專利名稱：鎳磷化學(xué)鍍方法及其化學(xué)鍍?nèi)芤旱闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械材料的表面處理方法及處理液，尤其涉及一種用于處理微機(jī)械摩擦表面的鎳磷化學(xué)鍍方法及其化學(xué)鍍?nèi)芤骸?br> 背景技術(shù)：
20世紀(jì)末期，微機(jī)械技術(shù)基于微電子工業(yè)中硅的微細(xì)加工技術(shù)而迅速崛起。現(xiàn)有研究表明，將機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器、電源集成于很小的芯片上，而獲得的毫米至微/納米量級(jí)別的微機(jī)械，因其具有體積小、重量輕、能耗低、集成化和智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、航空航天、工農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域應(yīng)用前景極其廣闊。尤其是具有運(yùn)動(dòng)件的復(fù)雜三維系統(tǒng)，正在發(fā)展成為集當(dāng)今微電子、新材料、精密儀器、力學(xué)為一體的多學(xué)科交叉前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，這是關(guān)系到國(guó)家安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。
迄今，借助硅材料已開發(fā)出微機(jī)械臂、微泵、微齒輪、微渦輪機(jī)以及具有各種功能的微機(jī)器人等復(fù)雜產(chǎn)品。盡管長(zhǎng)期以來硅作為半導(dǎo)體電子材料被廣泛應(yīng)用著，但在微機(jī)械中其力學(xué)性能卻難以保證系統(tǒng)的運(yùn)行，尤其是運(yùn)動(dòng)件的摩擦磨損和疲勞性能等，從而造成了當(dāng)前微機(jī)械系統(tǒng)“能看不能動(dòng)，能動(dòng)不能用”的狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鍍層均勻、鍍層形狀可控、鍍層與基體結(jié)合牢固的鎳磷化學(xué)鍍液及其化學(xué)鍍方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于微機(jī)械材料表面處理的鎳磷化學(xué)鍍方法，包括第一步在潔凈處理后的微機(jī)械材料的待處理表面上濺射一層10-100nm鎳襯底，然后涂膠并按預(yù)先設(shè)定的形狀光刻，第二步使微機(jī)械材料基體處于75℃-95℃的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤褐校⒈?0-90分鐘，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使鎳磷鍍層沉積于基體的表面，第三步取出基體，并對(duì)其清洗、干燥，放入除膠液中除去膠，在保護(hù)氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時(shí)，即得到0.5微米-5微米厚度的均質(zhì)鎳磷鍍層。
一種用于微機(jī)械材料表面處理的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤?，其特征在于包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300-600∶1。
目前還未見到關(guān)于化學(xué)鍍?cè)谖C(jī)械減磨方面的應(yīng)用。在工藝方面，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)與一般的表面技術(shù)比較，本發(fā)明所采用的工藝結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)制造中采用的光刻技術(shù)，鍍層優(yōu)先選擇在活性較高的金屬基體上沉積，而不易在膠層上形成，因而通過涂膠并按預(yù)先設(shè)定的形狀光刻可以控制鍍層的形狀，實(shí)現(xiàn)了鍍層形狀的可控操作；同時(shí)，由于化學(xué)鍍具有優(yōu)越的仿形性，可以在形狀復(fù)雜的微機(jī)械上應(yīng)用。
(2)本發(fā)明提供一種適用于微機(jī)械材料表面的安全快速的鎳磷化學(xué)鍍液配方及其可控化沉積的工藝，這種鎳磷鍍層具有優(yōu)秀的均勻性、硬度、耐磨性等綜合物理化學(xué)性能，可以明顯的改善硅的摩擦學(xué)性能，延緩其斷裂。
(3)由于預(yù)先濺射的襯底材料具有催化作用，次磷酸鹽在具有催化性質(zhì)的表面上，可生成活性氫原子，活性氫原子將鎳離子還原為金屬鎳，與此同時(shí)，活性氫原子還將次亞磷酸根還原生成單質(zhì)磷，因而得到的鍍層為鎳磷合金固溶體。所沉積的鎳具有自催化作用，使氧化還原反應(yīng)不斷進(jìn)行，從而使鎳-磷鍍層不斷增厚。使本發(fā)明的化學(xué)鍍液能在基體表面形成鎳磷鍍層，而鎳磷鍍層為微晶或非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，剪切力小，具有優(yōu)異的減摩性能。熱處理可以使鎳磷鍍層部分或完全晶化，硬度達(dá)到很高的值，可以提高摩擦表面的抗磨損性能，尤其是本發(fā)明所提供的能在基體表面形成亞微米級(jí)鎳磷鍍層，使本發(fā)明能與微機(jī)械制造工藝相結(jié)合，適合微機(jī)械使用。
(4)化學(xué)鍍鎳磷鍍層厚度可在亞微米-亞毫米級(jí)變化，鍍層均勻，表面光滑。
(5)本發(fā)明采用磁控濺射工藝在基體上預(yù)先制備一層金屬襯底(鎳、鐵等比鎳活潑或鋅、鋁等可以和鎳發(fā)生置換反應(yīng)的金屬)，襯底和鍍層之間屬于金屬鍵結(jié)合，結(jié)合力非常好，鍍層和基體的結(jié)合力就取決于襯底和基體間的結(jié)合力，由于磁控濺射的特點(diǎn)，襯底和基體結(jié)合力明顯優(yōu)于直接將鍍層沉積在基體上的物理吸附。所以這樣可以顯著改善鍍層和基體間的結(jié)合力。
(6)本發(fā)明所采用的添加劑為有機(jī)酸CxHyOz·nH2O或者其鈉鹽中的一種或幾種。加入適量的添加劑與未加本添加劑的化學(xué)鍍液相比教，可以提高化學(xué)鍍液的沉積速度，延長(zhǎng)其使用壽命，使鍍層更加均勻，增加表面光潔度，適于在微機(jī)械材料表面沉積。也可以通過控制添加劑的含量來控制鍍層的組成。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種用于微機(jī)械材料表面處理的鎳磷化學(xué)鍍方法是先對(duì)微機(jī)械零件的待處理表面進(jìn)行潔凈處理，該潔凈處理包括進(jìn)行氫氧化鈉溶液脫脂、除油、乙醇超聲振蕩除灰等，然后在基體的待處理表面上濺射一層10-100nm鎳襯底，濺射可選擇磁控濺射的方式，主要參數(shù)為工作氣壓0.1-1帕，功率10-50瓦，靶極距5-20厘米，時(shí)間5-50分鐘，工作氣壓增加，功率增加，靶極距減小，時(shí)間增加，濺射厚度增大；然后涂膠并按預(yù)先設(shè)定的形狀光刻，涂膠光刻的主要工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速2500-4500轉(zhuǎn)/分鐘，前烘時(shí)間10-50分鐘，溫度80℃-100℃，曝光時(shí)間20-60秒。最后置于儲(chǔ)有上述化學(xué)鍍液的槽中，并使待處理的基體完全浸入溶液中，加熱至75℃-95℃，例如90℃，80℃，82℃；保溫10-90分鐘，例如85分鐘，75分鐘，50分鐘，23分鐘，40分鐘，9分鐘；發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使鎳磷鍍層沉積于基體的表面，最后，取出基體，去離子水清洗后放入80～100℃的硫酸和雙氧水的溶液中進(jìn)行除膠，再對(duì)其清洗，干燥，在氮?dú)?或氬氣)保護(hù)氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時(shí)，本實(shí)施例中，保溫溫度可以為160℃，240℃，330℃，448℃，520℃保溫時(shí)間可以為1小時(shí)，40分鐘，1.5小時(shí)；即得到0.5微米-5微米厚度的均質(zhì)鎳磷化學(xué)鍍層，保溫溫度升高，沉積時(shí)間增加，厚度增大。
實(shí)施例2一種用于微機(jī)械零件表面處理的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤?，包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽可以是硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳中的一種或兩種以上的混合物(混合物的配比可以是任意配比)，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，本實(shí)施例可選擇0.4∶1、0.75∶1和1.2∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，本實(shí)施例可選擇0.2∶1、0.5∶1、1.0∶1和1.5∶1，水與可溶性鎳鹽的摩爾比為300-700∶1，本實(shí)施例可選擇364∶1、421∶1、342∶1、657∶1、538∶1，本實(shí)施例還可包括添加劑，該添加劑至少包括一種有機(jī)酸CxHyOz·nH2O或其鈉鹽，其中1＜x＜7，2＜y＜10，1＜z＜9，本實(shí)施例中，該添加劑與可溶性鎳鹽摩爾比為0.15-1.50∶1，本實(shí)施例可選擇0.15∶1、0.42∶1、0.78∶1、1.22∶1和1.50∶1，上述添加劑可以是乳酸、檸檬酸鈉、丙酸、蘋果酸、丁二酸等中的一種或幾種的組合，且其組分的配比可為任意配比。
實(shí)施例3一種用于微機(jī)械表面處理的鎳磷化學(xué)溶液，由可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和添加劑組成，可溶性鎳鹽可以是硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳中的一種或兩種以上的混合物(混合物的配比可以是任意配比)，除去水，可溶性鎳鹽所占摩爾百分比為14-30％，本實(shí)施例中可以選擇為21％，26.5％次磷酸鈉所占摩爾百分比為25-50％，本實(shí)施例中可以選取為26.5％，35％，46％，醋酸鈉所占摩爾百分比為5-25％，本實(shí)施例中可以選取為12％，19.5，上述添加劑至少包括一種有機(jī)酸或鈉鹽，該添加劑所占摩爾百分比為5-40％，上述添加劑可以是乳酸、檸檬酸鈉、丙酸、蘋果酸、丁二酸等中的一種或多種的組合，且其組分的配比可為任意配比。
實(shí)施例4用本發(fā)明的鎳磷化學(xué)鍍液配方處理微機(jī)械用N型單面拋光單晶硅片。該圓片的直徑為3英寸，晶向<110>，摻雜砷，電導(dǎo)率0.002歐姆·厘米?；瘜W(xué)鍍液的成分及化學(xué)鍍沉積工藝如下鎳磷化學(xué)鍍液的成分主要有硫酸鎳，次磷酸鈉，醋酸鈉，檸檬酸鈉和水。硫酸鎳與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與硫酸鎳的摩爾比為0.20-1.50∶1，檸檬酸鈉與硫酸鎳摩爾比為0.15-1.50∶1。水與硫酸鎳的摩爾比為300-600∶1。
成分 濃度(Mol/L)硫酸鎳 0.05～0.2次磷酸鈉 0.1～0.5醋酸鈉 0.05～0.15檸檬酸鈉 0.01～0.5
化學(xué)鍍層制備工藝1.按比例配置好化學(xué)鍍液，放置在化學(xué)鍍槽中。
2.對(duì)硅片表面進(jìn)行脫脂、除油、除灰和除氧等前處理。
3.在樣品上濺射厚度30nm的金屬鎳襯底。
4.在樣品上光刻出預(yù)定圖形的光刻膠作為掩膜。
5.將硅片放入溫度維持在85±1℃的化學(xué)鍍液中，保溫15分鐘。
6.取出基片，清洗，放入特定的溶液中除膠，同時(shí)除去多余的襯底。
7.取出硅片，清洗，干燥，在氮?dú)鈿夥罩?00℃-550℃條件下保溫0.5-2小時(shí)。即得到約0.5微米～1.2微米厚度的均質(zhì)化學(xué)鍍鎳磷鍍層。
實(shí)施例5用本發(fā)明的鎳磷化學(xué)鍍液配方處理微機(jī)械用N型單面拋光單晶硅片。該圓片的直徑為3英寸，晶向<110>，摻雜砷，電導(dǎo)率0.002歐姆·厘米?；瘜W(xué)鍍液的成分及化學(xué)鍍沉積工藝如下鎳磷化學(xué)鍍液的成分主要有氯化鎳，次磷酸鈉，醋酸，檸檬酸，丁二酸和水?？扇苄枣圎}與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與氯化鎳的摩爾比為0.20-1.50∶1，添加劑與氯化鎳摩爾比為0.15-1.50∶1。水與氯化鎳的摩爾比為300-600∶1。
成分濃度(Mol/L)氯化鎳 0.05～0.2次磷酸鈉0.1～0.5醋酸鈉 0.05～0.15檸檬酸 0.01～0.5丁二酸 0.01～0.2化學(xué)鍍層制備工藝1.比例配置好化學(xué)鍍液，放置在化學(xué)鍍槽中。
2.對(duì)硅片表面進(jìn)行脫脂、除油、除灰和除氧等前處理。
3.在樣品上濺射厚度10nm的金屬鎳襯底。
4.在樣品上光刻出預(yù)定圖形的光刻膠作為掩膜。
5.將硅片放入溫度維持在88±1℃的化學(xué)鍍液中，保溫10分鐘。
6.取出基片，清洗，放入特定的溶液中除膠，同時(shí)除去多余的襯底。
7.取出硅片，清洗，干燥，在氮?dú)鈿夥罩?00℃-550℃條件下保溫0.5-2小時(shí)。即得到約0.5微米～0.8微米厚度的均質(zhì)化學(xué)鍍鎳磷鍍層。
權(quán)利要求
1.一種用于微機(jī)械材料表面處理的鎳磷化學(xué)鍍方法，其特征在于包括第一步在潔凈處理后的微機(jī)械材料基體的表面上磁控濺射一層10-100nm鎳襯底，然后涂膠并按預(yù)先設(shè)定的形狀光刻，第二步使微機(jī)械材料基體的表面處于75℃-95℃的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤褐校⒈?0-90分鐘，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使鎳磷鍍層沉積于微機(jī)械材料基體的光刻后的表面上，第三步取出基體，并對(duì)其清洗、干燥，放入除膠液中除去膠，在保護(hù)氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時(shí)，可得到位于光刻位置的0.5微米-5微米厚度的均質(zhì)鎳磷鍍層。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳磷化學(xué)鍍方法的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤海涮卣髟谟诎扇苄枣圎}，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300-600∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎳磷化學(xué)鍍方法的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤海涮卣髟谟诎ㄌ砑觿?，該添加劑至少包括一種有機(jī)酸CxHyOz·nH2O或其鈉鹽，該添加劑與可溶性鎳鹽摩爾比為0.15-1.50∶1，其中1＜x＜7，2＜y＜10，1＜z＜9。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微機(jī)械材料表面處理的鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤?，包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25－1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20－1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300－600∶1。本發(fā)明還公開了一種利用鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤簩?duì)微機(jī)械材料表面進(jìn)行處理的化學(xué)鍍方法，包括在潔凈處理后的待處理表面上濺射一層鎳襯底，涂膠并按預(yù)先設(shè)定的形狀光刻，然后使微機(jī)械材料基體處于鎳磷化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，并保溫發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最后取出基體，并對(duì)其清洗、干燥，放入除膠液中除去膠，在保護(hù)氣氛中保溫，即得到均質(zhì)鎳磷鍍層。鍍層厚度可在亞微米－亞毫米級(jí)變化，鍍層均勻，形狀可控。
文檔編號(hào)C23C18/36GK1609271SQ200410064679
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者蔣建清, 于金, 楊長(zhǎng)勇, 張旭海 申請(qǐng)人:東南大學(xué)