[发明专利]基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法

说明书

本发明公开了基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。该方法包括如下步骤：步骤一：将硅基置于在实验台架上，调节激光的入射角度；步骤二：打开激光发射器，完成一次聚焦点部位的加工；步骤三：重复步骤二，使其能够加工硅基内部空腔的不同位置，达到加工复杂空腔的目的。本发明利用激光激发超声波加工硅基材料内部，方法简单，操作难度低，且加工过程清洁无污染。

技术领域

本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。

背景技术

微机电系统MEMS(micro electromechanical system)是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS技术的发展显示出巨大的生命力,它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。目前MEMS产品如微传感器、微执行器和微电子机械部件正在机械制造，医疗，通讯等领域得到广泛的应用。

硅材料作为制作各种微机械谐振器的重要半导体材料，其加工方式的多样性也就成为了当下研究的热点内容。一直以来，以硅为代表的半导体材料微结构被广泛应用到机械装置中，近年来，各个研究领域都在致力于将不同形态的硅基微结构(Silicon onnothing SON)应用到各类微机械谐振器和传感器中，来提高其灵敏度与精度。所以，如何加工具有不同形态复杂空腔结构的硅基，来适应不同微谐振器的需求，也随即成为了该领域的难题之一。

超声波是频率大于20KHz的振动波，超声波具有方向性好、穿透能力强和易于集中声能等特点。超声波从物理性质来讲属于机械波，其具有迭加、干涉、衍射等性质。所以我们可以利用超声波特有的穿透性、方向性和聚焦性，将几束超声波聚焦到一个预先设定的靶点(即焦点)，在聚焦区域内沉淀的超声能量转化为热量，通过温度影响硅原子的扩散系数，进而对硅基内部空腔微结构进行加工。其中，硅原子扩散系数与温度成函数关系，对于晶体中原子的扩散，扩散系数D与温度T有指数关系:

D＝D₀exp(-Ea/kT)(1)

式中D₀为一常数，Ea为激活能，T为扩散温度，K为玻尔兹曼常数，当温度T升高时扩散系数D增加。

研究表明，激光可以激发超声波，具体的激发方式分为两种，一是当入射激光能量较低时，不足以产生材料的熔融，主要的激发机理为热弹性激发，固体介质吸收的能量来不及扩散，在材料中形成了温度梯度导致材料的热膨胀，周围介质有约束并产生了应力分布，应力场在介质中传播产生了超声波；二是当入射激光能量较大时，晶格动能超出材料的弹性限度，材料表面熔融、产生动量传递和等离子体的形成，此时激发超声波的主要机理为熔蚀激发。在本发明中，主要利用第一种超声波的激发方式，进一步复杂已经形成的硅基内部空腔。

本发明通过聚焦多束激光激发的超声波，利用聚焦产生的点温度场，以及硅原子的扩散运动对硅基内部的空腔进行形态上的加工，来丰富硅基内部空腔加工方式，相比较其他的加工方式，该方法在时间、操作难度和成本上来说都有一定优势。

发明内容

本发明提供了一种基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法。本发明利用激光激发超声波加工硅基材料内部，具有方法简单，操作难度低，且加工过程清洁无污染等优点。

为了达到本发明的目的，本发明采取如下技术方案：

基于激光超声技术的硅基内部微结构成型的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：将硅基置于在实验台架上，调节激光的入射角度；

步骤二：打开激光发射器，完成一次聚焦点部位的加工；

步骤三：重复步骤二，使其能够加工硅基内部的不同位置，达到加工复杂空腔的目的。