CN104803344A - 一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法。制备钨电极时，首先在钨基片表面溅射硬掩膜；然后在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；然后将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；然后去除光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法进行钨电极或钨阵列电极的深刻蚀；去除硬掩膜后得到钨电极或钨阵列电极。在深刻蚀制备钨微细电极基础上，结合微细电火花加工特点，本发明能批量加工微米级复杂形状零件，而且并行批量加工的效率与精度均很高，在微细加工领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)工艺、微细电火花加工技术领域，具体涉及一种金属钨电极的制备方法，利用制备出的钨阵列电极可以实现微细电火花并行加工。

背景技术

微细电火花加工技术(micro-EDM)是将常规电火花加工工艺微细化，用于实现微细尺度零件特征加工的特种加工技术。微细电火花技术利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔化和汽化，从而达到蚀除加工的目的。由于加工具有非接触，几乎无切削力，不受材料的强度和硬度限制等特点，微细电火花加工技术特别适合高精度、无变形的微小零件特征加工以及硬脆难加工导电材料的微细加工。因此，微细电火花加工技术已经成为微细制造领域的一个重要方向，并越来越广泛的应用于航空航天、电子信息、模具以及光学和医疗器械中关键零件的加工。

然而，微细电极的制备一直是制约微细电火花技术发展的重要因素。采用传统线电极电火花磨削加工技术(WEDG)，可以制备直径为5到300μm的微细电极。但是，这种利用单电极的串行加工方式效率很低，在电极的独立制备过程中，其一致性难以保证，因此加工精度非常有限。针对上述问题，人们提出微细电火花批量加工技术(Batch mode micro-EDM)，其主要特点是利用阵列电极实现微细电火花并行加工，提高加工效率。其中，电火花线切割技术(WEDM)可以制备方形的阵列电极，但无法实现任意形状的电极加工，因此，该技术应用范围十分有限。而利用光刻技术的LIGA工艺，可以制备出任意形状的阵列电极，另外，同步辐射X射线的应用可以实现高深宽比电镀结构。电镀加工的电极以镍和铜为主，熔点较低；由于电镀工艺自身的限制和电场的非均匀分布，电镀得到的结构其材料特性相比热加工的金属体材料更为疏松，并且难以避免空洞等缺陷。在微细电火花加工过程中，电镀得到的工具电极不仅损耗很大，并且容易发生形变，严重影响加工精度。

发明内容

针对以上微细电火花电极制备技术的问题，本发明提出一种基于等离子体深刻蚀技术(DRIE)制备金属钨电极的微细电火花加工方法，使用深刻蚀加工的电极由光刻进行图形化，可以得到任意形状；电极精度高、批量加工成本低；金属钨熔点高、硬度高、加工过程中损耗很低，电火花加工精度很好。

本发明首先提供一种用于微细电火花加工的金属钨电极，其制备方法如下：

1)在钨基片表面溅射硬掩膜；

2)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；

3)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；

4)去除硬掩膜上的光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法(DRIE)进行钨电极或钨阵列电极的深刻蚀；

5)去除硬掩膜，得到钨电极或钨阵列电极。

进一步地，所述硬掩膜为铝掩膜，此外也可以采用AlN，Cr，Ni，Cu，Ti等材质的硬掩膜。

进一步地，所述光刻胶的厚度满足其对硬掩膜的刻蚀选择比的要求。

进一步地，步骤4)所述等离子体深刻蚀方法采用六氟化硫(SF₆)作为刻蚀气体，钝化气体采用CHF₃或C₄F₈，总流量为50～200sccm，钝化气体占50％-70％，气压≥25mTorr，RF功率≤40W，ICP功率≥1500W，采用的刻蚀速率约为0.5～2μm/min。

本发明还提供基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法，包括如下步骤：

1)将待加工的工件固定在微细电火花加工装置的工作台上，并将该工件浸没在工作液中；

2)将钨电极固定在微细电火花加工装置的主轴头上，通过脉冲电源在钨电极和工件之间施加脉冲电压，当钨电极和工件靠近至一定距离时发生脉冲放电，进而蚀除工件材料，实现钨电极图形到工件的转移。

进一步地，所述脉冲电源的参数为：电压50～200V，电流1.0～5.0A，脉冲宽度1.0～6.0μs。

进一步地，所述钨电极为单个钨电极或者钨阵列电极。当为单个钨电极时，电极上的图形是阵列的，且可以存在多个重复单元，因此也可以实现并行加工。

进一步地，对于钨阵列电极，采用抬刀和冲油的方式，增加工作液的流动以及蚀除产物的排出，提高加工精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)金属钨的熔点达3422℃，是熔点最高的金属，其高温强度在常用金属中也是最高的。此外，如表1所示，在常用电极材料中，金属钨的抗损耗系数也是最高的。因此，在微细电火花加工中，钨电极的损耗和形变都很小，是理想的工具电极材料。

表1 金属钨和其他常用电火花电极材料的特性对比

      

      

2)DRIE深刻蚀技术可以实现圆片级刻蚀，即批量制备工具电极，该并行加工效率高，成本低；并且能够加工各种复杂平面形状的电极以及阵列电极，与传统串行加工简单形状电极相比，具有明显优势。同时，钨阵列电极也可以并行加工工件材料。因此，在整个加工过程中，工具和工件电极均实现并行批量加工，这样极大地提高加工效率，降低生产成本。

3)微细电火花可以加工任何导电材料，如不锈钢，黄铜，铝合金等，然而这些材料几乎都无法通过光刻工艺来加工。因此，在深刻蚀制备钨微细电极基础上，结合微细电火花加工特点，本发明能批量加工微米级复杂形状零件，而且并行批量加工的效率与精度均很高。因此，该技术在微细加工领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是基于钨阵列电极实现微细电火花加工的整体流程示意图。

图2是金属钨基底上溅射金属铝掩膜的示意图。

图3是金属铝掩膜上涂覆光刻胶的示意图。

图4是光刻胶曝光显影的示意图。

图5是RIE刻蚀铝实现图形化的示意图。

图6是DRIE深刻蚀工艺制备钨微细电极的示意图。

图7是利用钨微细电极实现微细电火花加工的示意图。

图8是微细电火花加工结果及钨电极加工前后的对比图。

图中：1—金属钨基底；2—铝掩膜；3—光刻胶；4—钨阵列电极；5—电火花脉冲电源；6—不锈钢工件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

图1为本发明整体方案的工艺流程图，其中左侧是等离子体深刻蚀制备金属钨阵列电极的过程，右侧是钨电极实现微细电火花加工的示意图。具体加工过程如下：

1)等离子体深刻蚀制备金属钨阵列电极。

a.选择厚度为500μm表面抛光的钨基片，并用丙酮、异丙醇和去离子水清洗，然后烘干。

b.由于普通光刻胶对钨的刻蚀选择比较低，难以满足钨电极刻蚀深度的要求，这里采用双层掩膜的方法来实现钨电极的深刻蚀。其中，金属铝作为刻蚀钨的硬掩膜，其对钨的刻蚀选择比约为1：50。因此，在钨基底表面溅射3μm厚铝掩膜(如图2)，可以实现钨电极100μm以上的刻蚀深度。制备硬掩膜时，除溅射外，也可以采用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方法。然后在铝掩膜上涂覆光刻胶(如图3)，作为刻蚀铝的掩膜，光刻胶的厚度满足其对金属铝刻蚀选择比的要求。

c.曝光显影，完成光刻胶的图形化(如图4)；然后光刻胶作为掩膜，采用干法刻蚀金属铝，实现掩膜图形化的转移(如图5)。

d.用丙酮去掉铝掩膜上残留的光刻胶，选择六氟化硫(SF₆)作为刻蚀气体，C₄F₈为钝化气体，利用Plasmalab System 100刻蚀机实现钨电极的DRIE深刻蚀(如图6)，最后去除金属钨表面的Al掩膜。通过设计正交实验，确定金属钨刻蚀的工艺参数，SF₆流量为40sccm，C₄F₈的流量为60sccm，气压25mTorr，RF功率为40W，ICP功率为2000W。

2)利用DRIE制备的钨阵列电极进行微细电火花加工：

a.选择SUS301不锈钢作为工件材料；

b.选用瑞士CHARMILLES公司生产的FORM 20电火花机床，将不锈钢工件固定在可以沿X和Y轴移动的工作台上，然后浸没在工作液中；把钨电极固定在可以沿Z轴移动的主轴头上，在电极和工件之间施加脉冲电压，当两者距离足够近时发生脉冲放电，进而蚀除工件材料，实现钨电极图形到工件的转移。如图7所示，图中4为钨阵列电极，5为电火花脉冲电源，6为不锈钢工件。脉冲电源参数为：电压80V，电流2.0A，脉冲宽度3.0μs。

c.由于阵列电极不像传统单电极可以通过旋转来排屑，这里采用抬刀和冲油的方式，增加工作液的流动以及蚀除产物的排出，提高加工精度。

图8所示为微细电火花加工结果和金属钨电极加工前后对比，其中，不锈钢工件表面粗糙度小于100nm，加工深度为65μm，横向最小尺寸为10μm。而金属钨电极加工前后变化较小，侧壁保持陡直，具有较好的保形性，测量计算得金属钨电极的损耗率低于20％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种金属钨电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在钨基片表面溅射硬掩膜；

2)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；

3)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；

4)去除硬掩膜上的光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法进行钨电极或钨阵列电极的深刻蚀；

5)去除硬掩膜，得到钨电极或钨阵列电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩膜为下列材质的掩膜中的一种：Al，AlN，Cr，Ni，Cu，Ti。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光刻胶的厚度满足其对硬掩膜的刻蚀选择比的要求。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述等离子体深刻蚀方法采用SF₆作为刻蚀气体，钝化气体采用CHF₃或C₄F₈，总流量为50～200sccm，钝化气体占50％-70％，气压≥25mTorr，RF功率≤40W，ICP功率≥1500W，采用的刻蚀速率为0.5～2μm/min。

5.根据权利要求1～4中任一项所述方法制备的金属钨电极。

6.一种微细电火花加工装置，其特征在于，其微细电极采用权利要求1～4中任一项所述方法制备的金属钨电极。

7.一种采用权利要求6所述装置的微细电火花加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将待加工的工件固定在微细电火花加工装置的工作台上，并将该工件浸没在工作液中；

2)将钨电极固定在微细电火花加工装置的主轴头上，通过脉冲电源在钨电极和工件之间施加脉冲电压，当钨电极和工件靠近至一定距离时发生脉冲放电，进而蚀除工件材料，实现钨电极图形到工件的转移。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲电源的参数为：电压50～200V，电流1.0～5.0A，脉冲宽度1.0～6.0μs。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述钨电极为单个钨电极或者钨阵列电极。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，采用抬刀和冲油的方式，增加工作液的流动以及蚀除产物的排出，提高加工精度。