本實(shí)用新型涉及一種納米加工裝置,尤其涉及一種電化學(xué)加工裝置。
背景技術(shù):
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,微型化是軍事及民用研究領(lǐng)域總的發(fā)展趨勢。如大規(guī)模集成電路(ULSI)、微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS&NEMS)、微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)以及精密光學(xué)器件的發(fā)展,要求每個功能器件的尺寸達(dá)到微納米量級?,F(xiàn)代化的高技術(shù)戰(zhàn)爭要求武器小型化,如微型潛艇、微型飛機(jī)、微型導(dǎo)彈等,這些新型武器的組成零件要求其結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到微米乃至納米量級,加工精度達(dá)到納米量級。在民用領(lǐng)域,以計算機(jī)CPU芯片為例,商業(yè)化的超大集成電路的特征線寬已經(jīng)達(dá)到32nm以下。這些零件或者元件的制造需要各種微納加工技術(shù),因此,發(fā)展微納加工技術(shù)已成為全世界精密制造領(lǐng)域最前沿的熱門課題,并且在此基礎(chǔ)上逐步形成了一個新興產(chǎn)業(yè)——微納制造。一般地,微納加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)需求具體體現(xiàn)在以下三個方面:(1)納米精度的超光滑表面;(2)微納尺度的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu);(3)微納米器件的裝配。
電化學(xué)微納加工技術(shù)作為微納加工方法之一,具有無熱效應(yīng)、無殘余應(yīng)力,精度可控、去除率高、加工效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。因此,在微納加工領(lǐng)域也占有及其重要的地位。實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微納加工的方法有:陰極電沉積(電鍍或電鑄)、陽極溶解、電化學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕技術(shù)。電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極/溶液界面,由于參與反應(yīng)的物質(zhì)的液相傳質(zhì)過程,在界面溶液一側(cè)形成擴(kuò)散層。因此,控制電化學(xué)微/納米加工精度的關(guān)鍵就在于控制擴(kuò)散層的厚度。常用的電化學(xué)微納加工方法有:
(1)掃描探針電化學(xué)微納加工技術(shù)
電化學(xué)掃描隧道顯微鏡(EC-STM)微納加工方法于1997年由Kolb課題組提出:首先在STM探針上沾上帶有Cu2+的溶液,再移到金基片上通過電沉積形成銅納米團(tuán)簇。廈門大學(xué)毛秉偉教授課題組在室溫離子液體環(huán)境中電沉積得到了活潑金屬鋅和鐵的納米團(tuán)簇圖案。此方法的加工精度非常高,團(tuán)簇的直徑一般在亞納米級別,高度可以控制在幾個納米。但其最大的不足在于掃描行程非常有限,因此加工尺度范圍很小。Schuster提出了超短電壓脈沖技術(shù),該技術(shù)是將微/納米電極、電極陣列或者帶有三維微結(jié)構(gòu)的模板逼近待加工的導(dǎo)電基底,在針尖與基底之間施以納秒級電壓脈沖,只有距離工具最近的工件部位發(fā)生陽極溶解,從而得到尺度可控的微型結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)具有距離敏感性,加工精度較高,但逐點(diǎn)作業(yè)效率低。
掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)是一種以超微電極或納米電極為探針的掃描探針技術(shù),由一個三維精密定位系統(tǒng)來控制探針電極與被加工基底之間的距離,通過在針尖與基底之間局部區(qū)域激發(fā)電化學(xué)反應(yīng),可以獲得各種微結(jié)構(gòu)圖案。該技術(shù)空間分辨率有所降低,但化學(xué)反應(yīng)性能得到增強(qiáng),大大拓展了微/納米加工的對象,成為一種重要的微納加工技術(shù)。掃描微電解池顯微鏡(SECCM)是利用毛細(xì)管尖端的微液滴與導(dǎo)電工件形成接觸,參比CN104098066B說明書42/5頁5電極、對電極插入到毛細(xì)管中與導(dǎo)電的加工基底構(gòu)成微電解池,并以該微電解池作為掃描探針。由于電化學(xué)反應(yīng)被限制在微液滴中,因此微液滴的尺寸決定了加工的精度。
(2)掩模電化學(xué)微納加工技術(shù)
LIGA是一種加工高深寬比微/納米結(jié)構(gòu)的方法。該方法先在導(dǎo)電基底上涂覆一層光刻膠,通過光刻曝光后形成高深寬比的微/納米結(jié)構(gòu),然后在含有微/納米結(jié)構(gòu)的光刻膠模板上電沉積金屬,去除光刻膠后得到金屬微/納米結(jié)構(gòu)。獲得的金屬微/納米結(jié)構(gòu),還可以進(jìn)一步作為加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深寬比可以達(dá)到10~50,粗糙度小于50nm。但該技術(shù)使用的X射線曝光光源價格昂貴,而紫外曝光工藝得到的深寬比又較低。另外,如何在有較高深寬比的光刻膠微/納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電鑄也是需要解決的問題。
EFAB是由美國南加州大學(xué)Adam Cohan教授提出的一種微/納米加工方法。EFAB技術(shù)首先利用CAD將目標(biāo)三維微/納米結(jié)構(gòu)分解成容易通過光刻加工的多層二維微/納米結(jié)構(gòu),然后將設(shè)計好的微/納米結(jié)構(gòu)層和犧牲層一層一層地沉積于二維光刻膠模板中,去掉光刻膠模板和犧牲層金屬就可以得到所需的微/納米結(jié)構(gòu)。但每一個電鑄層都要求高度平坦化,而化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)成本高,而且任何兩層之間的對準(zhǔn)錯誤都將會導(dǎo)致整個微/納米加工流程失敗。
電化學(xué)納米壓印技術(shù):AgS 2是一種具有銀離子傳輸能力的固態(tài)超離子導(dǎo)體電解質(zhì),當(dāng)銀工件表面接觸到超離子導(dǎo)體模板時,通過在工件上施加一定的電壓,銀工件表面與模板的連接處將會發(fā)生銀的陽極溶解,銀離子在AgS2電解質(zhì)中遷移,沉積到AgS 2模板另一側(cè)的對電極上,從而形成納米結(jié)構(gòu)。但是,可用于模板制作的固體電解質(zhì)材料有限,機(jī)械強(qiáng)度差,固相傳質(zhì)速率慢,加工效率低。
(3)微納精度的電化學(xué)平坦化技術(shù)
電化學(xué)拋光(ECP)技術(shù)是利用電化學(xué)陽極溶解的原理實(shí)現(xiàn)材料的去除,可在非接觸無應(yīng)力的條件下實(shí)現(xiàn)高效平坦化,還可避免產(chǎn)生介質(zhì)層裂紋、分層等加工缺陷。但是如果加工間隙過小則易導(dǎo)致正負(fù)極短路,影響工藝的穩(wěn)定性,在目前的技術(shù)條件下很難實(shí)現(xiàn)亞微米級面型精度表面的平坦化加工。
電化學(xué)機(jī)械拋光(ECMP)技術(shù)是Applied Materials公司于2004年推出的平坦化技術(shù)。一方面,通過電化學(xué)作用在加工表面生成軟質(zhì)鈍化膜,同時在低拋光壓力下以機(jī)械作用快速去除該鈍化膜;另一方面,利用電化學(xué)作用形成的鈍化膜對加工表面低凹部位的保護(hù)作用及多孔拋光墊和磨粒對加工表面凸出部位的高選擇性去除作用,可實(shí)現(xiàn)高精度的平坦化。然而,在技術(shù)上還無法實(shí)現(xiàn)高精度平坦化加工。
目前,與光刻技術(shù)聯(lián)用的電化學(xué)微納加工技術(shù),比如超大集成電路的雙大馬士革工藝、微納機(jī)電系統(tǒng)的LIGA和EFAB工藝,其加工設(shè)備主要是是價格昂貴的光刻工藝設(shè)備和化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備,其電化學(xué)工藝設(shè)備實(shí)際上只是傳統(tǒng)的電鑄和電鍍設(shè)備。電化學(xué)機(jī)械拋光是在化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的基礎(chǔ)上引入陽極氧化的工藝。實(shí)際上在這類技術(shù)中,電化學(xué)只是作為一道工藝,嚴(yán)格上并不是直接通過電化學(xué)方法生成3D微納結(jié)構(gòu)或超光滑表面。
現(xiàn)有的電化學(xué)微納加工設(shè)備的研制相對比較滯后,調(diào)節(jié)精度的結(jié)構(gòu)比較簡易,而且精度低,不能達(dá)到精度較高的加工要求。
有鑒于上述的缺陷,本設(shè)計人,積極加以研究創(chuàng)新,以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工裝置,使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決上述技術(shù)問題,本實(shí)用新型的目的是提供一種可以從宏觀上進(jìn)行精度粗調(diào)、從微觀上進(jìn)行微調(diào)以精確調(diào)整電極加工精度的電化學(xué)加工裝置。
本實(shí)用新型的電化學(xué)加工裝置,包括
-底座、電解槽以及朝向電解槽的加工電極;
-所述底座上設(shè)有驅(qū)動所述電解槽X向運(yùn)動的X向運(yùn)動平臺和Y向運(yùn)動的Y向運(yùn)動平臺,以及驅(qū)動所述加工電極Z向運(yùn)動的Z向運(yùn)動平臺,
-所述Z向運(yùn)動平臺上連接有驅(qū)動所述加工電極三自由度微動的微動平臺,所述微動平臺包括與所述Z向運(yùn)動平臺連接的X向微動平臺、與所述X向微動平臺連接的Y向微動平臺,以及與所述Y向微動平臺連接的Z向微動平臺,所述X向微動平臺、Y向微動平臺與Z向微動平臺均包括臺體和設(shè)置在臺體內(nèi)的動臺體,所述動臺體的各外側(cè)壁與所述臺體的各內(nèi)側(cè)壁之間均連接有柔性鉸鏈,所述臺體上連接有驅(qū)動所述動臺體直線微動的壓電陶瓷。
進(jìn)一步的,所述電解槽上還連接有檢測所述加工電極對所述電解槽施加壓力的力傳感器,所述力傳感器上連接有水平的連接板,所述連接板上設(shè)有底板,所述底板通過橡膠墊連接有與其平行的支撐板,所述電解槽設(shè)置在所述支撐板上,所述電解槽的側(cè)壁上連接有兩彈簧壓片,所述彈簧管壓片與所述連接板之間連接有第一彈簧,以及調(diào)整所述第一彈簧形變量的調(diào)整螺釘。
進(jìn)一步的,所述加工電極上還連接有檢測其對工件加工深度的位移傳感器。
進(jìn)一步的,所述底座上還連接有調(diào)整所述X向運(yùn)動平臺和Y向運(yùn)動平臺水平高度的活動底盤,所述活動底盤與所述底座之間連接有第二彈簧,所述活動底盤上連接有將其固定在所述底座上、并調(diào)整所述第二彈簧形變量的調(diào)整旋鈕。
進(jìn)一步的,所述Z向微動平臺的動臺體連接有懸掛板,所述懸掛板上懸掛有連接所述加工電極的接筒,所述接筒上連接有連接盤,所述連接盤上沿其圓周方向均勻連接有三個所述位移傳感器。
進(jìn)一步的,所述X向運(yùn)動平臺與Y向運(yùn)動平臺均包括支座、沿支座水平移動的滑塊以及設(shè)置在平臺上驅(qū)動滑塊水平移動的第一電機(jī),所述X向運(yùn)動平臺的支座設(shè)置在所述活動底盤上,所述X向運(yùn)動平臺的支座設(shè)置在所述X向運(yùn)動平臺的滑塊上,所述Y向運(yùn)動平臺的滑塊上連接有臺面,所述力傳感器設(shè)置在所述臺面上。
進(jìn)一步的,所述Z向運(yùn)動平臺包括與所述底座垂直連接的立板、沿所述立板縱向移動的滑板,以及驅(qū)動所述滑板縱向移動的第二電機(jī)與絲桿。
進(jìn)一步的,所述X向微動平臺通過支座連接在所述滑板上,所述底座上設(shè)有兩朝向所述支座、限制所述支座隨所述滑板縱向移動幅度的限位柱。
進(jìn)一步的,所述底座的兩端還設(shè)有把手。
借由上述方案,本實(shí)用新型至少具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、通過設(shè)置力傳感器,可以檢測到在微動平臺調(diào)整加工電極的位置時加工電極對電解槽施加壓力,從而控制微動平臺調(diào)整加工電極三維微動的幅度,一方面可以避免加工電極與待加工工件過接觸,導(dǎo)致工件損壞,另一方面可以防止加工電極與待加工工件接觸不到位,達(dá)不到加工效果,確保加工的精度;
2、通過設(shè)置位移傳感器,可以檢測到加工電極對工件加工的深度,從而能夠更精確地控制微動平臺對加工電極微調(diào)的精度;
3、通過第一彈簧與調(diào)整螺釘,及底板與支撐板的軟性連接,可以對電解槽的水平位置進(jìn)行微調(diào),以確保在加工之前,電解槽準(zhǔn)確地處于設(shè)定的位置,從而進(jìn)一步確保加工的精度;
4、本實(shí)用新型的粗調(diào)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到微米分辨率,微調(diào)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到納米分辨率,將粗調(diào)結(jié)構(gòu)(即X、Y、Z向運(yùn)動平臺)與微調(diào)結(jié)構(gòu)(即三自由度微動的微動平臺)組合,大大提高了調(diào)節(jié)精度,能達(dá)到高精度的加工要求。
上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述,為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段,并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施,以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本實(shí)用新型中微動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是微動平臺中X或Y或Z向微動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型,但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。
參見圖1和圖2,本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例所述的一種電化學(xué)加工裝置,包括底座10、電解槽20以及朝向電解槽20的加工電極30,加工電極30用于對電解槽20內(nèi)的工件進(jìn)行加工。電化學(xué)加工主要是通過陽極溶解或陰極沉積,使工件在電解液中被溶解或沉積所需材料,達(dá)到加工目的。本實(shí)用新型的電化學(xué)加工裝置用來進(jìn)行對工件的精密加工,為達(dá)到精密精度,本實(shí)用新型具有宏觀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與微觀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。宏觀調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)用來進(jìn)行粗調(diào),粗調(diào)精度在微米級,其具體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在底座10上驅(qū)動電解槽20X向運(yùn)動的X向運(yùn)動平臺41和Y向運(yùn)動的Y向運(yùn)動平臺42,以及驅(qū)動加工電極30Z向運(yùn)動的Z向運(yùn)動平臺43。
為達(dá)到微米級的粗調(diào)精度,本實(shí)用新型中X向運(yùn)動平臺41與Y向運(yùn)動平臺42均包括支座44、沿支座44水平移動的滑塊45以及設(shè)置在支座44上驅(qū)動滑塊45水平移動的第一電機(jī)46,第一電機(jī)46通過絲桿傳動,使滑塊45水平滑動。X向運(yùn)動平臺41與Y向運(yùn)動平臺42用于調(diào)節(jié)電解槽20的位置,在調(diào)節(jié)過程中,還需同時調(diào)節(jié)電解槽20的水平度,因此,本實(shí)用新型在底座10上還連接有調(diào)整X向運(yùn)動平臺41和Y向運(yùn)動平臺42水平高度的活動底盤80,活動底盤80與底座10之間連接有第二彈簧81,在活動底盤80上連接有將其固定在底座10上、并調(diào)整第二彈簧81形變量的調(diào)整旋鈕82。將活動底盤80通過第二彈簧81及調(diào)整旋鈕82連接在底座10上,使得活動底盤82呈浮動狀態(tài),在確定好電解槽20的水平位置及水平高度后,控制第二彈簧81的伸長量使電解槽20在所需高度,然后旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕82,使活動底盤80呈水平狀態(tài)。具體連接時,將X向運(yùn)動平臺41的支座44設(shè)置在活動底盤80上,Y向運(yùn)動平臺42的支座44設(shè)置在X向運(yùn)動平臺41的滑塊45上。如此,即可通過調(diào)整X向運(yùn)動平臺41與Y向運(yùn)動平臺42的水平高度,從而對電解槽20進(jìn)行間接調(diào)整。為達(dá)到間接調(diào)整的目的,本實(shí)用新型在Y向運(yùn)動平臺42的滑塊45上連接有臺面47,在臺面47上設(shè)置一力傳感器60,力傳感器60用于檢測加工電極30對所電解槽20施加壓力,一方面可以避免加工電極30與待加工工件過接觸,導(dǎo)致工件損壞,另一方面可以防止加工電極30與待加工工件接觸不到位,達(dá)不到加工效果,確保加工的精度。具體的,力傳感器60上連接有水平的連接板61,連接板61上設(shè)有底板62,底板62通過橡膠墊63連接有與其平行的支撐板64,電解槽20設(shè)置在支撐板64上,在電解槽20的側(cè)壁上連接有兩彈簧壓片65,彈簧壓片65與連接板61之間連接有第一彈簧66,以及調(diào)整第一彈簧66形變量的調(diào)整螺釘67。通過橡膠墊63與第一彈簧66,可以對電解槽20的水平高度及水平度進(jìn)行進(jìn)一步的微調(diào),使電解槽20的平面度在0.1mm以下,更進(jìn)一步提高加工精度。
通過X向運(yùn)動平臺41與Y向運(yùn)動平臺42對電解槽20進(jìn)行水平方向的粗調(diào),而加工電極30的粗調(diào)整通過Z向運(yùn)動平臺43調(diào)整豎直方向的高度。具體的,Z向運(yùn)動平臺43包括與底座10垂直連接的立板48、沿立板48縱向移動的滑板49,以及驅(qū)動滑板49縱向移動的第二電機(jī)50與絲桿。
通過對電解槽20與加工電極30的粗調(diào),實(shí)現(xiàn)對電解槽20與加工電極30的初步定位。為達(dá)到精密加工目的,還需通過微觀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行納米級的調(diào)節(jié)。具體的,本實(shí)用新型中的微觀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為與Z向運(yùn)動平臺43連接的、用于驅(qū)動加工電極30三自由度微動的微動平臺,如2和圖3所示,微動平臺包括與Z向運(yùn)動平臺43連接的X向微動平臺51、與X向微動平臺51連接的Y向微動平臺52,以及與Y向微動平臺52連接的Z向微動平臺53,X向微動平臺51通過支架90連接在Z向運(yùn)動平臺43的滑板49上。如此,即可由Z向運(yùn)動平臺43帶動整個微動平臺縱向上移動,由微動平臺帶動加工電極30進(jìn)行三自由度的微動。具體的,X向微動平臺51、Y向微動平臺52與Z向微動平臺53均包括臺體54和設(shè)置在臺體54內(nèi)的動臺體55,動臺體55的各外側(cè)壁與臺體54的各內(nèi)側(cè)壁之間均連接有柔性鉸鏈56,在臺體54上連接有驅(qū)使動臺體55直線微動的壓電陶瓷57。即X向微動平臺51的動臺體可以沿X方向微動,Y向微動平臺52的動臺體可以沿Y方向微動,Z向微動平臺53可以沿Z方向微動,將加工電極30與微動平臺連接,即可對加工電極30進(jìn)行微觀上的調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)精密加工。具體的,在Z向微動平臺53的動臺體55上連接一懸掛板71,在懸掛板71上懸掛一與加工電極30連接的接筒72。接筒72與懸掛板71隨微動平臺微動,從而帶動加工電極30微動調(diào)整。
本實(shí)用新型在加工電極30上還連接有檢測其對工件加工深度的位移傳感器70,通過檢測加工電極30對工件加工的深度,從而更精確地控制微動平臺對加工電極30微調(diào)的精度。具體的,可在接筒72上連接一連接盤73,在連接盤73上沿其圓周方向均勻連接有三個位移傳感器70。利用三個位移傳感器70檢測三個點(diǎn),利用三個點(diǎn)構(gòu)成一個平面,從而確保在加工過程中,不會產(chǎn)生偏差,大大確保的了加工效果。
為了限制微動平臺隨Z向運(yùn)動平臺43下滑的最大幅度,本實(shí)用新型在底座10上設(shè)有兩朝向支架90、限制支架90隨滑板49縱向移動幅度的限位柱91。利用限位柱91對支架90進(jìn)行抵擋,使第二電機(jī)50停止工作,阻止支架90繼續(xù)下降,從而阻止加工電極30下降,避免加工電極30碰撞電解槽20,從而避免加工電極30與電解槽20被損壞。
作為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式,為方便搬運(yùn)本實(shí)用新型的電化學(xué)加工裝置,本實(shí)用新型在底座10的兩端還設(shè)有把手11。
本實(shí)用新型的工作原理如下:
加工過程采用粗調(diào)、微調(diào)相結(jié)合的方式使加工電極30與待加工工件接觸,并配合力傳感器時時檢測接觸信號,以及位移傳感器檢測加工深度。初始階段,首先通過活動底盤80調(diào)整X向運(yùn)動平臺41的水平度,并利用X向運(yùn)動平臺41與Y向運(yùn)動平臺42調(diào)整電解槽20的初始位置,再進(jìn)一步微調(diào)整電解槽20的水平度,隨后利用Z向運(yùn)動平臺43調(diào)整加工電極30與待加工工件之間的距離,使加工電極30與工件接觸,并由力傳感器60檢測加工電極30是否與工件接觸;最后利用微動平臺對加工電極30進(jìn)行三自由度的微調(diào),并在加工過程中實(shí)時通過位移傳感器70檢測加工深度,達(dá)到合適位置完成電化學(xué)的精密加工。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動精度高,其中X向運(yùn)動平臺與Y向運(yùn)動平臺的運(yùn)動范圍為25mm,重復(fù)精度為±5μm,分辨率為1μm,Z向運(yùn)動平臺的運(yùn)動范圍為70mm,重復(fù)精度為±10μm,分辨率為3μm;電解槽20的平面度在0.1mm以下;X向微動平臺、Y向微動平臺及Z向微動平臺的運(yùn)動范圍均為50μm,重復(fù)精度均為±50nm,分辨率均為20nm;力分辨率為1克,操控方便,控制簡單,達(dá)到高精密加工要求。
以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式,并不用于限制本實(shí)用新型,應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變型,這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。