CN103962562B - 半球形金属微颗粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

半球形金属微颗粒的制备方法，属于金属颗粒制备领域。本发明金属颗粒的制备方法能够克服现存金属颗粒制备方法中，颗粒大小不统一、形状不规则等缺点，其主要特征在于采用光刻、电镀和刻蚀技术制备金属颗粒，首先在基片上刻蚀出半球形凹槽，然后在通过电镀技术使凹槽内生长出金属颗粒，最后通过超声振动冲击使金属颗粒脱离基片，从而制备出金属颗粒。本发明制备的金属颗粒形状规则统一、尺寸大小相同，可应用于工业产品开发和科学实验研究等。

Description

半球形金属微颗粒的制备方法

技术领域

本发明是一种金属微颗粒的制备方法，具体为一种形状规则统一、尺寸大小相同的半球形金属微颗粒制备方法。本发明属于金属颗粒制备领域。

背景技术

现存的金属颗粒制备方法制作的金属颗粒形状不规则，尺寸大小不统一，难以满足工业产品开发、科学研究实验等需求。

市来浩一在专利公开号CN1727098A公开的通过电解法制备金属颗粒的方法，该方法是通过振动将细碳纤维分散于电解溶液中，然后通过电解方法使含有细碳纤维的金属颗粒沉积在阴极上，最后通过超声冲击使金属颗粒与阴极分离。虽然该方法能够批量制备金属颗粒，但其无法精确控制金属颗粒的大小和形状。

中国发明专利公开号CN1255415公开的锌粒的制作方法。该方法是将熔融状态的锌液直接滴入冷凝浴槽内，冷凝浴槽内装有水直接冷却熔融状态锌液，最后获得锌粒。该方法仍不能有效的控制颗粒的尺寸和形状。

美国专利公布了一种采用熔滴法加工金属颗粒的方法。在该方法中，使熔融铁的熔液朝着一个水平的固定部件落下，熔体撞击该部件时，由于其本身的动能而破碎，形成不规则的熔滴，这些熔滴往上述部件的上方和向外运动，然后落入位于所连部件下面的冷却介质溶液中，采用这种方法可以制作金属颗粒，但是该方法制作的颗粒大小不一，形状各异。

美国东北大学工学院的Abesi在论文(UniformdropletsprayingofAluminumalloys)设计了金属均匀颗粒发生器，该装置主要由内径为0.6m的石英玻璃真空室、加热装置、气体空热系统、振荡系统、颗粒充电系统、实时监控系统和容量系统组成。该方法制备的金属颗粒尺寸均匀性好，但是耗能高、效率低，不能精确控制颗粒的形状。

在此背景下，本发明提出一种基于光刻、电镀和腐蚀技术的金属颗粒制备方法，该方法制备的金属颗粒致密，表面光洁、无裂纹，形状规则统一，尺寸大小均匀稳定。

发明内容

本发明目的在于克服现存颗粒制备方法中，颗粒大小不统一、形状不规则等缺点，实现半球形金属颗粒的精确制备。半球形金属微颗粒的半径从1微米至1毫米均可。

本发明其特征在于采用光刻、电镀和刻蚀技术制备金属颗粒，具体步骤如下：

S1、首先制备掩膜版，用计算机软件绘制出要制作的半球形金属颗粒最大截面形状，然后转印在石英玻璃或者胶片上，在曝光时使用。

S2、选用玻璃或硅片作为基底，采用去离子水清洗干净，并烘干。

S3、采用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术，在基底上生成一层氮化硅Si₃N₄薄膜。

S4、在制备的氮化硅薄膜上涂一层光刻胶，然后在匀胶台上匀胶，使光刻胶均匀分布在氮化硅薄膜上，并烘干；光刻胶有正性光刻胶和负性光刻胶之分，正性光刻胶是在显影时将被曝光部分光刻胶去除，将未被曝光部分光刻胶保留，负胶相反；根据需要采用正性光刻胶或负性光刻胶。

S5、将涂好光刻胶的基片放置在曝光机上，并与预先制作好的掩膜版对正，然后进行曝光。

S6、通过显影，将金属颗粒图形转移到光刻胶上，然后对基片进行烘烤，以去除显影时所吸收的显影液和残留水分。

S7、将显影后的基片，置入到配置好的腐蚀液中，以去除无光刻胶部分的氮化硅薄膜。

S8、将基片放置到等离子反应刻蚀机中，进行刻蚀，无光刻胶部位可得到半球形凹槽。然后用去离子水清洗干净并烘干。所述的刻蚀为各向同性刻蚀。

S9、将基片放入溅射台，在基片正面上溅射一层电镀种子层。所述的电镀种子层是为了电镀时半球形凹槽部位能通过该种子层形成电流，从而制备出金属颗粒。

S10、在制备的电镀种子层上涂一层负性光刻胶，然后在匀胶台上匀胶，使光刻胶均匀分布在基片上，并烘干。

S11、将涂好光刻胶的基片放置在曝光机上，并与预先制作好的掩膜版对正，然后进行曝光。

S12、通过显影，将金属颗粒图形转移到光刻胶上，然后对基片进行烘烤，以去除显影时所吸收的显影液和残留水分，并对剩余部分的光刻胶固化。

S13、采用电镀工艺，首先镀前预处理，将基片放置到稀硫酸中清洗。然后开始电镀，将基片作为阴极，金属块作阳极，分别放置在电镀浴液中，并通入直流电流或脉冲直流电流，进行电镀；有光刻胶的部位无变化，无光刻胶部位的种子层上会生长出金属颗粒。

S14、采用等离子刻蚀或去胶液去除基片上的光刻胶，然后放置在装有纯净水的容器中，采用超声清洗机对其进行超声振动冲击，使金属颗粒脱离电镀种子层，从而得到所需的金属颗粒。

S15、将基片取出，然后对容器中液体进行过滤得到金属颗粒，再对金属颗粒烘干即可。

所述步骤S7中所采用腐蚀液，可选用氢氟酸腐蚀剂(NH₄F：HF：H₂O＝3mL：6mL：10mL)，也可选用磷酸H₃PO₄。

所述的步骤S8也可采用湿法腐蚀工艺，得到半球形凹槽。

所述的步骤S12中所采用的电镀可以用化学镀来代替。

本发明包括以下优点：

①、可以根据需要的半球形金属颗粒的形状、大小，预先采用计算机软件绘制图形，制作成掩膜版，从而实现对金属颗粒尺寸的较精确控制，所制作的金属颗粒形状一致、大小均匀。

②、可以根据需要，选择不同成分的电镀浴液，从而获得不同种类的金属颗粒。

③、可批量制作，掩膜版可以安装在曝光机上重复使用，因此可以通过制作尺寸较大的基片，然后对基片不同区域曝光，以实现批量制作。

附图说明

图1(a)：本发明的实施工艺所用的掩膜版一

图1(b)：本发明的实施工艺所用的掩膜版二

图2：本发明的实施工艺的过程示意图一

图3：本发明的实施工艺的过程示意图二

图4：本发明的实施工艺的过程示意图三

图5：本发明的实施工艺的过程示意图四

图6：本发明的实施工艺的过程示意图五

图7：本发明的实施工艺的过程示意图六

图8：本发明的实施工艺的过程示意图七

图9：本发明的实施工艺的过程示意图八

图10：本发明的实施工艺的过程示意图九

图11：本发明的实施工艺的过程示意图十

图12：本发明的实施工艺的过程示意图十一

图13：本发明的实施工艺的过程示意图十二

图14：本发明可制作的金属颗粒的图形形状示意图

图中：1.基底，2.氮化硅薄膜，3.正性光刻胶，4.光刻胶图形孔，5.氮化硅薄膜孔，6.半球形凹槽，7.电镀种子层(铜)，8.负性光刻胶,9.金属颗粒，10.清水，11.超声清洗机，12.容器，13.过滤网，14.掩模版透光区域，15.掩膜版不透光区域，16.半球形金属颗粒示意图。

具体实施方式

以制作铜颗粒为例，但不局限于铜颗粒，也可制作铁、镁、镍、铬等其他种类的金属颗粒。下面结合图示对本发明的具体实施方式作进一步说明：

(一)如图1所示，首先用计算机绘图软件(L-EDIT)绘制出要制作的半球形金属颗粒最大截面图形，然后由石英制版公司转印在石英玻璃上。

(二)如图2所示，选用玻璃作为基底1，采用去离子水清洗，并烘干。

(三)如图3所示，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术，设置炉温400℃、氢气流量5L/min、硅烷流量3mL/min、功率500W，在上述工艺条件下，淀积时间为120min,在玻璃正面上生成一层氮化硅薄膜(2)。

(四)如图4所示，在制备的氮化硅薄膜2上涂一层SU8型正性光刻胶3，然后在匀胶台上先低速(40r/min)旋转9s，然后高速(800r/min)旋转60s，使正性光刻胶3均匀分布在氮化硅薄膜2上，并设置烘胶台温度为65℃，烘干35min。所述的的匀胶台转速、时间和烘干时间根据基底大小的不同和光刻胶的厚度的不同进行调整。所述的正型光刻胶也可选用BP212型。

(五)如图5所示，首先采用图1(a)所示掩膜版安装在曝光机上，与基片对正，使掩膜版的透光区域位于基片中央位置，进行曝光，曝光时间为400s，然后在氢氧化钠(NaOH：水＝6g：1L)显影液中，先静止30s，后晃动1min，然后在去离子水定影液中晃动2min形成金属颗粒底面图形孔4如图，并固化。这里选用的曝光时间根据光刻胶的厚度不同进行适当的延长和缩短，一般以SU8光刻胶为例，300um厚度的光刻胶曝光300-400s，显影30min。500um厚度的光刻胶曝光580-620s，显影50min。根据光刻胶的种类和厚度的不同，可以选择相关的曝光和显影时间参数。

(六)如图6所示，采用薄膜腐蚀技术，将显影后的基片，置入到预先配置好的腐蚀剂溶液中。所述的腐蚀剂为氢氟酸腐蚀剂，其各成分比例为：NH₄F：HF：H₂O＝113g：28mL：170mL腐蚀时间为3min。之后取出基片，用去离子水冲洗干净后烘干。

(七)如图7所示，采用干法刻蚀技术，将基片放入等离子反应刻蚀机RIE中，功率为300W，通入CHF₃气体流量为40cm³/min，压强5Pa，形成半径为1000μm半球形凹槽。然后用去离子水清洗干净后烘干。

(八)如图8所示，将基片放入溅射台，使溅射台在功率为300W，常温，氩气流量为65ml/min条件下，溅射8min，在硅正面生成一层电镀种子层7，这里选用的电镀种子层一般为铜，因为铜对硅片的附着力不大，超声波冲击时容易从基底脱落，便于取出颗粒，但不局限于铜。溅射台的功率、气体流量和溅射时间都可以根据溅射台的不同进行调整。

(九)如图9所示，在制备的电镀种子层7上涂一层SU8负性光刻胶8，然后在匀胶台上先低速(40r/min)旋转9s，然后高速(800r/min)旋转60s，使光刻胶均匀分布在基片上，设置烘胶台温度为65℃，烘干35min。这里选用的匀胶台转速、时间和烘干时间根据基底大小的不同和光刻胶的厚度的不同进行调整。这里选用负胶是为了缩短曝光时间，也可选用正性光刻胶，若采用正胶，则需对硅杯部分光刻胶进行曝光，该部分光刻胶较厚，曝光时间较长。

(十)如图10所示，采用图1(b)所示掩膜版安装在曝光机上，使掩膜版的圆形不透光区与基片半球形凹槽部位对正进行曝光，曝光时间为400s，然后在专用负胶显影液中显影，并在去离子水定影液中晃动2min形成如图10所示，露出半球形凹槽6，并固化。这里选用的曝光时间根据光刻胶的厚度不同进行适当的延长和缩短，根据光刻胶的种类和厚度的不同，可以选择相关的曝光和显影时间参数。图1(b)所示的掩膜版圆孔图形区与图1(a)圆孔图形区相比半径要小2-5微米。

(十一)如图11所示，采用电镀工艺，首先镀前预处理，将基片放置到稀硫酸中，晃动20s，然后开始电镀，将基片作为电镀的阴极，铜块作阳极，分别放置在电镀浴液中，并通入直流电流，进行电镀，生成金属颗粒(9)。这里选用的电镀浴液成分为硫酸铜180g/L、H₂SO₄50g/L和葡萄糖30g/L。

(十二)如图12所示，若步骤(九)采用的是正性光刻胶，可将基片放在装有丙酮溶液的容器，晃动以去除剩余的光刻胶。若为负性光刻胶，可不去除。然后再放入装有纯净水的容器中，采用超声清洗机对其进行超声振动冲击，使金属颗粒脱离电镀种子层7。这里超声波采用中等(20kHZ，4kW/L)强度。

(十三)如图13所示，将基底取出，然后对容器中液体进行过滤得到金属颗粒，再对金属颗粒烘干即可。

附：如需电镀镍可采用电镀液成分如下：

如需电镀铬可采用电镀液成分如下：

Claims (3)

1.半球形金属微颗粒的制备方法，其特征在于：采用光刻、电镀和刻蚀技术制备金属颗粒，具体步骤如下：

S1、首先制备掩膜版，用计算机软件绘制出要制作的半球形金属颗粒最大截面形状，然后转印在石英玻璃或者胶片上，在曝光时使用；

S2、选用玻璃或硅片作为基底，采用去离子水清洗干净，并烘干；

S3、采用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术，在基底上生成一层氮化硅Si₃N₄薄膜；

S4、在制备的氮化硅薄膜上涂一层光刻胶，然后在匀胶台上匀胶，使光刻胶均匀分布在氮化硅薄膜上，并烘干；光刻胶有正性光刻胶和负性光刻胶之分，正性光刻胶是在显影时将被曝光部分光刻胶去除，将未被曝光部分光刻胶保留，负胶相反；根据需要采用正性光刻胶或负性光刻胶；

S5、将涂好光刻胶的基片放置在曝光机上，并与预先制作好的掩膜版对正，然后进行曝光；

S6、通过显影，将金属颗粒图形转移到光刻胶上，然后对基片进行烘烤，以去除显影时所吸收的显影液和残留水分；

S7、将显影后的基片，置入到配置好的腐蚀液中，以去除无光刻胶部分的氮化硅薄膜；

S8、将基片放置到等离子反应刻蚀机中，进行刻蚀，无光刻胶部位得到半球形凹槽；然后用去离子水清洗干净并烘干；所述的刻蚀为各向同刻蚀；

S9、将基片放入溅射台，在基片正面上溅射一层电镀种子层；所述的电镀种子层是为了电镀时半球形凹槽部位能通过该种子层形成电流，从而制备出金属颗粒；

S10、在制备的电镀种子层上涂一层负性光刻胶，然后在匀胶台上匀胶，使光刻胶均匀分布在基片上，并烘干；

S11、将涂好光刻胶的基片放置在曝光机上，并与预先制作好的掩膜版对正，然后进行曝光；

S12、通过显影，将金属颗粒图形转移到光刻胶上，然后对基片进行烘烤，以去除显影时所吸收的显影液和残留水分，并对剩余部分的光刻胶固化；

S13、采用电镀工艺，首先镀前预处理，将基片放置到稀硫酸中清洗；然后开始电镀，将基片作为阴极，金属块作阳极，分别放置在电镀浴液中，并通入直流电流或脉冲直流电流，进行电镀；有光刻胶的部位无变化，无光刻胶部位的种子层上会生长出金属颗粒；

S14、采用等离子刻蚀或去胶液去除基片上的光刻胶，然后放置在装有纯净水的容器中，采用超声清洗机对其进行超声振动冲击，使金属颗粒脱离电镀种子层，从而得到所需的金属颗粒；

S15、将基片取出，然后对容器中液体进行过滤得到金属颗粒，再对金属颗粒烘干即可。

2.根据权利要求1所述的半球形金属微颗粒的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中所采用腐蚀液，选用氢氟酸腐蚀剂，或选用磷酸H₃PO₄；氢氟酸腐蚀剂的配比为NH₄F：HF：H₂O＝3mL：6mL：10mL。

3.根据权利要求1所述的半球形金属微颗粒的制备方法，其特征在于：所述的步骤S8采用湿法腐蚀工艺，得到半球形凹槽。