專利名稱：電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造技術(shù)中的微加工領(lǐng)域，特指一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方 法及裝置，適用于導(dǎo)電類金屬材料或半導(dǎo)體材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)的無(wú)接觸刻蝕加工。
技術(shù)背景目前，對(duì)于精密微機(jī)電器件的微制造技術(shù)需求非常迫切。源于半導(dǎo)體集成電路制造 工藝的微細(xì)加工技術(shù)，發(fā)展至今已不限于IC工藝中的硅片曝光刻蝕技術(shù)，電化學(xué)加工、激光加工及其復(fù)合加工技術(shù)也都被應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域。電化學(xué)-激光的復(fù)合微加工技術(shù) 利用激光具有的高能量和聚焦性降低電極反應(yīng)的活化能，可以使電化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生， 并控制電化學(xué)反應(yīng)的作用區(qū)域。電化學(xué)和激光的復(fù)合加工主要有兩類激光增強(qiáng)(或誘導(dǎo))電化學(xué)沉積和激光-電化 學(xué)復(fù)合刻蝕加工。根據(jù)檢索到的資料，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光-電化學(xué)沉積的研究較多，而對(duì)于激光-電化學(xué)復(fù)合刻蝕加工的研究較少。其中，英國(guó)的Pajak, P.T.等研究了電解液束噴射與 激光束的復(fù)合刻蝕加工技術(shù)，利用噴射裝置將經(jīng)過(guò)陰極極化的電解液噴射到工件表面，激 光束沿電解液束同軸方向照射在加工區(qū)域，對(duì)作為陽(yáng)極的導(dǎo)電金屬材料進(jìn)行電化學(xué)刻蝕。 由于激光束的輻照作用，電化學(xué)反應(yīng)的電流密度被顯著提高，刻蝕速度可達(dá)10pm/s。但 是該方法為了保證激光束與電解液束的同軸照射，必須使激光穿過(guò)電解液噴射腔，從而使 激光的部分能量被電解液吸收，而且電解液中的氣泡也會(huì)影響光束的傳導(dǎo)，不可避免地造 成激光能量的損失。另一方面，雖然激光束的直徑可以控制在微米級(jí)，但由于電解液束的 作用區(qū)域較大，使得這種方法很難適用于微細(xì)加工領(lǐng)域。電化學(xué)-激光復(fù)合刻蝕加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)也取得了一定的進(jìn)展，國(guó)家專利"準(zhǔn)分子激光 電化學(xué)微結(jié)構(gòu)制造方法及其裝置"專利號(hào)CN1259598C提出首先利用集成電路的光刻制 版工藝制作陣列微探針電極，在被加工基片和微探針電極之間加入電解液；通電后，用準(zhǔn) 分子激光從探針電極上方照射加工區(qū)域，控制電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)基片的微結(jié)構(gòu)加工。該方法的缺點(diǎn)在于微探針電極的制作精度必將影響基片的加工，所實(shí)現(xiàn)的加工微細(xì)程度受到 探針電極的制約；激光從探針電極上方向下照射時(shí)必將被電極遮擋，激光只能照射到陣列 電極的空隙處，而不能直接照在基片上正對(duì)電極的加工部位。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述電化學(xué)-激光復(fù)合微細(xì)刻蝕加工中所存在的問(wèn)題，提出了一 種加工微細(xì)程度高、加工區(qū)域可控性好，適用于金屬或半導(dǎo)體材料的電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法及裝置。一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，其特征在于由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)掩模聚焦光路，將縮小的微圖形成像在工件表面；在工件和電解液之間由高功率密度的 激光產(chǎn)生的沖擊波，去除鈍化膜；同時(shí)在電化學(xué)反應(yīng)作用下，鈍化膜去除部位的工件材料 被腐蝕溶解，完成電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕。上述的一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，其特征在于激光其發(fā)出的激光 束能量為1 30焦耳、脈沖時(shí)間為I(KIOO納秒，激光的光斑模式為基模或多模。實(shí)現(xiàn)上述電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法的裝置包括激光器、掩模聚焦光路， 其特征在于設(shè)有復(fù)合加工與檢測(cè)部分，按照激光束的前進(jìn)方向，依次為激光器、掩模聚 焦光路、復(fù)合加工與檢測(cè)部分。復(fù)合加工與檢測(cè)部分由導(dǎo)電玻璃、電解液槽、工件、電壓 表、電流表、電化學(xué)加工電源組成，電化學(xué)加工電源的正極與作為陰極的導(dǎo)電玻璃相連， 它們之間串聯(lián)電流表檢測(cè)加工電流；電源的負(fù)極與作為陽(yáng)極的工件相連，電壓表與工件和 導(dǎo)電玻璃并聯(lián)檢測(cè)加工電壓。上述裝置中，激光束傳輸?shù)难谀＞劢构饴窞榧す馄?45°反射鏡一光束空間調(diào)制器一 掩模板一聚焦透鏡。帶有掩模圖形的激光束最終由聚焦透鏡透過(guò)導(dǎo)電玻璃成像在工件表 面。本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的(1) 被加工工件安裝在電解液槽內(nèi)，將導(dǎo)電玻璃安裝固定工件上方。將工件與加工 電源正極相連，導(dǎo)電玻璃與電源負(fù)極相連，電路中加入電壓表和電流表，從而構(gòu)成電化學(xué) 加工系統(tǒng)。電路連接好后，在電解液槽中充入電解液，完全浸沒(méi)工件至導(dǎo)電玻璃的底面。(2) 電化學(xué)加工電源通電，控制電源的輸出電壓使工件表面在電解液作用下生成鈍 化層，使工件的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入停滯狀態(tài)。(3) 由激光器按優(yōu)化參數(shù)產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)掩模聚焦光路照射到工件表面，在工件 和電解液之間形成等離子體并迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波，使工件表面激光照射的加工部位鈍 化層發(fā)生變形，被去除。(4) 由于電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用，在鈍化層被破壞的加工區(qū)域工件材料被溶解蝕除；隨著激光脈沖進(jìn)入間隙期，該區(qū)域又逐漸形成鈍化層。在下一個(gè)激光脈沖周期內(nèi)，加工區(qū) 域會(huì)再次發(fā)生鈍化層的破壞和工件材料蝕除。利用多次的脈沖激光沖擊和電化學(xué)反應(yīng)，實(shí) 現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的刻蝕加工。本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1) 掩模板安裝在在光束空間調(diào)制器和聚焦鏡之間，可以利用聚焦鏡將掩模圖形縮 小成像在工件表面，掩模板圖形和實(shí)際成像的微圖形比例為3:1或5:1。沿光路方向前后 移動(dòng)掩模板，能夠改變模板圖形在工件表面的成像倍率，利用同樣尺寸的掩模板加工出尺 寸不同、結(jié)構(gòu)特征相同的圖形。掩模板的制作成本可以顯著降低，還可以提高制作精度。(2) 導(dǎo)電玻璃作為電化學(xué)加工的工具陰極，在工具和工件之間的電解液中形成電場(chǎng) 同時(shí)還可以透過(guò)具有掩模圖形的高能量激光束，破壞工件表面阻礙電化學(xué)反應(yīng)的鈍化層。 電解液除了作為電化學(xué)反應(yīng)的加工介質(zhì)外，還作為激光沖擊作用的約束層，可以帶走多余 的熱量，降低加工過(guò)程對(duì)材料的熱影響。(3) 激光的沖擊波效應(yīng)會(huì)在電解液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，非常有利于電化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)物的排除，而電化學(xué)反應(yīng)又可以使激光沖擊產(chǎn)生的濺射殘?jiān)芙獾诫娊庖褐校瑥亩玫?邊界清晰的微結(jié)構(gòu)。(4) 利用鈍化層實(shí)現(xiàn)電化學(xué)的定域微細(xì)刻蝕，利用激光掩模聚焦實(shí)現(xiàn)掩模圖形的復(fù) 映加工，加工區(qū)域內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；非加工區(qū)域由鈍化層保護(hù)，不發(fā)生材料蝕除；從而 實(shí)現(xiàn)加工微細(xì)程度高、加工區(qū)域可控性好、復(fù)雜圖形加工效率高的效果。


圖1是電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工的示意圖。圖l中的標(biāo)號(hào)名稱1、激光器，2、激光束3、 45。反射鏡，4、光束空間調(diào)制器，5、 掩模板，6、成像聚焦鏡，7、導(dǎo)電玻璃，8、鈍化性電解液，9、電解液槽，10、工件，11、 電壓表，12、電流表，13、電化學(xué)加工電源。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。 實(shí)施該方法的裝置包括依次相連的激光器1、掩模聚焦光路和復(fù)合加工與檢測(cè)部分。 掩模聚焦光路包括三個(gè)45。反射鏡3、光束空間調(diào)制器4、掩模板5和成像聚焦鏡6;復(fù)合 加工與檢測(cè)部分由導(dǎo)電玻璃電極7、電解液槽9、工件IO、電壓表ll、電流表12和加工 電源13組成。激光器產(chǎn)生能量在1 30焦耳、脈沖時(shí)間為10 100納秒的激光束2，激光的光斑模式 選擇基?；蚨嗄＃す鈪?shù)(光斑尺寸、脈沖寬度、激光能量、光束模式)可調(diào)節(jié)控制。 激光在電解液和工件之間產(chǎn)生的沖擊波主要用于破壞工件表面的鈍化膜，不需在工件上造 成塑性變形，因此對(duì)激光的功率密度要求不高，可以使用中等功率的高頻激光器，從而降 低了激光器的設(shè)備費(fèi)用，并能夠提高加工的效率。激光器發(fā)出的激光束2經(jīng)空間調(diào)制器3的均勻化調(diào)制和擴(kuò)束處理后照在掩模板4上， 掩模板上有圖形的雕空部分激光束能夠通過(guò)，其余部分的激光束被掩模板擋住不能透過(guò)。 透過(guò)的激光束就具有了所需要的結(jié)構(gòu)圖形，再利用聚焦鏡6縮小成微細(xì)圖形成像在工件 IO表面，調(diào)整聚焦透鏡6與工件10之間的距離，使工件表面成像的圖形大小與微加工要 求相符。電化學(xué)加工部分的電路連接包括工件IO與加工電源13的正極相連，導(dǎo)電玻璃7與電 源13的負(fù)極相連，導(dǎo)電玻璃與工件之間保持2 5mm的距離，電路中的電壓表和電流表用 于檢測(cè)加工狀態(tài)。電解液使用質(zhì)量濃度15%~30%的鈍化性電解液，電解液完全浸沒(méi)工件 至導(dǎo)電玻璃的底面。根據(jù)不同的加工材料，選擇相應(yīng)的電解液成分、濃度，使工件表面在電解液作用下生 成鈍化層。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過(guò)光路系統(tǒng)的光束調(diào)制器、掩模板和聚焦鏡后，又透過(guò) 導(dǎo)電玻璃電極和電解液，作用在工件表面。在工件和電解液之間由于激光的高能量作用， 形成等離子體并迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波破壞鈍化層。在電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用下，在鈍化 層被破壞的區(qū)域工件材料被溶解蝕除；隨著激光脈沖的結(jié)束，這些區(qū)域又逐漸形成鈍化層。 在脈沖激光的多次沖擊和電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)合作用下，就能夠在工件表面刻蝕出所需的微圖 形結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，其特征在于由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)掩模聚焦光路，將縮小的微圖形成像在工件表面；在工件和電解液之間由高功率密度的激光產(chǎn)生的沖擊波，去除鈍化膜；同時(shí)在電化學(xué)反應(yīng)作用下，鈍化膜去除部位的工件材料被腐蝕溶解，完成電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，具體步驟為(1) 被加工工件安裝在電解液槽內(nèi)，將導(dǎo)電玻璃安裝固定工件上方，將工件與加工電源 正極相連，導(dǎo)電玻璃與電源負(fù)極相連，電路中加入電壓表和電流表，從而構(gòu)成電化學(xué)加工系 統(tǒng)。電路連接好后，在電解液槽中充入電解液，完全浸沒(méi)工件至導(dǎo)電玻璃的底面；(2) 電化學(xué)加工電源通電，控制電源的輸出電壓使工件表面在電解液作用下生成鈍化層， 使工件的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入停滯狀態(tài)；(3) 由激光器按優(yōu)化參數(shù)產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)掩模聚焦光路照射到工件表面，在工件和電 解液之間形成等離子體并迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波，使工件表面激光照射的加工部位鈍化層發(fā) 生變形，被去除；(4) 由于電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用，在鈍化層被破壞的加工區(qū)域工件材料被溶解蝕除；隨 著激光脈沖進(jìn)入間隙期，該區(qū)域又逐漸形成鈍化層。在下一個(gè)激光脈沖周期內(nèi)，加工區(qū)域會(huì) 再次發(fā)生鈍化層的破壞和工件材料蝕除。利用多次的脈沖激光沖擊和電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微細(xì) 結(jié)構(gòu)的刻蝕加工。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，其特征在于激 光其發(fā)出的激光束能量為1~30焦耳、脈沖時(shí)間為10~100納秒，激光的光斑模式為基?；蚨?模。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法，其特征在于掩 模板圖形和實(shí)際成像的微圖形比例為3:1或5:1。
5、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法的裝置包括激光器、掩 模聚焦光路，其特征在于設(shè)有復(fù)合加工與檢測(cè)部分，按照激光束的前進(jìn)方向，依次為激光 器、掩模聚焦光路、復(fù)合加工與檢測(cè)部分。復(fù)合加工與檢測(cè)部分由導(dǎo)電玻璃、電解液槽、工 件、電壓表、電流表、電化學(xué)加工電源組成，電化學(xué)加工電源的正極與作為陰極的導(dǎo)電玻璃 相連，它們之間串聯(lián)電流表檢測(cè)加工電流；電源的負(fù)極與作為陽(yáng)極的工件相連，電壓表與工件和導(dǎo)電玻璃并聯(lián)檢測(cè)加工電壓。
6、權(quán)利要求5所述的實(shí)現(xiàn)電化學(xué)-激光掩模聚焦微刻蝕加工方法的裝置激光束傳輸?shù)难谀?，其特征在于掩模聚焦光路為激光器?5°反射鏡一光束空間調(diào)制器一掩模板一聚焦透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)—激光掩模聚焦微刻蝕加工方法及裝置，屬于制造技術(shù)的微細(xì)加工領(lǐng)域。具體為激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光束調(diào)制器的均勻化調(diào)制和擴(kuò)束處理后通過(guò)有雕空?qǐng)D形的掩模板，再利用成像聚焦鏡使掩模板上的圖形微縮，并透過(guò)工件上方的導(dǎo)電玻璃成像在工件表面。導(dǎo)電玻璃與工件之間有鈍化性電解液，電化學(xué)加工電源的正極接工件，電源負(fù)極接導(dǎo)電玻璃。加工過(guò)程中，高能量密度的激光束在電解液和工件之間產(chǎn)生沖擊作用破壞工件表面加工區(qū)域的鈍化膜，利用電化學(xué)反應(yīng)去除鈍化膜下的材料，實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的刻蝕加工。本發(fā)明能夠有效地提高復(fù)雜圖形的加工效率以及加工的微細(xì)程度和加工精度。
文檔編號(hào)B23H7/38GK101249580SQ200810019759
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者張朝陽(yáng), 張永康, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)