用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，步骤包括：步骤1、金属基板的预处理；步骤2、制作图形化掩蔽膜；步骤3、掩膜电解深刻蚀，以表面图形化的金属基板为阳极进行电解加工，得到掩膜电解深刻蚀加工制作线电极模板中的工具阴极，根据光刻胶图形宽度及电解电流密度确定电解刻蚀时间，直到得到顶部尖的金属栅线阵列图形；步骤4、去除背面材料，去除与已制作的金属栅线对应的背部材料以得到与边框一体的线电极阵列，即成。本发明的方法，能够制作截面为正方形、长方形、菱形等不同形状的金属微结构阵列，高效实现大深宽比、高密度、高加工质量的金属微结构阵列。
【专利说明】用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微细电解加工【技术领域】，主要应用目标为高深宽比金属微结构阵列的制备，涉及一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统中，高深宽比微结构可以为微器件带来更高的灵敏度、更大的位移量或者更强的驱动力，例如，在航空航天机载设备、微镜阵列、微流体传感器、微马达以及微细喷嘴等方面，为了得到高可靠性、高信噪比信号、高传输效率、低能量损失、高集成度的微系统，高深宽比微结构的制作是微机电系统中追求的重要目标。
[0003]微细电解加工(EMM)是基于金属电化学溶解原理，具有加工工件表面不存在热变形和微裂纹等缺陷、可实现批量加工、与材料硬度无关等优点，目前已在微纳米制造技术群中占据重要位置。微细电解加工技术可以分为掩膜电解加工和无掩膜电解加工。掩膜电解加工主要优势在于不需要制作微细工具电极，可以借助于成熟的光刻技术实现大面积并行加工。主要问题在于:深度方向溶解的同时也发生横向溶解，刻蚀因子(刻蚀深度与侧向溶解宽度的比率)难以提高。无掩膜微细电解是将宏观电解工艺的工具电极微细化进行电解加工，目前已能进行数十纳米微特征的加工，无掩膜微细电解工艺存在的最大问题是由于其串行工艺本质决定的加工效率很低。
[0004]为了提高无掩膜电解加工的效率，国内外研究人员提出了群电极以及线电极电解加工方法，这类方法加工中，群电极及线电极的制作方式及质量很大程度上决定了加工能力和加工质量，典型的方法包括:
[0005]I)通过LIGA技术、微细电火花加工、微细切削加工制备群电极，该方法制备的电极可以实现群孔的成组加工，主要问题在于:大面积微细群电极制备工艺复杂；为了加工高密度群孔，电极柱间距很小，采用该电极进行电解加工时，杂散腐蚀严重；另外，仍然存在传统无掩膜电解加工中难以加工壁面陡直的微结构的问题，为了解决杂散腐蚀问题，采用了侧壁进行绝缘处理的电解，但是制备工艺更为复杂；
[0006]2)以金属网版作为群电极进行群柱微结构加工，网版背面和侧壁进行沉积绝缘层，但是工艺复杂，并且不同形状图形需要制作不同网版；
[0007]3)采用单个线电极，线电极可以一次加工出一个凹槽，而且与传统无掩膜电解加工相比，线电极对新生成结构的杂散腐蚀小，有望解决普通微尺度电解加工中难以加工高深宽比微细结构的问题，不足是虽然比单个柱电极加工效率提高，但是仍然存在加工效率低的问题；
[0008]4)将微细金属丝缠绕在特定框架上形成线群缝电极，该方法提高了线电极加工效率，缺点是由于金属丝与框架不是一体化加工，绕线工艺难度大，线电极尺寸及间距的均匀性难以保证。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，解决了现有技术在微细电解加工过程中存在的加工效率低、加工精度不够以及难以加工高深宽比微结构的问题。
[0010]本发明所采用的技术方案是，一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，具体包括以下步骤:
[0011]步骤1、金属基板的预处理；
[0012]步骤2、制作图形化掩蔽膜；
[0013]步骤3、掩膜电解深刻蚀
[0014]以表面图形化的金属基板为阳极进行电解加工，得到掩膜电解深刻蚀加工制作线电极模板中的工具阴极，根据光刻胶图形宽度及电解电流密度确定电解刻蚀时间，直到得到顶部尖的金属栅线阵列图形；
[0015]步骤4、去除背面材料，去除与已制作的金属栅线对应的背部材料，得到与边框一体的线电极阵列，即成。
[0016]本发明的有益效果是，采用线电极阵列作为工具阴极进行高深宽比金属微结构的微细电解加工制作，实现了高深宽比金属微结构阵列的高效制作，其特征在于以下方面:
[0017]I)线电极阵列结构制作是通过掩膜电解深刻蚀结合去除背面材料的方法，实现线电极金属丝和框架的一体化制造；
[0018]2)线电极阵列制造工艺包括以下步骤:正面经过涂胶、曝光、显影得到大占空比的光刻胶线条阵列；进行微细电解深刻蚀，去胶后得到具有足够高度的金属线阵列；在与正面金属线相对应的背部区域进行材料去除加工，深至正面金属线，从而得到与金属边框一体的金属丝线电极阵列结构；
[0019]3)工具电极以一定的速度向工件进给，可以成组加工出微凹槽阵列，工具电极或工件旋转一定角度再次进行加工，可以制作出方形、菱形截面的金属微柱阵列；
[0020]4)控制工具电极在工件所在平面的进给步距，可以控制所加工微凹槽的密度(或微凸台的宽度)；
[0021]5)工具电极金属线上尖下款的特点使得加工过程中对新生成的微结构壁面的影响减小，可以进一步提高线电极微细电解加工的侧壁的陡直性。
[0022]本发明的特点还包括:
[0023]I)金属丝与边框一体化加工，金属丝线宽和间距均匀性好；
[0024]2)可以根据拟制杂散腐蚀的要求和理论计算结果，对掩膜电解深加工制作线电极时的掩膜占空比进行合理设计，使得制作的线电极在进行线电解微细加工时金属丝相互之间的杂散腐蚀足够小，提高加工的定域性；
[0025]3)工具电极与工件阳极间垂直方向的相向运动不受限制，理论上可以制作深宽比不受限制的微结构；
[0026]4)可以通过精确控制工具电极与工件阳极在工件平面内的相对运动，进行小间隙高密度微结构阵列的制作；
[0027]5)可以通过控制两次加工中工具电极与工件之间的夹角的不同，制作出不同截面形状的金属微结构阵列；
[0028]6)线电极加工及工具电极线上尖下宽的特点使得所加工的微结构侧壁陡直度提闻ο
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明方法的工艺流程示意图；
[0030]图2是采用本发明制作的电极进行加工时的侧壁陡直度示意图；
[0031]图3是采用传统电极进行加工时侧壁陡直度的示意图；
[0032]图4为采用本发明方法制作矩形截面或菱形截面微结构阵列的工艺流程示意图。
[0033]图中，1.金属基板,2.光刻胶,3.掩膜版,4.图形化光刻胶,5.工具阴极,6.线电极阵列，7.线电极截面，8.工件截面，9.工具电极，10.待加工工件，11.工件表面凹槽阵列，
12.矩形截面微结构阵列，13.菱形截面微结构阵列。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0035]参照图1，本发明用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，(描述掩膜电解深刻蚀结合去除背面材料制备线电极的工艺过程)，具体包括以下步骤:
[0036]步骤1、金属基板的预处理:金属基板I采用铜材料，处理的目的是使试样表面光滑且清洁干燥，能和光刻胶较好粘附，具体方法是在抛光机上对金属基板I进行抛光处理，使表面粗糙度Ra ( 0.3，然后依次使用丙酮、酒精和去离子水清洗，再用氮气吹干后在烘干机上烘干待用(见图la)。
[0037]步骤2、用于掩膜电解加工的图形化掩蔽膜制作:掩蔽膜需要具有良好的电绝缘性，实施例中采用EPG533型号的光刻胶2，具体流程包括:
[0038]前烘，将清洗干净的金属基板I在110°C _120°C下烘烤10_15min，前烘的目的是使金属基底表面充分干燥，以增加光刻胶2在金属基底的粘附性；
[0039]涂胶，采用旋涂法在金属基板I表面涂覆一层2-5 μ m厚的光刻胶2 (见图1b)；
[0040]中烘，温度100°C _110°C，时间10_15min，中烘的目的是去除光刻胶2中的溶剂，使光刻胶2在一定程度上固化；
[0041]曝光，在光刻胶2外表面覆盖一层掩膜版3，采用光刻机(型号选用ABM350//N0V/DCCD)进行曝光，曝光时间8-10s (见图1c)；
[0042]显影，显影液选用质量浓度为4%。-6 %。的NaOH溶液(溶剂是水)，显影时间为55-65S，从而得到一定占空比的光刻胶线条图形，即得到曝光显影后金属基板I表面的图形化光刻胶4 (见图1d)。
[0043]步骤3、掩膜电解深刻蚀:以表面图形化的金属基板I为阳极进行电解加工，得到掩膜电解深刻蚀加工制作线电极模板中的工具阴极5 (见图le)，工艺参数为:电解液选用质量浓度为5% -10% NaN03和5% -10%的NaCl混合液(溶剂也是水)，电流密度为5-20A/dm2,电压为2-5V，间距为20-30mm，电解刻蚀在超声环境中进行以改善深刻蚀中的传质，根据光刻胶图形宽度及电解电流密度确定电解刻蚀时间，直到得到顶部尖的金属栅线阵列图形(图1f是去月父如；图1g是去13父后)。
[0044]步骤4、去除背面材料(见图1h):去除与已制作的金属栅线对应的背部材料以得到与边框一体的金属丝阵列，由于金属丝较细(数微米至数十微米)，去除方法需要保证不破坏金属丝阵列，优选(但不限于)的方法包括掩膜电解、柱电极电解、激光加工及其多种方式的组合，本实施例中去除的方法采用掩膜电解(掩蔽留作边框部分)，需要根据金属基板I厚度及溶解速率精确控制加工时间，经过上述工艺步骤，得到金属丝阵列与边框一体的线电极阵列6 (见图li)，即成。
[0045]所述电解掩蔽膜通过光刻的方法获得，掩蔽膜的宽度根据抑制杂散腐蚀的要求决定。
[0046]线电极通过掩膜电解刻蚀结合背部材料去除工艺实现金属丝与边框的一体化加工。由于线电极形成了通透金属丝缝，采用该线电极进行电解加工时，所能加工的微结构深度理论上不受限制。
[0047]采用本发明方法制作的线电极截面为三角形，该截面金属线作为工具电极进行加工时，有利于提高侧壁的陡直度，已加工表面距电极距离较远，杂散腐蚀相应较小，从而提高了侧壁加工的陡直度，如图2所示，是所制作的线电极截面7及采用本发明制作的线电极进行金属微结构电解加工所加工工件截面8。传统柱电极或线电极加工过程中，已加工的表面由于距电极距离近，在深度方向加工过程中，侧壁始终处于溶解状态，所以最终加工出的侧壁为一斜面，如图3所示，传统的工具电极9为长方形柱电极(用于对比)的结构示意图。
[0048]实施例
[0049]参照图4，是本发明方法所制作电极的应用，采用本发明的线电极阵列进行金属微结构阵列加工，按照以下步骤实施:
[0050]步骤1、工件准备(图4a):对待加工工件10表面抛光，清洗，烘干待用；
[0051]步骤2、工具电极准备(图4b):采用上述线电极阵列制作方法(工艺原理参见图1)制作金属丝及框架一体化的线电极，通过控制线电极制作时的光刻胶掩蔽膜宽度尺寸来控制所制作的线电极金属丝间的距离，使得采用上述线电极进行电解加工时线电极间的相互杂散腐蚀的影响足够小，以便提高加工的定域性；
[0052]步骤3、凹槽电解加工(图4c):控制工具线电极与工件之间垂直方向的相向运动，加工出侧壁陡直，深度不受限制的凹槽，加工到设计深度时，工具电极回退，准备进行下一个凹槽加工；
[0053]步骤4、间距可控的凹槽阵列加工:控制工具电极与工件之间平行方向的相对运动，至设计的凹槽间距，再重复步骤3 (图4d)，依次步进加工，得到工艺要求深度和间距的凹槽阵列，即经过一次步进加工后得到的工件表面凹槽阵列11 (图4e)；
[0054]步骤5、将工具电极相对于工件旋转90°，再重复步骤3和步骤4 (图4f)，得到工艺要求深度和宽度、截面为矩形的金属微结构阵列，即经过垂直方向二次进给加工后得到的矩形截面微结构阵列12 (图4h)；
[0055]步骤6、将工具电极相对于工件旋转其它任意角度,再重复步骤3和步骤4(图4g),得到要求深度和宽度、截面为菱形的金属微结构阵列，即二次进给方向与一次进给方向成一定角度步进加工得到的菱形截面微结构阵列13 (图4i)。
[0056]本发明的用于线锯微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，通过光刻、掩膜电解深刻蚀及去除背面材料形成线条宽度及间距均匀一致的线电极阵列。相对于传统群电极，采用本发明方法制作的电极可以通过掩膜设计控制工具电极线条之间距离，从而控制电极线条间的杂散电场腐蚀，而所加工微结构的密度通过控制进给步距进行控制，因而在很大程度上解决了群电极加工中加工图形密度与杂散腐蚀之间的矛盾；线电极阵列通过光刻及掩膜电解制作，线条宽度、间距一致性好；通过使工具电极与工件阳极间成一定角度进行多次步进电解加工，能够制作截面为正方形、长方形、菱形等不同形状的金属微结构阵列，能够实现大深宽比、高密度、高加工质量金属微结构阵列的高效制作。
【权利要求】
1.一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，其特点在于，具体包括以下步骤: 步骤1、金属基板的预处理； 步骤2、制作图形化掩蔽膜； 步骤3、掩膜电解深刻蚀 以表面图形化的金属基板(I)为阳极进行电解加工，得到掩膜电解深刻蚀加工制作线电极模板中的工具阴极(5)，根据光刻胶图形宽度及电解电流密度确定电解刻蚀时间，直到得到顶部尖的金属栅线阵列图形； 步骤4、去除背面材料，去除与已制作的金属栅线对应的背部材料，得到与边框一体的线电极阵列(6)，即成。
2.根据权利要求1所述的用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，其特点在于，所述的步骤I中，金属基板(I)采用铜材料，对金属基板(I)进行抛光处理，使表面粗糙度Ra < 0.3，然后依次使用丙酮、酒精和去离子水清洗，再用氮气吹干后烘干。
3.根据权利要求1所述的用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，其特点在于，所述的步骤2中，具体流程包括: 前烘，将清洗干净的金属基板(I)在110°C _120°C下烘烤10-15min ； 涂胶，采用旋涂法在金属基板(I)表面涂覆一层2-5μπι厚的光刻胶(2)； 中烘，温度 IOO0C -110°C，时间 10-15min ； 曝光，在光刻胶(2)外表面覆盖一层掩膜版(3)，并进行曝光，曝光时间8-lOs ； 显影，显影液选用质量浓度为4%。-6%。的NaOH溶液，显影时间为55_65s，得到光刻胶线条图形，即得到曝光显影后金属基板(I)表面的图形化光刻胶(4)。
4.根据权利要求1所述的用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，其特点在于，所述的步骤3中，工艺参数为:电解液选用质量浓度为5% -10% NaN03和5% -10%的NaCl混合液，电流密度为5-20A/dm2，电压为2-5V，间距为20_30mm，电解刻蚀在超声环境中进行。
5.根据权利要求1所述的用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，其特点在于，所述的步骤4中，去除方法优选掩膜电解、柱电极电解、激光加工方法。
【文档编号】B23H3/04GK103706899SQ201310681914
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】王权岱, 肖继明 申请人:西安理工大学