CN108893771A - 一种正多边形柱体阳极及电沉积制备大面积金属微结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种正多边形柱体阳极及电沉积制备大面积金属微结构的方法，正多边形柱体阳极由横截面为正多边形的柱体阳极和带镂空图案阵列的电绝缘掩膜构成。采用正多边形柱体阳极在槽液中电沉积制备大面积金属微结构的方法包括，先将正多边形柱体阳极紧密贴合导电基底上方，使电解液液面仅能浸没正多边形柱体阳极最下方的掩膜镂空图案阵列；然后，电沉积电源正极接正多边形柱体阳极，负极接导电基底，在电化学作用下，导电基底上电沉积出复制于掩膜镂空图案阵列的微结构阵列；通过顺时针或逆时针旋转正多边形柱体阳极，在不同位置获得多列复制于不同掩膜表面的微结构阵列，从而实现对大面积金属微结构的模块化成型。

Description

一种正多边形柱体阳极及电沉积制备大面积金属微结构的 方法

技术领域

本发明属于电化学加工技术领域，涉及一种正多边形柱阳极及制备金属微结构的方法，尤其涉及采用正多边形柱体阳极电沉积制备大面积金属微结构的方法。

背景技术

在高清平板显示、高效太阳能电池板、LED图形化、晶圆级微纳光学器件等领域，随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展，对于大面积微结构阵列有着非常巨大的产业需求。这些产品其共同特征是需要在大尺寸基材或者基底上高效、低成本制造出大面积复杂微结构阵列。但是，现有的微纳米制造技术（诸如电子束光刻、光学光刻、激光干涉光刻、全息光刻、自组装等）无论在技术层面（非平整衬底大面积微纳图形化、复杂微纳结构制造），还是在图形化的生产成本、效率、一致性、良品率等方面都还难以满足工业级规模化生产的实际要求。

相比而言，电化学沉积加工技术具有适用材料广、低温成型、易于控性控形、不受尺寸限制等优点，受到业界的广泛关注。目前，已发展出掩膜电沉积、即膜沉积、electrochemical fabrication （EFAB）、局域生长电沉积等技术类型。其中，掩膜电沉积借助于高精度的电绝缘掩膜，能实现微细金属结构高效率的定域性沉积，已成为高品质或特殊金属微结构特征的优选工艺技术。然而，掩膜电沉积工艺在应用到大面积金属微细特征成型时，通常会采取在槽液中立式悬挂阴极与大面积阴极掩膜的方式进行生产，不仅制膜工艺流程复杂，生产设备技术要求严苛，成本高，而且难以保证大面积范围内掩膜厚度的均匀一致，从而影响微结构的成型质量。尽管如此，广大科研技术人员依然竭尽所能，尝试采取超声搅拌、磁致对流、离心法等方法强化液相传质效果，或设置辅助阴极、应用阵列式阳极等措施提高电流密度分布的均匀性，但制备金属微结构的效果大都不理想，工艺稳定性有待提高。为此，亟待开发一种更为有效地装置或工作方法，以实现大面积金属微细结构的成型。

发明内容

本发明专利的目的是提出一种新型正多边形柱体阳极，并采用该结构实现电沉积制备大面积金属微结构的方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种正多边形柱体阳极，其特征在于：包括正多边形柱体阳极和掩膜；所述的掩膜设有镂空图案阵列；所述的掩膜紧密贴合在正多变形柱体阳极的表面上；所述的正多变形柱体阳极可绕其中心轴线作旋转运动。

所述的正多边形柱体阳极的边数N为4～8，优选为6，即正六边形柱体阳极。

所述的正多边形柱体阳极的边长为5~20mm，具体边长依据生产规模和效率而定。

所述的正多边形柱体阳极的材质为钛或铂金属，为不溶性金属阳极。

所述的掩膜的材质为耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料，优选为光刻胶。

所述的掩膜的厚度为0.01~0.3mm。

一种电沉积制备大面积金属微结构的方法，它包含以下步骤：

S1、将导电基底水平置于电解液槽中，把正多边形柱体阳极置于导电基底上，并使正多边形柱体阳极的一面与导电基底平行且接触；

S2、向电解液槽中填充电解液，使电解液的液面高于导电基底的表面0.5~1mm；

S3、将电沉积电源的正极与正多边形柱体阳极相连接，电沉积电源的负极与导电基底相连接，并启动电沉积电源开始电沉积，在正多边形柱体阳极的位置状态不变的情况下停留1~3分钟，进而在导电基底上形成微结构阵列；

S4、沿导电基底表面把正多边形柱体阳极顺时针旋转360/N度，使正多边形柱体阳极的另一面紧密贴合于导电基底的表面上，在正多边形柱体阳极的位置状态不变的情况下停留1~3分钟；

S5、重复步骤S4，直到正多边形柱体阳极的所有面都与导电基底紧密贴合过；

S6、沿导电基底表面把正多边形柱体阳极逆时针旋转360/N度，使正多边形柱体阳极的另一面紧密贴合于导电基底的表面上，在正多边形柱体阳极的位置状态不变的情况下停留1~3分钟；

S7、重复步骤S6，直到正多边形柱体阳极的所有面都与导电基底紧密贴合过；

S8、重复步骤S4、S5、S6和S7，当导电基底上的微结构阵列的高度达到要求值时，关闭电沉积电源，结束所有操作。

基于本发明正多边形柱体阳极制备大面积金属微结构的工作原理和实施过程如下。

首先调整电沉积装置的初始位置，将导电基底水平置于电解液槽中，把正多边形柱体阳极置于导电基底上，并使正多边形柱体阳极的一面与导电基底平行且接触。向电解液槽中填充电解液，使电解液的液面能浸没正多边形柱体阳极最下方的掩膜，而其他表面的掩膜不与电解液接触。然后将电沉积电源的正极与正多边形柱体阳极相连接，电沉积电源的负极与导电基底相连接，并启动电沉积电源开始电沉积，在正多边形柱体阳极的位置状态不变的情况下停留一段时间，进而在导电基底上发生电化学反应，形成复制于下方掩膜镂空图案阵列的微结构阵列。接着沿导电基底表面把正多边形柱体阳极顺时针或逆时针方向旋转一定角度，使正多边形柱体阳极的另一面紧密贴合于导电基底表面，在正多边形柱体阳极的位置状态不变的情况下停留一段时间，电沉积出另一面掩膜镂空图案阵列对应的微结构阵列；继续顺时针或逆时针旋转正多边形阳极，直到正多边形柱体阳极的所有面都与导电基底紧密贴合过。如此，反复转动正多边形柱体阳极，利用多个表面掩膜结构，重复间断地电沉积出金属微结构阵列，从而实现大面积的模块化金属微结构的电沉积成型。当微结构阵列的高度达到要求值时，关闭电沉积电源，结束所有操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.适用于大面积表面微结构成型

目前，采用掩膜电沉积工艺进行大面积金属微细特征成型时，需要在大平面导电基底表面制备大的阴极掩膜，并匹配大面积阳极进行生产，不仅制膜工艺复杂，生产设备价格不菲，成本高，而且难以保证掩膜厚度和电场分布的均匀一致，从而影响微结构的成型品质。本发明中，为实现大面积范围内的微结构电沉积成型，采用尺寸远小于导电基底的正多边形柱体阳极，即掩膜尺寸大小与导电基底之间无必然联系，不受基底尺寸的限制。通过柱体阳极沿导电基底表面的顺时针或逆时针方向旋转运动，就能实现大面积范围内的微细结构成型。因此，采用本发明的正多边形柱体阳极能够极大减少掩膜和阳极的尺寸面积，降低制造成本，同时，本发明易于自动控制，工艺操作便捷，特别适用于大面积表面的微结构成型。

2.沉积微结构定域性好，一致性高

电沉积过程中，正多边形柱体阳极紧密贴近基底表面，被电解液浸没的柱体阳极与基底之间形成微细电场，受到电绝缘掩膜的屏蔽作用，不存在杂散电流，有效限制了电沉积区域和成型方向，电沉积定域性好，形成的金属微结构能够高精度的复制掩膜形状。而且，正多边形柱体阳极在做周期性旋转运动时，间断作用于沉积层表面，更新掩膜镂空图案阵列内的电解液，降低金属层表面由电沉积反应而产生的金属离子浓差变化，提高微结构表面质量和沉积均匀性。

3. 批量制备多型微细金属结构

掩膜电沉积生产中，制备大面积平铺式掩膜不仅制作周期长，工艺复杂，而且掩膜一旦制备，仅能用于单一图案成型，不能重复使用，造成了工艺成本的浪费。本发明中，将不同的掩膜结构特征分布在柱体阳极的多边形表面上，且单个表面能够设置多列微结构掩膜，能电沉积复制于不同掩膜表面的微结构阵列，而且通过设定正多边形柱体阳极旋转角度、方向和间隔周期，实现不同掩膜表面图案之间的任意组合，扩展掩膜应用场合，显著提高掩膜的利用率，节省成本，适用于批量制备多型微细金属结构阵列。

附图说明

图1是本发明采用正多边形柱体阳极电沉积制备大面积金属微结构方法的截面图。

图2是本发明采用正多边形柱体阳极顺时针旋转电沉积制备金属微结构的工作位置示意图。

图3是本发明采用正多边形柱体阳极逆时针旋转电沉积制备金属微结构的工作位置示意图。

图4是本发明采用正多边形柱体阳极电沉积制备大面积金属微结构方法的工作示意图。

图中标号及名称。

1、电解液，2、微结构阵列，3、导电基底，4、镂空图案阵列，5、掩膜，6、柱体阳极，7、电沉积电源，8、电解液槽。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一：本发明所述的正多边形柱体阳极由边长为5mm正六边形的柱体阳极6和带镂空图案阵列4的掩膜5构成。由光刻胶制成的厚度为0.3mm的掩膜5包裹在材质为铂的柱体阳极6外表面，不同掩膜平面上的镂空图案阵列4的形状和大小并不完全相同（参见图4）。由数控装置驱动的正多变形柱体阳极6可绕其中心轴线作旋转运动和水平移动。

采用正多边形柱体阳极电沉积制备大面积图形化金属结构的工作方法如下。

工作方法一：先将导电基底3水平放置于电解液槽8中，使正多边形柱体阳极6的a1表面平行紧密贴在导电基底3。然后向电解液槽8中填充电解液，使电解液液面高出导电基底3上表面约0.4mm，并保持液面稳定。正多边形柱体阳极6最下方的a1表面浸没在电解液中，而其他表面（a2、a3、a4、a5和a6）内的掩膜镂空图案阵列未浸没在电解液中。接着开启电沉积电源7，柱体阳极6和基底3分别与电沉积电源7正负极接通，正多边形柱体阳极6相对于导电基底3的位置保持不变，经过下方掩膜上的镂空图案阵列4形成电场，发生电沉积反应，1分钟以后，在导电基底上形成单列金属微结构阵列2。然后沿导电基底表面驱动正多边形柱体阳极顺时针旋转60°（参见图2），使正多边形柱体阳极的a2表面平行贴在导电基底3上。正多边形柱体阳极6相对于导电基底3的位置保持不变，电解液浸没a2表面，在柱体阳极6和导电基底3之间发生电沉积反应，1分钟后形成与a2表面对应的单列金属微结构。此后多边形柱体阳极6间断地重复顺时针旋转60°，使a3、a4、a5和a6表面依次紧贴于导电基底表面，获得多列微细金属结构。接着，多边形柱体阳极6间断地逆时针方向旋转60°（参见图3），使a6、a5、a4、a3、a2和a1表面依次紧贴于导电基底，电沉积约1分钟，使金属微结构的高度进一步增加。如此反复，直到导电基底上的微结构阵列的高度达到要求值时，关闭电沉积电源7，结束所有操作。

工作方法二： 先将导电基底3水平放置于电解液槽8中，使正多边形柱体阳极6的a1表面平行紧密贴在导电基底3。然后向电解液槽8中填充电解液，使电解液液面高出导电基底3上表面约0.4mm，并保持液面稳定。正多边形柱体阳极6最下方的a1表面浸没在电解液中，而其他表面（a2、a3、a4、a5和a6）内的掩膜镂空图案阵列未浸没在电解液中。接着开启电沉积电源7，柱体阳极6和基底3分别与电沉积电源7正负极接通，正多边形柱体阳极6相对于导电基底3的位置保持不变，经过下方掩膜上的镂空图案阵列4形成电场，发生电沉积反应，1分钟以后，在导电基底3上形成单列金属微结构阵列2。然后沿导电基底表面驱动正多边形柱体阳极逆时针旋转120°，使正多边形柱体阳极的a3表面平行贴在导电基底3上，正多边形柱体阳极6相对于导电基底3的位置保持不变，电解液浸没a3表面，在柱体阳极和导电基底之间发生电沉积反应，1分钟后形成与a3表面对应的单列金属微结构。多边形柱体阳极6间断地重复逆时针旋转120°，使a5、a1、和a3表面依次紧贴于导电基底表面，获得多列微细金属结构。接着，多边形柱体阳极6间断地重复顺时针方向旋转120°，使a1、a3、a5表面依次紧贴于导电基底，电沉积约1分钟，使金属微结构的高度进一步增加。如此反复，直到导电基底上的微结构阵列的高度达到要求值时，关闭电沉积电源7，结束所有操作。鉴于多边形柱体阳极的旋转角度和旋转次序不同，工作方法二获得的金属微结构与工作方法一的金属微结构并不相同。

本发明的保护范围并不限于上述描述的实施方案。在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变化均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种正多边形柱体阳极，其特征在于：包括正多边形柱体阳极（6）和掩膜（5）；所述的掩膜（5）设有镂空图案阵列（4）；所述的掩膜（5）紧密贴合在正多变形柱体阳极（6）的表面上；所述的正多变形柱体阳极（6）可绕其中心轴线作旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种正多边形柱体阳极，其特征在于：所述的正多边形柱体阳极（6）的边数N为4～8。

3.根据权利要求1所述的一种正多边形柱体阳极，其特征在于：所述的正多边形柱体阳极（6）的边长为5~20mm。

4.根据权利要求1所述的一种正多边形柱体阳极，其特征在于：所述的正多边形柱体阳极（6）的材质为钛或铂金属。

5.根据权利要求1所述的一种正多边形柱体阳极，其特征在于：所述的掩膜（5）的材质为耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料。

6.根据权利要求1所述的一种正多边形柱体阳极，其特征在于：所述的掩膜（5）的厚度为0.01~0.3mm。

7.一种电沉积制备大面积金属微结构的方法，其特征在于：包含以下步骤：

S1、将导电基底（3）水平置于电解液槽（8）中，把正多边形柱体阳极（6）置于导电基底（3）上，并使正多边形柱体阳极（6）的一面与导电基底（3）平行且接触；

S2、向电解液槽（8）中填充电解液（1），使电解液（1）的液面高于导电基底（3）的表面0.5~1mm；

S3、将电沉积电源（7）的正极与正多边形柱体阳极（6）相连接，电沉积电源（7）的负极与导电基底（3）相连接，并启动电沉积电源（7）开始电沉积，在正多边形柱体阳极（6）的位置状态不变的情况下停留1~3分钟，进而在导电基底（3）上形成微结构阵列（2）；

S4、沿导电基底（3）表面把正多边形柱体阳极（6）顺时针旋转360/N度，使正多边形柱体阳极（6）的另一面紧密贴合于导电基底（3）的表面上，在正多边形柱体阳极（6）的位置状态不变的情况下停留1~3分钟；

S5、重复步骤S4，直到正多边形柱体阳极（6）的所有面都与导电基底（3）紧密贴合过；

S6、沿导电基底（3）表面把正多边形柱体阳极（6）逆时针旋转360/N度，使正多边形柱体阳极（6）的另一面紧密贴合于导电基底（3）的表面上，在正多边形柱体阳极（6）的位置状态不变的情况下停留1~3分钟；

S7、重复步骤S6，直到正多边形柱体阳极（6）的所有面都与导电基底（3）紧密贴合过；

S8、重复步骤S4、S5、S6和S7，当导电基底（3）上的微结构阵列（2）的高度达到要求值时，关闭电沉积电源（7），结束所有操作。