CN110607538A - 一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法 - Google Patents

一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法，包括如下步骤：1)在无氧铜基底上涂覆光刻胶，经光刻，得具有光刻胶图形的无氧铜基底；2)在所述具有光刻胶图形的无氧铜基底上微电铸一层铜；3)去除微电铸后得到的结构中的光刻胶；4)重复步骤1)‑3)一次以上，得所述真空器件用的全金属结构；其中，所述微电铸的条件包括：微电铸的电铸液中，铜离子含量为18‑25g/L，硫酸含量为170‑220g/L，氯离子含量为50‑70mg/L。该方法解决了太赫兹频段的真空电子器件中，对于图形复杂的金属结构只能通过对准，组装焊接各零件的方式形成而精度差且繁琐耗时耗人工的问题。

Description

一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法
技术领域
本发明涉及真空电子器件领域。更具体地，涉及一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法。
背景技术
太赫兹真空器件具有功率大、频带宽等优点，在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面得到了广泛应用。随着频率的提高，太赫兹真空器件的零部件尺寸已经达到几十微米量级，同时为了减小传输损耗，要求结构表面粗糙度在几十到几百纳米量级，这给研制带来种种困难，特别是太赫兹行波管中采用的电子和电磁场的互作用电路、衰减器和输能耦合系统的加工制造更是如此。电子和地磁场的互作用电路是太赫兹行波管的重要部件之一。为了使行波管能稳定工作，并提供良好的电性能参数，良好的散热，互作用电路必须是全铜结构，能耐高温、耐电子轰击，尺寸精度高，表面光洁度高，传输损耗小等特点，而且还应该具有足够的结构强度和真空密封性能。
然而，由于太赫兹频段的真空电子器件的尺寸已经到达微米量级，表面光洁度在纳米量级，对于图形复杂的金属结构，目前的技术方案是对准，组装焊接各零件，形成图形复杂的结构，这种方法不但繁琐耗时耗人工，因为操作人员在显微镜下对准，重复性差，对准精度有限，而且在焊接时容易改变零件的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法，以解决太赫兹频段的真空电子器件中，对于图形复杂的金属结构只能通过对准，组装焊接各零件的方式形成而精度差且繁琐耗时耗人工的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在无氧铜基底上涂覆光刻胶，经光刻，得具有光刻胶图形的无氧铜基底；
2)在所述具有光刻胶图形的无氧铜基底上微电铸一层铜；
3)去除微电铸后得到的结构中的光刻胶；
4)重复步骤1)-3)一次以上，得所述真空器件用的全金属结构；
其中，所述微电铸的条件包括：微电铸的电铸液中，铜离子含量为18-25g/L，硫酸含量为170-220g/L，氯离子含量为50-70mg/L。
上述加工方法中，在去除微电铸后得到的结构中的光刻胶后，还可以根据实际需要，选择是否切割外形，以获得所需全金属结构。
本发明的加工方法中，采用多层加工逐层电铸的方式形成了图形复杂的金属结构，进一步地，采用特定的微电铸条件，在该微电铸条件下，可使得得到的电铸层晶粒排列紧密，晶粒细小，可达到194nm以下，进而使得得到的图形复杂的金属结构中，各层结构间结合紧密，得到的结构强度高、尺寸精度高。
进一步地，所述微电铸的温度为20-40℃，阳极电流密度0.5-1.5A/dm2。
进一步地，所述微电铸采用的波为脉冲波形。
进一步地，所述微电铸的频率为500Hz-5KHz。
进一步地，所述无氧铜基底表面粗糙度Ra为2nm-50nm。其中，可通过研磨抛光来控制无氧铜基底的表面粗糙度。
为了便于加工，无氧铜基底的形状可为圆柱形，厚度为5-10mm，直径为3英寸或4英寸。
在不同的光刻步骤中，可以根据实际形状需要，选择不同形状的掩膜板。
进一步地，所述光刻胶可为AZ系列，SU8系列的光刻胶。可以理解，当光刻胶为正光刻胶时，经曝光、显影后得到的光刻胶图案与掩膜板的形状相同；当光刻胶为负光刻胶时，经曝光、显影后得到的光刻胶图案与掩膜板的形状互补。
进一步地，在不同的微电铸步骤中，微电铸形成的铜层的形状、厚度相同或不同。具体可根据实际需要的形状来定。
进一步地，所述光刻包括前烘、曝光、后烘、显影。
进一步地，所述前烘的温度为95-130℃，时间为0-20小时。
进一步地，所述后烘的温度为50-95℃，时间为0.5-4小时。
进一步地，步骤2)中，电铸上的铜层的厚度与光刻胶图形的厚度相同。
进一步地，步骤2)中，还包括对微电铸的铜层表面进行研磨抛光的步骤，通过抛光研磨获得实际需要的铜层的厚度，同时可控制铜层表面粗糙度Ra为2nm-50nm。
进一步地，步骤1)中，在无氧铜基底上涂覆的光刻胶的厚度为0-1000μm，优选为0.1-1000μm。
进一步地，所述全金属结构为电磁波与电子注互作用电路。
本发明的有益效果如下：
本发明的多层加工方法可以得到图形复杂的金属结构，以省去零件间的组装，对准和焊接，大大提高复杂金属结构的尺寸精度，另外，该金属结构又有足够的机械强度和真空密封性，表面光洁度高，满足太赫兹行波管器件的应用需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1中太赫兹真空器件用的折叠波导的结构示意图。
图2示出本发明实施例1制备得到的真空器件用的折叠波导结构的剖面图。
图3示出无氧铜基底上涂敷一层光刻胶后的样品。
图4示出经光刻工艺后在无氧铜基底上形成的光刻胶图形。
图5示出经微电铸后形成的样品。
图6示出经研磨抛光后形成的样品。
图7示出在样品上涂敷一层光刻胶后的样品。
图8示出经光刻工艺后在样品上形成的光刻胶图形。
图9示出经二次工艺循环后形成的样品(形成电子注通导)。
图10示出在样品上涂敷一层光刻胶后的样品。
图11示出经光刻工艺后在样品上形成的光刻胶图形。
图12示出经三次工艺循环后形成的样品(形成第二次折叠波导结构)。
图13示出微电铸一层铜后的样品。
图14示出本发明实施例制备得到的真空器件用的多层折叠波导结构。
图15示出实施例1步骤f第一次光刻电铸完成后的显微镜照片(a)及放大图(b)。
图16示出实施例1步骤j第二次光刻电铸完成后的显微镜照片(a)及放大图(b)。
图17示出实施例1步骤q去除光刻胶后的互作用电路的显微镜照片。
图18示出含有输能窗的互作用电路的测试装置。
图19示出含有输能窗的互作用电路驻波系数测试结果，在335-345GHz频段内驻波系数≤1.67。
图20示出对比例1胶膜图形周围的电铸层有凹陷的显微镜照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种真空器件用的全金属结构(结构示意图如图1所示，结构剖面图示意图如图2所示)的多层加工方法，包括如下步骤：
a.无氧铜片，厚度为5～10mm，直径为3英寸或4英寸；
b.对无氧铜片进行研磨抛光，无氧铜片表面粗糙度Ra在2nm～50nm之间；
c.在无氧铜1表面涂覆一层光刻胶3，光刻胶厚度为600μm，如图3所示；
d.对光刻胶3进行前烘，曝光，后烘，显影，在无氧铜1片上形成光刻胶图形3-1，如图4所示，前烘温度105℃，前烘时间为8小时，后烘温度为95℃，后烘时间为45分钟；
e.在带有图形3-1的无氧铜片1上微电铸一层铜2-1，如图5所示，采用硫酸盐铸铜溶液进行电铸，频率为2KHz，溶液中铜离子含量为20g/l，硫酸含量为200g/l，氯离子含量为60mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2；微电铸铜层厚度为600μm；电铸层晶粒排列紧密，晶粒细小，可达到194nm，耐850℃高温焊接，耐电子轰击，含氧量为0.00035％；
f.对微电铸的铜层2-1表面进行研磨抛光至设定的高度2，如图6所示，表面粗糙度Ra在2nm-50nm之间(此时形成第一次折叠波导图形)，其显微镜照片及放大图分别如图15中a和b所示；
g.在样品再涂覆一层光刻胶4，光刻胶厚度为400μm，如图7所示；
h.对光刻胶4进行前烘，曝光，后烘，显影，在无氧铜片上形成光刻胶图形4-1，如图8所示，前烘温度105℃，前烘时间为6小时，后烘温度为95℃，后烘时间为0.5小时；
i.微电铸一层铜5，如图9所示，采用硫酸盐铸铜溶液进行电铸，频率为2KHz，溶液中铜离子含量为20g/l，硫酸含量为200g/l，氯离子含量为60mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2，微电铸铜层厚度为400μm；
j.对微电铸的铜层表面进行研磨抛光至设定的高度，表面粗糙度Ra在2nm～50nm之间；(此时形成方形电子注通道)，其显微镜照片及放大图分别如图16中a和b所示；
k.在样品表面再涂覆一层光刻胶6，光刻胶厚度为600μm，如图10所示；
l.对光刻胶6进行前烘，曝光，后烘，显影，在无氧铜片上形成光刻胶图形6-1，如图11所示，前烘温度105℃，前烘时间为8小时，后烘温度为95℃，后烘时间为45分钟；
m.微电铸一层铜7，如图12所示，采用硫酸盐铸铜溶液进行电铸，频率为2KHz，溶液中铜离子含量为20g/l，硫酸含量为200g/l，氯离子含量为60mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2；微电铸铜层厚度为600μm；
n.对微电铸的铜层表面进行研磨抛光至设定的高度，表面粗糙度Ra在2nm～50nm之间(此时形成第二次折叠波导图形)；
o.在铜片上微电铸一层铜8，如图13所示，并研磨抛光；
p.切割外形；
q.去除微电铸铜层内的光刻胶，形成所需要的复杂图形的全金属结构，如图14所示。其显微镜照片如图17所示。
将该全金属结构用含有输能窗的互作用电路的测试装置进行测试，其中，该测试装置照片如图18所示，测试结果如图19所示，从图中可知，该全金属结构在335-345GHz频段内驻波系数≤1.67。
实施例2
重复实施例1，区别在于，步骤f、j和n电铸溶液中铜离子含量为23g/l，硫酸含量为180g/l，氯离子含量为50mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2，其余条件不变，得到的全金属结构效果及在335-345GHz频段内驻波系数与实施例1中相近。
实施例3
重复实施例1，区别在于，步骤f、j和n电铸溶液中铜离子含量为10g/l，硫酸含量为210g/l，氯离子含量为70mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2，其余条件不变，得到的全金属结构效果及在335-345GHz频段内驻波系数与实施例1中相近。
对比例1
重复实施例1，区别在于，步骤f、j和n电铸溶液中铜离子含量为30g/l，硫酸含量为250g/l，氯离子含量为80mg/l，温度为25℃，阳极电流密度为0.8A/dm2，其余条件不变，此时电铸层高度不均匀，图形周围的电铸层有凹陷，无法正常使用。图20示出了图形周围的电铸层有凹陷的显微镜照片。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种真空器件用的全金属结构的多层加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在无氧铜基底上涂覆光刻胶，经光刻，得具有光刻胶图形的无氧铜基底；
2)在所述具有光刻胶图形的无氧铜基底上微电铸一层铜；
3)去除微电铸后得到的结构中的光刻胶；
4)重复步骤1)-3)一次以上，得所述真空器件用的全金属结构；
其中，所述微电铸的条件包括：微电铸的电铸液中，铜离子含量为18-25g/L，硫酸含量为170-220g/L，氯离子含量为50-70mg/L。
2.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，所述微电铸的温度为20-40℃，阳极电流密度0.5-1.5A/dm2；优选地，所述微电铸的频率为500Hz-5KHz。
3.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，所述无氧铜基底表面粗糙度Ra为2nm-50nm；优选地，所述无氧铜基底为圆柱形，厚度为5-10mm，直径为3英寸或4英寸。
4.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，所述光刻包括前烘、曝光、后烘、显影；优选地，所述前烘的温度为95-130℃，时间为0-20小时；优选地，所述后烘的温度为50-95℃，时间为0.5-4小时。
5.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，步骤2)中，还包括对微电铸的铜层表面进行研磨抛光的步骤；优选地，经研磨抛光后，所述铜层表面粗糙度Ra为2nm-50nm。
6.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，步骤1)中，在无氧铜基底上涂覆的光刻胶的厚度为0-1000μm，优选为0.1-1000μm。
7.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，所述全金属结构为电磁波与电子注互作用电路。
8.根据权利要求1所述的多层加工方法，其特征在于，在不同的微电铸步骤中，微电铸形成的铜层的形状、厚度相同或不同。
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