CN107385504A - 基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法 - Google Patents

Abstract

基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法。本发明涉及一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法。所述的主控制系统将控制信号发送给电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统，所述的电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统再将信号反馈给主控制系统。本发明用于基于电化学约束刻蚀的阵列电极。

Description

基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法。

背景技术

约束刻蚀加工技术（ConfinedEtchant Layer Technique，以下简称CELT）是厦门大学田昭武院士提出的具有中国自主知识产权的电化学微纳加工技术，是一种具有距离及时间敏感性、无需掩模、几乎无损的电化学刻蚀加工技术，己经成功在金属、半导体材料表面实现了微纳尺度三维结构加工。将CELT和多维度超精密机械运动机构相结合，基于CELT化学去除的方式，已成功地实现了微纳米尺度的加工。

以其它物理量进行微纳尺度加工的技术，其加工精度往往极大地依赖或完全取决于辅助的机械运动系统，例如超精密车床等。对于越来越复杂的三维微结构加工，必然会使辅助的机械运动系统进一步复杂化，此时的机械系统的刚度、重复定位精度、线性度等重要指标必然会受到极大的限制。这一结果严重制约了微纳尺度微结构加工的精度及复杂性。

由于CELT加工基理，不仅敏感于空间位置，同时也敏感于“时间”、“电流”等其它物理量。它的这种具有“时-空”、“电-空”转换的独有特性，使得它可以在“简单的辅助械机系统中”，可以实现复杂的精密三维微纳尺度的加工。实现这一技术发明不仅对于突破国外在相关领域对我国的技术封锁有着十分重要的意义，而且可望取得巨大的社会经济效益。

CELT已经成功地用于铜、镍、Ti6Al4V、硅和砷化镓等基底表面的三维微纳结构的加工，具有如下显著的技术优势：CELT 对距离及时间敏感，加工结果不受工件表面初始粗糙度的影响；CELT 本质上是一种化学刻蚀技术，能对柔性材料、易碎材料、硬质材料进行刻蚀；相比精密机械加工技术和纳米压印技术，CELT 的模板与工件之间没有直接的接触，加工过程中没有热效应，且模板和工件没有机械损伤；相比能量束刻蚀技术，CELT可以避免对工件材料表层及亚表层的破坏和损伤；电极材料在加工中几乎没有消耗。近年来在CELT仪器、原理和方法上都取得了持续的进展。

自2009年以来，厦门大学田中群院士团队和哈尔滨工业大学董申教授团队，组建了跨学科的电化学微纳米加工联合攻关课题组，将化学学科和机械学科紧密结合，从CELT的基本原理出发，致力于发展超光滑表面加工新方法，即在超光滑的电极表面，由溶液中的约束剂将电化学产生的化学刻蚀剂液层压缩至纳米尺度，当刻蚀剂液层与被加工的材料表面接触后即发生化学刻蚀反应，通过电极和被加工表面的相对运动，拟实现大尺度、无机械接触的约束刻蚀加工。

在实际应用中，点形电极控制比较方便，但刻蚀加工效率极低，一般只在刻蚀实验中应用；线形及面形电极，相对于点形电极，虽然刻蚀加工效率得到了很大的提高，但由于电极相对于材料样品表面要有严格的平行度要求，所以存在较大的应用困难；同时由于电极距离被加工材料距离很近，溶液薄层内物质传递相对比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极及其加工方法，能以多个最小加工单位的“点”，在空间上有序精密排列（类似液晶显示器的结构），以克服现有实现CELT刻蚀单电极加工技术系统中，加工效率低、平面度调整困难、机械系统复杂造成的加工精度限制及无法实现复杂精密三级微结构加工的问题。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极，其组成包括主控制系统，所述的主控制系统将控制信号发送给电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统，所述的电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统再将信号反馈给主控制系统。

所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极，所述的阵列电极（1）包括多个单元电极，每个单元电极均对应一个模拟开关，每个电极的大小及形态，需要均匀一致。

所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极的其加工方法，通过以下步骤实现：

步骤一：将样品（10）摆放在化学工作台（2）上并进行初步机械手动调平；

步骤二：操作主控制系统向运动控制系统中的C轴（6）、Y轴（7）与X轴（8）发送运动控制信号，进行加工开始前的定位动作；

步骤三：操作主控制系统向运动控制系统中的Z1粗动（3）与Z2微动（4）运动控制信号，进行阵列电极（1）微力传感器（5）对样品（10）的逼近寻零动作； 通常Z2微动的移动范围为Z1粗动重复定位精度的10倍： 50-100微米；本步骤的逼近寻零与原子力显微镜的逼近寻零过程相同。

步骤四：在进行完步骤二与步骤三的加工准备后，操作主控制系统通过阵列电极控制，对阵列电极（1）的每个电极施加预先编制好的不同加工时间来控制该极的加工深度，由此实现可编程的三维加工；

步骤五：加工完成后进行每个横向或纵向M与每个纵向或横向N的位置步进调整，循环往复直到所有横向或纵向M与纵向或横向N个位置全部进行完毕。

步骤六：电化学工作站对样品（10）进行在线扫描检测；

步骤七：样品（10）扫描完成后，修正数据，再以修整后的数据重复上述加工过程直至达到加工精度。

有益效果：

1.本发明能有效地改善约束刻蚀加工过程中刻蚀剂传质的影响，能够保证加工效率。并可实现可编程的三维结构刻蚀加工。

2.本发明的阵列电极的引用，主要基于最小加工单位“点电极”的概念，以“点电极”的精密阵列有序排列（它决定了刻蚀加工的二维平面分辩力与尺寸精度，可后期在线校准），以简化系统的复杂性。并以阵列电极控制的“时-空”、“电-空”等控制方式，精密控制刻蚀深度，辅以必要的机械运动，实现复杂的三维微结构加工。

3.本发明的阵列电极控制的实现方式，根据阵列的规模，可分为简单的器件设计方式，即为由分立及集成电子元器件实现，可以在大规模阵列控制中，制作专门的控制器件来实现。

4.本发明利用平坦阵列电极，只需控制加工时间，不需要控制电极的空间运动，就能加工出多种形状的微结构，这是目前其他加工方式难以做到的。

附图说明：

附图1是本发明的信号流程示意图。

附图2是本发明的结构示意图

附图3是本发明的一种模拟开关电路原理图。

附图4是本发明的另一种模拟开关电路原理图。

附图5是本发明电极加工的M型微结构。

附图6是本发明电极加工的M型微结构检测图。

附图7是本发明电极加工的阶梯型微结构

附图8是本发明电极加工的阶梯型微结构检测图

附图9是本发明电极加工的下凹型微结构。

附图10是本发明电极加工的下凹型微结构检测图。

附图11是本发明电极加工的下凸型微结构。

附图12是本发明电极加工的下凸型微结构检测图

附图13是本发明的电极叠加结构示意图。

附图14是本发明M*N的详解图。

具体实施方式：

实施例1

一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极，其组成包括主控制系统，所述的主控制系统将控制信号发送给电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统，所述的电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统再将信号反馈给主控制系统。

所述的阵列电极控制控制阵列电极1与化学工作台2，所述的运动控制系统控制Z1粗动3、Z2微动4、微力传感器5、C轴6、Y轴7与X轴8；

所述的阵列电极1的上端通过支杆9连接Z2微动4，所述的支杆9上设置微力传感器5，所述的Z2微动4设置在Z1粗动3上，所述的Z1粗动3在龙门机架11的上端横梁上运动；

所述的化学工作台2的顶面放置样品10，所述的化学工作台2的底面设置在C轴6上，所述的C轴6设置在Y轴7上，所述的Y轴7设置在X轴8上。

所述的龙门机架11的材质选取温度变化较小的材质比如大理石。

其中Z1粗动、Z2微动、C轴、Y轴与X轴均为机电一体化专业术语，行业内均知。

实施例2

实施例1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极，所述的阵列电极1包括多个单元电极，每个单元电极均对应一个模拟开关，每个电极的大小及形态，需要均匀一致。

其绝对的大小，如同点阵液晶屏的原理一样，与实际应用中所需的加工面积与分辨率有关。

它决定了刻蚀加工的二维平面分辩力与尺寸精度。

图3所示，所述的模拟开关包括电阻R1，所述的电阻R1连接三极管Q1的基极b，所述的三极管Q1的发射极e连接电源，

所述的三极管Q1的集电极c连接三极管Q2的集电极c，所述的三极管Q1的发射极e连接电极，所述的三极管Q2的基极b连接电阻R2，

所述的电阻R2连接控制行X轴，

所述的电阻R1连接控制列Y轴；

每行所述的电阻R2均成并联状态，

每列所述的电阻R1均成并联状态。

图4所示，所述的模拟开关为八个U1，所述的模拟开关U1的3号引脚分别连接在模拟开关U0的Y7-Y0引脚上，

八个所述的模拟开关U1的11号引脚均相连后连接逻辑信号C3，

八个所述的模拟开关U1的10号引脚均相连后连接逻辑信号C4，

八个所述的模拟开关U1的9号引脚均相连后连接逻辑信号C5，

八个所述的模拟开关U1的16号引脚相连后连接工作电压VCC，

每个所述的模拟开关U1的6号引脚、7号引脚与8号引脚相连后在连接其余七个模拟开关U1的8号引脚，

所述的模拟开关U0的3号引脚连接电化学电源VDD，

所述的模拟开关U0的16号引脚连接工作电压VCC，

所述的模拟开关U0的11号引脚连接逻辑信号C0，

所述的模拟开关U0的10号引脚连接逻辑信号C1，

所述的模拟开关U0的9号引脚连接逻辑信号C2，

所述的模拟开关U0的6号引脚连接模拟开关U0的7号引脚、模拟开关U0的8号引脚与接地端。

--例如图2，三极管是开关作用8线控制16个点

工作电压在2v左右，低电压。

实施例3

实施例1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极的其加工方法，通过以下步骤实现：

步骤一：将样品10摆放在化学工作台2上并进行初步机械手动调平；

步骤二：操作主控制系统向运动控制系统中的C轴6、Y轴7与X轴8发送运动控制信号，进行加工开始前的定位动作；

步骤三：操作主控制系统向运动控制系统中的Z1粗动3与Z2微动4发送运动控制信号，进行阵列电极1微力传感器5对样品10的逼近寻零动作； 通常Z2微动的移动范围为Z1粗动重复定位精度的10倍：50-100微米；本步骤的逼近寻零与原子力显微镜的逼近寻零过程相同。

步骤四：在进行完步骤二与步骤三的加工准备后，操作主控制系统通过阵列电极控制模拟开关，对阵列电极1的每个电极施加预先编制好的不同加工时间来控制该电极的加工深度，由此实现可编程的三维加工；

步骤五：加工完成后进行每个横向或纵向M与每个纵向或横向N的位置步进调整，循环往复直到所有横向或纵向M与纵向或横向N个位置全部进行完毕。

其中M与N为电极尺寸的倍数，是整体加工的二维范围。

步骤六：电化学工作站对样品10进行在线扫描检测；

步骤七：样品10扫描完成后，修正数据，再以修整后的数据重复上述加工过程直至达到加工精度。其中将一个X*Y尺寸的加工范围，按7阵列电极的微观二维尺度，分解为N*M个区域以5点极阵列电极为最小尺度单元，并能整除，之后将加工的形貌数据，按位置存放于M*N个5元素一维矩阵中。M与N为精密运动系统的调整步进。在对应的每个步进中。

结构架体提供系统的基本结构及运动系统的定位基础；主控制系统控制所有运行过程；运动控制系统主要是控制精密定位运动系统的动作；精密定位运动系统为系统提供样品逼近及精密定位运动等精密动作；电学化工作站提供电学化所需的电信号输入输出；阵列电极控制，实现主控制对阵列电极的具体控制；阵列电极7实现电化学的刻蚀加工；电化学工作台提供电化学加工平台，以承载被加工样品。

实施例4

图5-图11，实施例1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极，实验得出电极加工的四种微结构及每种微结构的检测图。

实施例5

实施例1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极，四种被加工出来的微结构的实验数据如下表所示：

表1矩形阵列电极加工参数与检测结果

矩形阵列电极加工的实验参数，得到刻蚀结果记录表中。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于电化学约束刻蚀的阵列电极，其特征是：其组成包括主控制系统，所述的主控制系统将控制信号发送给电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统，所述的电化学工作站、阵列电极控制与运动控制系统再将信号反馈给主控制系统。

2.根据权利要求1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极，其特征是：所述的阵列电极（1）包括多个单元电极，每个单元电极均对应一个模拟开关，每个电极的大小及形态，需要均匀一致。

3.根据权利要求1所述的基于电化学约束刻蚀的阵列电极的其加工方法，其特征是：通过以下步骤实现：

步骤一：将样品（10）摆放在化学工作台（2）上并进行初步机械手动调平；

步骤二：操作主控制系统向运动控制系统中的C轴（6）、Y轴（7）与X轴（8）发送运动控制信号，进行加工开始前的定位动作；

步骤三：操作主控制系统向运动控制系统中的Z1粗动（3）与Z2微动（4）发送运动控制信号，进行阵列电极（1）微力传感器（5）对样品（10）的逼近寻零动作；通常Z2微动的移动范围为Z1粗动重复定位精度的10倍： 50-100微米；本步骤的逼近寻零与原子力显微镜的逼近寻零过程相同。

步骤四：在进行完步骤二与步骤三的加工准备后，操作主控制系统通过阵列电极控制，对阵列电极（1）的每个电极施加预先编制好的不同加工时间来控制该电极的加工深度，由此实现可编程的三维加工；

步骤五：加工完成后进行每个横向或纵向M与每个纵向或横向N的位置步进调整，循环往复直到所有横向或纵向M与纵向或横向N个位置全部进行完毕。

步骤六：电化学工作站对样品（10）进行在线扫描检测；

步骤七：样品（10）扫描完成后，修正数据，再以修整后的数据重复上述加工过程直至达到加工精度。