用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，步驟包括：步驟1、金屬基板的預處理；步驟2、制作圖形化掩蔽膜；步驟3、掩膜電解深刻蝕，以表面圖形化的金屬基板為陽極進行電解加工，得到掩膜電解深刻蝕加工制作線電極模板中的工具陰極，根據(jù)光刻膠圖形寬度及電解電流密度確定電解刻蝕時間，直到得到頂部尖的金屬柵線陣列圖形；步驟4、去除背面材料，去除與已制作的金屬柵線對應的背部材料以得到與邊框一體的線電極陣列，即成。本發(fā)明的方法，能夠制作截面為正方形、長方形、菱形等不同形狀的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，高效實現(xiàn)大深寬比、高密度、高加工質(zhì)量的金屬微結(jié)構(gòu)陣列。
【專利說明】用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于微細電解加工【技術(shù)領域】，主要應用目標為高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)陣列的制備，涉及一種用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)中，高深寬比微結(jié)構(gòu)可以為微器件帶來更高的靈敏度、更大的位移量或者更強的驅(qū)動力，例如，在航空航天機載設備、微鏡陣列、微流體傳感器、微馬達以及微細噴嘴等方面，為了得到高可靠性、高信噪比信號、高傳輸效率、低能量損失、高集成度的微系統(tǒng)，高深寬比微結(jié)構(gòu)的制作是微機電系統(tǒng)中追求的重要目標。
[0003]微細電解加工(EMM)是基于金屬電化學溶解原理，具有加工工件表面不存在熱變形和微裂紋等缺陷、可實現(xiàn)批量加工、與材料硬度無關等優(yōu)點，目前已在微納米制造技術(shù)群中占據(jù)重要位置。微細電解加工技術(shù)可以分為掩膜電解加工和無掩膜電解加工。掩膜電解加工主要優(yōu)勢在于不需要制作微細工具電極，可以借助于成熟的光刻技術(shù)實現(xiàn)大面積并行加工。主要問題在于:深度方向溶解的同時也發(fā)生橫向溶解，刻蝕因子(刻蝕深度與側(cè)向溶解寬度的比率)難以提高。無掩膜微細電解是將宏觀電解工藝的工具電極微細化進行電解加工，目前已能進行數(shù)十納米微特征的加工，無掩膜微細電解工藝存在的最大問題是由于其串行工藝本質(zhì)決定的加工效率很低。
[0004]為了提高無掩膜電解加工的效率，國內(nèi)外研究人員提出了群電極以及線電極電解加工方法，這類方法加工中，群電極及線電極的制作方式及質(zhì)量很大程度上決定了加工能力和加工質(zhì)量，典型的方法包括:
[0005]I)通過LIGA技術(shù)、微細電火花加工、微細切削加工制備群電極，該方法制備的電極可以實現(xiàn)群孔的成組加工，主要問題在于:大面積微細群電極制備工藝復雜；為了加工高密度群孔，電極柱間距很小，采用該電極進行電解加工時，雜散腐蝕嚴重；另外，仍然存在傳統(tǒng)無掩膜電解加工中難以加工壁面陡直的微結(jié)構(gòu)的問題，為了解決雜散腐蝕問題，采用了側(cè)壁進行絕緣處理的電解，但是制備工藝更為復雜；
[0006]2)以金屬網(wǎng)版作為群電極進行群柱微結(jié)構(gòu)加工，網(wǎng)版背面和側(cè)壁進行沉積絕緣層，但是工藝復雜，并且不同形狀圖形需要制作不同網(wǎng)版；
[0007]3)采用單個線電極，線電極可以一次加工出一個凹槽，而且與傳統(tǒng)無掩膜電解加工相比，線電極對新生成結(jié)構(gòu)的雜散腐蝕小，有望解決普通微尺度電解加工中難以加工高深寬比微細結(jié)構(gòu)的問題，不足是雖然比單個柱電極加工效率提高，但是仍然存在加工效率低的問題；
[0008]4)將微細金屬絲纏繞在特定框架上形成線群縫電極，該方法提高了線電極加工效率，缺點是由于金屬絲與框架不是一體化加工，繞線工藝難度大，線電極尺寸及間距的均勻性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)在微細電解加工過程中存在的加工效率低、加工精度不夠以及難以加工高深寬比微結(jié)構(gòu)的問題。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，具體包括以下步驟:
[0011]步驟1、金屬基板的預處理；
[0012]步驟2、制作圖形化掩蔽膜；
[0013]步驟3、掩膜電解深刻蝕
[0014]以表面圖形化的金屬基板為陽極進行電解加工，得到掩膜電解深刻蝕加工制作線電極模板中的工具陰極，根據(jù)光刻膠圖形寬度及電解電流密度確定電解刻蝕時間，直到得到頂部尖的金屬柵線陣列圖形；
[0015]步驟4、去除背面材料，去除與已制作的金屬柵線對應的背部材料，得到與邊框一體的線電極陣列，即成。
[0016]本發(fā)明的有益效果是，采用線電極陣列作為工具陰極進行高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)的微細電解加工制作，實現(xiàn)了高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)陣列的高效制作，其特征在于以下方面:
[0017]I)線電極陣列結(jié)構(gòu)制作是通過掩膜電解深刻蝕結(jié)合去除背面材料的方法，實現(xiàn)線電極金屬絲和框架的一體化制造；
[0018]2)線電極陣列制造工藝包括以下步驟:正面經(jīng)過涂膠、曝光、顯影得到大占空比的光刻膠線條陣列；進行微細電解深刻蝕，去膠后得到具有足夠高度的金屬線陣列；在與正面金屬線相對應的背部區(qū)域進行材料去除加工，深至正面金屬線，從而得到與金屬邊框一體的金屬絲線電極陣列結(jié)構(gòu)；
[0019]3)工具電極以一定的速度向工件進給，可以成組加工出微凹槽陣列，工具電極或工件旋轉(zhuǎn)一定角度再次進行加工，可以制作出方形、菱形截面的金屬微柱陣列；
[0020]4)控制工具電極在工件所在平面的進給步距，可以控制所加工微凹槽的密度(或微凸臺的寬度)；
[0021]5)工具電極金屬線上尖下款的特點使得加工過程中對新生成的微結(jié)構(gòu)壁面的影響減小，可以進一步提高線電極微細電解加工的側(cè)壁的陡直性。
[0022]本發(fā)明的特點還包括:
[0023]I)金屬絲與邊框一體化加工，金屬絲線寬和間距均勻性好；
[0024]2)可以根據(jù)擬制雜散腐蝕的要求和理論計算結(jié)果，對掩膜電解深加工制作線電極時的掩膜占空比進行合理設計，使得制作的線電極在進行線電解微細加工時金屬絲相互之間的雜散腐蝕足夠小，提高加工的定域性；
[0025]3)工具電極與工件陽極間垂直方向的相向運動不受限制，理論上可以制作深寬比不受限制的微結(jié)構(gòu)；
[0026]4)可以通過精確控制工具電極與工件陽極在工件平面內(nèi)的相對運動，進行小間隙高密度微結(jié)構(gòu)陣列的制作；
[0027]5)可以通過控制兩次加工中工具電極與工件之間的夾角的不同，制作出不同截面形狀的金屬微結(jié)構(gòu)陣列；
[0028]6)線電極加工及工具電極線上尖下寬的特點使得所加工的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁陡直度提聞ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明方法的工藝流程示意圖；
[0030]圖2是采用本發(fā)明制作的電極進行加工時的側(cè)壁陡直度示意圖；
[0031]圖3是采用傳統(tǒng)電極進行加工時側(cè)壁陡直度的示意圖；
[0032]圖4為采用本發(fā)明方法制作矩形截面或菱形截面微結(jié)構(gòu)陣列的工藝流程示意圖。
[0033]圖中，1.金屬基板,2.光刻膠,3.掩膜版,4.圖形化光刻膠,5.工具陰極,6.線電極陣列，7.線電極截面，8.工件截面，9.工具電極，10.待加工工件，11.工件表面凹槽陣列，
12.矩形截面微結(jié)構(gòu)陣列，13.菱形截面微結(jié)構(gòu)陣列。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0035]參照圖1，本發(fā)明用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，(描述掩膜電解深刻蝕結(jié)合去除背面材料制備線電極的工藝過程)，具體包括以下步驟:
[0036]步驟1、金屬基板的預處理:金屬基板I采用銅材料，處理的目的是使試樣表面光滑且清潔干燥，能和光刻膠較好粘附，具體方法是在拋光機上對金屬基板I進行拋光處理，使表面粗糙度Ra ( 0.3，然后依次使用丙酮、酒精和去離子水清洗，再用氮氣吹干后在烘干機上烘干待用(見圖la)。
[0037]步驟2、用于掩膜電解加工的圖形化掩蔽膜制作:掩蔽膜需要具有良好的電絕緣性，實施例中采用EPG533型號的光刻膠2，具體流程包括:
[0038]前烘，將清洗干凈的金屬基板I在110°C _120°C下烘烤10_15min，前烘的目的是使金屬基底表面充分干燥，以增加光刻膠2在金屬基底的粘附性；
[0039]涂膠，采用旋涂法在金屬基板I表面涂覆一層2-5 μ m厚的光刻膠2 (見圖1b)；
[0040]中烘，溫度100°C _110°C，時間10_15min，中烘的目的是去除光刻膠2中的溶劑，使光刻膠2在一定程度上固化；
[0041]曝光，在光刻膠2外表面覆蓋一層掩膜版3，采用光刻機(型號選用ABM350//N0V/DCCD)進行曝光，曝光時間8-10s (見圖1c)；
[0042]顯影，顯影液選用質(zhì)量濃度為4%。-6 %。的NaOH溶液(溶劑是水)，顯影時間為55-65S，從而得到一定占空比的光刻膠線條圖形，即得到曝光顯影后金屬基板I表面的圖形化光刻膠4 (見圖1d)。
[0043]步驟3、掩膜電解深刻蝕:以表面圖形化的金屬基板I為陽極進行電解加工，得到掩膜電解深刻蝕加工制作線電極模板中的工具陰極5 (見圖le)，工藝參數(shù)為:電解液選用質(zhì)量濃度為5% -10% NaN03和5% -10%的NaCl混合液(溶劑也是水)，電流密度為5-20A/dm2,電壓為2-5V，間距為20-30mm，電解刻蝕在超聲環(huán)境中進行以改善深刻蝕中的傳質(zhì)，根據(jù)光刻膠圖形寬度及電解電流密度確定電解刻蝕時間，直到得到頂部尖的金屬柵線陣列圖形(圖1f是去月父如；圖1g是去13父后)。
[0044]步驟4、去除背面材料(見圖1h):去除與已制作的金屬柵線對應的背部材料以得到與邊框一體的金屬絲陣列，由于金屬絲較細(數(shù)微米至數(shù)十微米)，去除方法需要保證不破壞金屬絲陣列，優(yōu)選(但不限于)的方法包括掩膜電解、柱電極電解、激光加工及其多種方式的組合，本實施例中去除的方法采用掩膜電解(掩蔽留作邊框部分)，需要根據(jù)金屬基板I厚度及溶解速率精確控制加工時間，經(jīng)過上述工藝步驟，得到金屬絲陣列與邊框一體的線電極陣列6 (見圖li)，即成。
[0045]所述電解掩蔽膜通過光刻的方法獲得，掩蔽膜的寬度根據(jù)抑制雜散腐蝕的要求決定。
[0046]線電極通過掩膜電解刻蝕結(jié)合背部材料去除工藝實現(xiàn)金屬絲與邊框的一體化加工。由于線電極形成了通透金屬絲縫，采用該線電極進行電解加工時，所能加工的微結(jié)構(gòu)深度理論上不受限制。
[0047]采用本發(fā)明方法制作的線電極截面為三角形，該截面金屬線作為工具電極進行加工時，有利于提高側(cè)壁的陡直度，已加工表面距電極距離較遠，雜散腐蝕相應較小，從而提高了側(cè)壁加工的陡直度，如圖2所示，是所制作的線電極截面7及采用本發(fā)明制作的線電極進行金屬微結(jié)構(gòu)電解加工所加工工件截面8。傳統(tǒng)柱電極或線電極加工過程中，已加工的表面由于距電極距離近，在深度方向加工過程中，側(cè)壁始終處于溶解狀態(tài)，所以最終加工出的側(cè)壁為一斜面，如圖3所示，傳統(tǒng)的工具電極9為長方形柱電極(用于對比)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]實施例
[0049]參照圖4，是本發(fā)明方法所制作電極的應用，采用本發(fā)明的線電極陣列進行金屬微結(jié)構(gòu)陣列加工，按照以下步驟實施:
[0050]步驟1、工件準備(圖4a):對待加工工件10表面拋光，清洗，烘干待用；
[0051]步驟2、工具電極準備(圖4b):采用上述線電極陣列制作方法(工藝原理參見圖1)制作金屬絲及框架一體化的線電極，通過控制線電極制作時的光刻膠掩蔽膜寬度尺寸來控制所制作的線電極金屬絲間的距離，使得采用上述線電極進行電解加工時線電極間的相互雜散腐蝕的影響足夠小，以便提高加工的定域性；
[0052]步驟3、凹槽電解加工(圖4c):控制工具線電極與工件之間垂直方向的相向運動，加工出側(cè)壁陡直，深度不受限制的凹槽，加工到設計深度時，工具電極回退，準備進行下一個凹槽加工；
[0053]步驟4、間距可控的凹槽陣列加工:控制工具電極與工件之間平行方向的相對運動，至設計的凹槽間距，再重復步驟3 (圖4d)，依次步進加工，得到工藝要求深度和間距的凹槽陣列，即經(jīng)過一次步進加工后得到的工件表面凹槽陣列11 (圖4e)；
[0054]步驟5、將工具電極相對于工件旋轉(zhuǎn)90°，再重復步驟3和步驟4 (圖4f)，得到工藝要求深度和寬度、截面為矩形的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，即經(jīng)過垂直方向二次進給加工后得到的矩形截面微結(jié)構(gòu)陣列12 (圖4h)；
[0055]步驟6、將工具電極相對于工件旋轉(zhuǎn)其它任意角度,再重復步驟3和步驟4(圖4g),得到要求深度和寬度、截面為菱形的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，即二次進給方向與一次進給方向成一定角度步進加工得到的菱形截面微結(jié)構(gòu)陣列13 (圖4i)。
[0056]本發(fā)明的用于線鋸微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，通過光刻、掩膜電解深刻蝕及去除背面材料形成線條寬度及間距均勻一致的線電極陣列。相對于傳統(tǒng)群電極，采用本發(fā)明方法制作的電極可以通過掩膜設計控制工具電極線條之間距離，從而控制電極線條間的雜散電場腐蝕，而所加工微結(jié)構(gòu)的密度通過控制進給步距進行控制，因而在很大程度上解決了群電極加工中加工圖形密度與雜散腐蝕之間的矛盾；線電極陣列通過光刻及掩膜電解制作，線條寬度、間距一致性好；通過使工具電極與工件陽極間成一定角度進行多次步進電解加工，能夠制作截面為正方形、長方形、菱形等不同形狀的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)大深寬比、高密度、高加工質(zhì)量金屬微結(jié)構(gòu)陣列的高效制作。
【權(quán)利要求】
1.一種用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，其特點在于，具體包括以下步驟: 步驟1、金屬基板的預處理； 步驟2、制作圖形化掩蔽膜； 步驟3、掩膜電解深刻蝕 以表面圖形化的金屬基板(I)為陽極進行電解加工，得到掩膜電解深刻蝕加工制作線電極模板中的工具陰極(5)，根據(jù)光刻膠圖形寬度及電解電流密度確定電解刻蝕時間，直到得到頂部尖的金屬柵線陣列圖形； 步驟4、去除背面材料，去除與已制作的金屬柵線對應的背部材料，得到與邊框一體的線電極陣列(6)，即成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，其特點在于，所述的步驟I中，金屬基板(I)采用銅材料，對金屬基板(I)進行拋光處理，使表面粗糙度Ra < 0.3，然后依次使用丙酮、酒精和去離子水清洗，再用氮氣吹干后烘干。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，其特點在于，所述的步驟2中，具體流程包括: 前烘，將清洗干凈的金屬基板(I)在110°C _120°C下烘烤10-15min ； 涂膠，采用旋涂法在金屬基板(I)表面涂覆一層2-5μπι厚的光刻膠(2)； 中烘，溫度 IOO0C -110°C，時間 10-15min ； 曝光，在光刻膠(2)外表面覆蓋一層掩膜版(3)，并進行曝光，曝光時間8-lOs ； 顯影，顯影液選用質(zhì)量濃度為4%。-6%。的NaOH溶液，顯影時間為55_65s，得到光刻膠線條圖形，即得到曝光顯影后金屬基板(I)表面的圖形化光刻膠(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，其特點在于，所述的步驟3中，工藝參數(shù)為:電解液選用質(zhì)量濃度為5% -10% NaN03和5% -10%的NaCl混合液，電流密度為5-20A/dm2，電壓為2-5V，間距為20_30mm，電解刻蝕在超聲環(huán)境中進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細電解加工的線電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，其特點在于，所述的步驟4中，去除方法優(yōu)選掩膜電解、柱電極電解、激光加工方法。
【文檔編號】B23H3/04GK103706899SQ201310681914
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】王權(quán)岱, 肖繼明 申請人:西安理工大學