3) Capability of mass production.
由于硅的化学性质不活泼，在常温下很难反应，因此，找到能够有效刻蚀硅 的刻蚀剂以及相应的捕捉剂是本论文的主要研究工作。论文研究了三种刻蚀体系 的刻蚀机理、刻蚀行为和约束效果，选出 HClO3/HF 体系作为刻蚀硅的优先体系进 行了进一步wk.baidu.com研究，结果表明该体系 有望在硅表面加工出高分辨率的复杂三维微 图形。 关键词：约束刻蚀剂层技术，镁，硅，三维微加工，电化学
The Confined Etchant Layer Technique (CELT) as a new approach of electrochemical three-dimensional micromachining was proposed by prof. Zhao-Wu Tian in 1992. This method can totally meet the above three requirements，and change initiatively the wet chemical etching into the distance-sensitivity chemical etching. It is a new processing technique which is promising to be applied in micro system manufacture field. With the development of CELT research, it has already realized three-dimensional micromachining in many materials. In this paper, CELT was applied to fabricate three-dimensional micromachining on Mg and Si, and the “etching-scavenging”system has been studied. The results are described as followed:
temperature because its chemical property is not active. The research work on this paper is finding out effective etching system and confining system. Through the inverstigation about the etching mechanism, etching behavior and confining effect, the etching system of HClO3/HF was selected to etch Si. It is promising to micromachining the high solution three-dimesional microstructure on Silicon.
南昌航空大学 硕士学位论文 新型电化学微刻蚀技术及其机理的研究 姓名：程泽宇 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：蒋利民
20070601
南昌航空大学硕士学位论文
摘要
中文摘要
微纳米科学技术作为二十一世纪的关键高新技术之一，将导致人类认识和改 造世界能力的重大突破。而具有强烈交叉学科色彩的微系统（或微机电系统， MEMS）可能迅速崛起和蓬勃发展，成为微纳米科技中的核心之一。为了适应微 系统技术的快速发展，必须发展和建立新型的微加工技术。而作为一个新型的微 加工技术，必须满足以下要求：（1）能够复制加工出复杂三维结构；（2）加工精 度能达到亚微米至纳米级；（3）可以实现批量复制。
1992 年，田昭武院士在国际上首次提出了约束刻蚀剂层技术（Confined Etchant Layer Technique），该技术能同时满足上述三个基本要求，并创造性将传统的湿法 化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀，是一种有望应用于微系统制造领域的 新型加工技术。随着 CELT 技术的发展和完善，已经在很多材料上实现了三维微结 构的加工。本论文在此基础上进行了 Mg 和 Si 等材料的 CELT 微刻蚀以及刻蚀体 系的研究。研究工作如下： 一．CELT 技术用于金属 Mg 表面三维微图形的复制加工
通过比较镁在四种 刻蚀体系中的腐蚀行为和实际刻蚀 效果，选取了 NaNO2+NaOH+ Na2SiO3 体系作为化学刻蚀体系和捕捉体系。利用体硅工艺加工出 来的带有阵列微结构的模板，通过优化工艺参数，在 Mg 表面得到了与阵列模板基 本互补的微结构。利用 SEM 和 AFM 对加工结果进行表征，模板上两个微立方体 之间的间隔约为 7.109 µm，微立方体的宽度约为 3.008 µm，与模板上两个微立方 体之间间隔对应的镁片点阵顶部距离约为 6.075 µm，与模板微立方体宽度对应的 镁片上立方凹坑的宽度约为 3.163 µm。这两组数据可以看出，模板点阵间隔与镁 片点阵间隔相差 1.034 µm，单边相差 0.517 µm；而两组凸凹微立方体的宽度相差 155 nm，单边相差 77.5 nm。我们取最大公差作为刻蚀剂层厚度，为 0.517 µm。可 见，加入捕捉剂后成功地将刻蚀剂层约束在亚微米级的范围内，基本实现了亚微 米级分辨率的微加工。 二．硅表面三维微结构加工体系的研究
II
南昌航空大学硕士学位论文
英文摘要
side. We take the biggest common difference as the thickness of etching layer, is 0.517 µm. It shows that we can confine successfully the etching layer in submicron scale after adding confine agent(scavenger), and realized the submicron scale micromachining.
微系统一般可以分为几个独立的功能单元，其输入是物理或化学信息，通过 合适的传感器转化为电（光）信号，经过信号处理（模拟或数字）后，通过执行 器与外界作用。每一个微系统进行通讯。如果把集成电路芯片视为可接收、处理 和发送信息的控制器官－－－－－大脑，微系统则是包含大脑、五官以及四肢的复杂综 合体。大规模集成电路的实质，是对电子信号进行通断控制。微系统将为电子系 统提供通向外部世界所需的窗口，使它们可以感受并控制运动、光、声、热及化 学（生物）物质的传输。二者相比之下，微系统的功能发生了本质性的飞跃，并 且它的多样性也是微电子芯片所根本无法比拟的[3-4]。
Keywords : Confined etchant layer technique(CELT), Magnesium, Silicon, threeDimensional micromachining, Electrochemistry
III
南昌航空大学硕士学位论文
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 微系统的简介
以集成电路为代表的、建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引 起了一场微小型化科技革命。如今起源于 20 世纪 80 年代末期，建立在微电子技 术基础上，把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微系统（Microsystem， 欧洲用词），又称微机电系统（Micro ElectroMechanical System MEMS，美国惯用 词），被视 为微电子革命的继续而日益受到各等 发达国家政府和科学家的高度重 视，已经成为当今国际高技术竞争的热点[1-2]。
2. The research of three-dimensional micromachining system on Si surface Silicon is very difficult to react with many aggressive sabstance under the room
NaNO2+NaOH+ Na2SiO3 system as the chemical etching and confining system. A lattice- microstructure mold fabricated by bulk silicon etching technique was used. By optimizing processing and experimental parameters, the microstructure which are negative copy of mold was obtained on the surface of Mg. SEM and AFM results show the distance of two micro-cubes on mold is 7.109 µm, and the width of micro-cube on mold is 3.008 µm ; the distance of two micro-cubes on Mg is 6.075 µm, and the width of micro-cube on Mg is 3.163 µm. The different value between the distance of two micro-cubes on mold and the distance of two micro-cubes on Mg is 1.034 µm, the deflection is 0.517 µm in one side; the different value between the width of micro-cube on mold and the width of micro-cube on Mg is 155 nm, the deflection is 77.5 nm in one
I
南昌航空大学硕士学位论文
Abstract
英文摘要
Micro- and Nanometer science and technology, which will lead to a great breakthrough in understanding and stransforming the nature is considered to be a key Hi-tech in 21st century. The microsystem or microelectromechanical systems（MEMS）， as an interdisciplinary field, will be a core of micro- and nanometer science and technology. In order to meet the requirements of the rapid-developed MEMS technique, some new micromachining method must be further developed. The new method should meet the fo llowing three requirements: (1) Replication of 3-D complex structures can be realized; (2) Micrometer or nanometer scale resolution can be reached; (3) Capability of mass production.
由于硅的化学性质不活泼，在常温下很难反应，因此，找到能够有效刻蚀硅 的刻蚀剂以及相应的捕捉剂是本论文的主要研究工作。论文研究了三种刻蚀体系 的刻蚀机理、刻蚀行为和约束效果，选出 HClO3/HF 体系作为刻蚀硅的优先体系进 行了进一步wk.baidu.com研究，结果表明该体系 有望在硅表面加工出高分辨率的复杂三维微 图形。 关键词：约束刻蚀剂层技术，镁，硅，三维微加工，电化学
The Confined Etchant Layer Technique (CELT) as a new approach of electrochemical three-dimensional micromachining was proposed by prof. Zhao-Wu Tian in 1992. This method can totally meet the above three requirements，and change initiatively the wet chemical etching into the distance-sensitivity chemical etching. It is a new processing technique which is promising to be applied in micro system manufacture field. With the development of CELT research, it has already realized three-dimensional micromachining in many materials. In this paper, CELT was applied to fabricate three-dimensional micromachining on Mg and Si, and the “etching-scavenging”system has been studied. The results are described as followed:
temperature because its chemical property is not active. The research work on this paper is finding out effective etching system and confining system. Through the inverstigation about the etching mechanism, etching behavior and confining effect, the etching system of HClO3/HF was selected to etch Si. It is promising to micromachining the high solution three-dimesional microstructure on Silicon.
南昌航空大学 硕士学位论文 新型电化学微刻蚀技术及其机理的研究 姓名：程泽宇 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：蒋利民
20070601
南昌航空大学硕士学位论文
摘要
中文摘要
微纳米科学技术作为二十一世纪的关键高新技术之一，将导致人类认识和改 造世界能力的重大突破。而具有强烈交叉学科色彩的微系统（或微机电系统， MEMS）可能迅速崛起和蓬勃发展，成为微纳米科技中的核心之一。为了适应微 系统技术的快速发展，必须发展和建立新型的微加工技术。而作为一个新型的微 加工技术，必须满足以下要求：（1）能够复制加工出复杂三维结构；（2）加工精 度能达到亚微米至纳米级；（3）可以实现批量复制。
1992 年，田昭武院士在国际上首次提出了约束刻蚀剂层技术（Confined Etchant Layer Technique），该技术能同时满足上述三个基本要求，并创造性将传统的湿法 化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀，是一种有望应用于微系统制造领域的 新型加工技术。随着 CELT 技术的发展和完善，已经在很多材料上实现了三维微结 构的加工。本论文在此基础上进行了 Mg 和 Si 等材料的 CELT 微刻蚀以及刻蚀体 系的研究。研究工作如下： 一．CELT 技术用于金属 Mg 表面三维微图形的复制加工
通过比较镁在四种 刻蚀体系中的腐蚀行为和实际刻蚀 效果，选取了 NaNO2+NaOH+ Na2SiO3 体系作为化学刻蚀体系和捕捉体系。利用体硅工艺加工出 来的带有阵列微结构的模板，通过优化工艺参数，在 Mg 表面得到了与阵列模板基 本互补的微结构。利用 SEM 和 AFM 对加工结果进行表征，模板上两个微立方体 之间的间隔约为 7.109 µm，微立方体的宽度约为 3.008 µm，与模板上两个微立方 体之间间隔对应的镁片点阵顶部距离约为 6.075 µm，与模板微立方体宽度对应的 镁片上立方凹坑的宽度约为 3.163 µm。这两组数据可以看出，模板点阵间隔与镁 片点阵间隔相差 1.034 µm，单边相差 0.517 µm；而两组凸凹微立方体的宽度相差 155 nm，单边相差 77.5 nm。我们取最大公差作为刻蚀剂层厚度，为 0.517 µm。可 见，加入捕捉剂后成功地将刻蚀剂层约束在亚微米级的范围内，基本实现了亚微 米级分辨率的微加工。 二．硅表面三维微结构加工体系的研究
II
南昌航空大学硕士学位论文
英文摘要
side. We take the biggest common difference as the thickness of etching layer, is 0.517 µm. It shows that we can confine successfully the etching layer in submicron scale after adding confine agent(scavenger), and realized the submicron scale micromachining.
微系统一般可以分为几个独立的功能单元，其输入是物理或化学信息，通过 合适的传感器转化为电（光）信号，经过信号处理（模拟或数字）后，通过执行 器与外界作用。每一个微系统进行通讯。如果把集成电路芯片视为可接收、处理 和发送信息的控制器官－－－－－大脑，微系统则是包含大脑、五官以及四肢的复杂综 合体。大规模集成电路的实质，是对电子信号进行通断控制。微系统将为电子系 统提供通向外部世界所需的窗口，使它们可以感受并控制运动、光、声、热及化 学（生物）物质的传输。二者相比之下，微系统的功能发生了本质性的飞跃，并 且它的多样性也是微电子芯片所根本无法比拟的[3-4]。
Keywords : Confined etchant layer technique(CELT), Magnesium, Silicon, threeDimensional micromachining, Electrochemistry
III
南昌航空大学硕士学位论文
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 微系统的简介
以集成电路为代表的、建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引 起了一场微小型化科技革命。如今起源于 20 世纪 80 年代末期，建立在微电子技 术基础上，把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微系统（Microsystem， 欧洲用词），又称微机电系统（Micro ElectroMechanical System MEMS，美国惯用 词），被视 为微电子革命的继续而日益受到各等 发达国家政府和科学家的高度重 视，已经成为当今国际高技术竞争的热点[1-2]。
2. The research of three-dimensional micromachining system on Si surface Silicon is very difficult to react with many aggressive sabstance under the room