大宽厚比悬空薄膜的制备与性能分析研究

研究了MEMS中的悬空薄膜制备技术.用浓硼扩散自终止腐蚀法和PECVD淀积法分别进行了试验,得到了宽厚比为3000∶1的悬空浓硼Si薄膜和宽厚比为9000∶1的SiNx薄膜.对它们的力学特性进行了分析,用纳米硬度计测量了薄膜的杨氏模量.比较了两种方法的优劣.

超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征

为了便于导出LED有源层的出射光,本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。采用光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术相结合的背后工艺,实现了基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。本文利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度,发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关,而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小低至纳米级,并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多,而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少,且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中,发现由于应力释放,悬空薄膜的出射光峰值较硅基氮化镓晶圆出现了8.2 nm的蓝移,并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜,为氮化镓基LED器件在光微机电领域的应用开辟了新的途径。

基于光栅耦合悬空薄膜波导的折射率传感器

提出了一种纳米光栅耦合悬空薄膜波导液体折射率传感器件设计方案.纳米光栅位于悬空薄膜波导上表面,被分析液体位于波导下表面.这种薄膜波导将光栅和被分析液体分离开的传感方案,避免了液体与纳米光栅的接触导致其衍射效率下降的问题,同时增加了被分析液体与波导的接触面积,从而增强器件的传感性能.本文首先采用数值模拟方法分析器件各个参数对其传感性能的影响.分析表明,当波导模式越靠近瑞利反常波长时,器件灵敏度越高.然后实验采用3D双光子光刻技术在悬空氮化硅薄膜波导上制备光刻胶纳米光栅.最后通过自搭建光纤光谱测试系统对器件传感性能进行表征,验证了设计方案的可行性.

面向可见光波段的非周期悬空GaN薄膜光栅

基于严格耦合波理论,提出了一种在可见光波段能调控入射光相位的非周期悬空氮化镓(GaN)薄膜光栅。首先,采用有限差分时域(FDTD)方法,通过改变光栅的周期、占空比等参数仿真计算非周期悬空GaN薄膜光栅的光响应。然后,采用双面加工工艺和氮化物背后减薄技术在硅基GaN晶圆上制备非周期悬空GaN薄膜光栅,控制入射光束的相移。最后,通过角分辨微反射谱实验和光致发光测量实验表征了该薄膜光栅的光学性能。角分辨微反射谱实验结果显示非周期悬空GaN薄膜光栅的光学性能与FDTD的理论分析一致;光致发光测量实验显示其光致发光(PL)强度比硅衬底GaN光栅大大增强,峰值从364.3nm转移到378.7nm。另外,在可见光波段内,该悬空非周期GaN光栅有较大的入射角容忍度,为-25°~25°。得到的结果表明,研制的悬空非周期GaN光栅有助于提高光提取效率。

高机械灵敏度悬空导电薄膜的制备方法研究

微机电系统中的悬空薄膜的制备技术是微结构制备的关键技术之一.研究了周边固支方形薄膜的机械灵敏度及通过浓硼扩散自停止腐蚀法制备高灵敏度悬空导电薄膜.实验结果表明,当扩散温度为1 175℃,扩散时间为3h,去除硼硅玻璃后四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液中腐蚀7.5h,可得到厚度为3μm,边长为5mm,方块电阻为1.12Ω/sq,致密均匀的悬空导电薄膜.给出了详细的制备工艺;针对扩散过程中出现的硼硅玻璃等问题,给出了切实可行的解决办法.

大面积悬空浓硼硅薄膜ICP刻蚀工艺研究

介绍了基于浓硼扩散自停止腐蚀技术的大面积悬空浓硼硅薄膜的制备工艺。研究感应耦合等离子体(ICP)刻蚀的射频功率组合、反应室气压、SF6气体流量对浓硼硅薄膜刻蚀速率的影响。针对ICP刻蚀时抽真空引起的大面积超薄膜的破裂和刻蚀引起的掩模板与薄膜粘连问题,提出用硅片做掩模的解决方案;针对超薄膜的过刻蚀问题,提出分二次刻蚀的方法来控制刻蚀时间、降低刻蚀温度、把握刻蚀终点。实验表明,通过ICP刻蚀,能将自由悬空硅薄膜加工成各种可动敏感的悬臂梁结构。

基于鼓膜法的薄膜力学性能测试研究

采用自行研制的鼓膜实验装置,结合迈克尔逊激光干涉位移测量技术,获取薄膜的变形值与压力值之间的关系曲线,以实现薄膜试样力学性能的测试。对鼓膜法测试薄膜力学性能的现状做了评述;对实验原理以及装置设计进行论述;进行实验测量,并对实验结果进行有限元分析与仿真。对纯铝薄膜(纯度99.9%,厚为210μm)进行鼓膜实验,测得其弹性模量E为68.3 GPa,与资料结果基本一致,说明研制的鼓膜实验装置测量薄膜力学性能方法切实可行。实验装置对于在微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中广泛应用的薄膜材料的力学性能表征具有十分重要的意义。

电致发光的完全悬空超薄硅衬底氮化镓基蓝光LED器件的制备与表征

为提升硅衬底氮化镓基LED(发光二极管)器件的光电性能和出光效率,本文提出了一种利用背后工艺实现的悬空薄膜蓝光LED器件。结合光刻工艺、深反应离子刻蚀和电感耦合等离子体反应离子刻蚀的背后工艺,制备了发光区域和大部分正负电极区域的硅衬底完全掏空,并减薄大部分氮化镓外延层的悬空薄膜LED器件。对悬空薄膜LED器件进行三维形貌表征,发现LED悬空薄膜表面平坦,变形程度小,证明背后工艺很好地解决了氮化镓外延层和硅衬底之间由于应力释放造成的薄膜变形问题。表征了LED器件的电流电压曲线和电致发光光谱等光电特性,对不同结构、不同发光区域尺寸的LED器件进行对比,发现悬空薄膜LED器件的光电性能和出光效率比普通LED器件更优越,且发光区尺寸变化对LED器件性能的影响更明显。在15 V驱动电压下,与普通LED器件相比,发光区直径为80μm的悬空LED器件的电流从4.3 mA提升至23.9 mA。在3 mA电流的驱动下,峰值光强提升了约5倍,而发光区直径为120μm的悬空器件与发光区直径为80μm的悬空器件相比,出光效率提升更为明显。本研究为发展高性能悬空氮化物薄膜LED器件提供了更多可能性。

基于微型传感器的近场辐射传热实验方法研究

面向二氧化硅(SiO2)材料开展了近场辐射传热实验测量方法研究,其核心工作是近场热辐射传感器设计。首先,基于电磁波理论以两个平行的SiO2平板为对象分析近场热辐射的特性并以此确定近场热辐射传感器的关键参数;其次,根据近场热辐射的作用效果确定实验方案并设计相应的近场热辐射传感器;再次,基于经典传热理论确定实验模型,以及设计传感器的微加工工艺;最后,本实验方法在其他介质的近场辐射传热测量中的应用。