CN111843074A - 具有辅助电极层的硅电极及其制备方法、应用和专用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有辅助电极层的硅电极及其制备方法、应用和专用夹具。所述硅电极包括重掺杂硅基体、隔离层、辅助电极层、绝缘层和导电端；主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极，二者独立供电，分时、切换参与电解加工。其专用夹具使硅电极高速旋转，形成主电极为等效圆形、辅助电极为等效环形的电极截面结构，并且实现主、辅电极的独立、稳定导电功能；最终形成主电极粗加工、辅助电极精修的微细电解加工工艺应用，进而减小了微结构的侧壁锥度和圆弧过渡区，提高了其形状精度。

Description

具有辅助电极层的硅电极及其制备方法、应用和专用夹具

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，具体而言，本发明涉及具有辅助电极层的硅电极及其制备方法、应用和专用夹具。

背景技术

目前核心基础零件正朝着精密化、微型化方向快速发展，零件上的特征结构趋于微细尺度，如微流体阀、微流道、微喷孔等。针对微结构的微细加工工艺如电子束加工、微细电火花加工、脉冲激光加工、微细电解加工等在加工精度、效率方面有各自的特点。与其他加工方法相比，微细电解加工通过电化学反应将合金材料溶解为金属离子，其加工精度原理上可达微米级甚至纳米级，而且其设备简单，成本较低，能保持材料表面完整性，在高质量、高精度微结构加工方面优势明显，是最具潜力微细加工方法。

然而微细电解加工工艺的工业应用还很少，主要受到加工定域性差问题的制约，加工的微结构形状精度较差，尤其是微结构侧壁与底面间存在的锥度和圆弧过渡区难以消除。工件表面与电极间存在电流通路的工件材料都会发生电化学溶解，因此提高加工定域性的关键在于精确控制电流路径分布。为了提高加工精度，现有的技术手段包括采用低浓度水基钝性电解液，实现待加工/已加工表面因表面钝化特性不同而差异性溶解；采用高频脉冲电源，通过控制高频脉冲电源的幅值、频率和加工间隙等工艺参数，提高加工精度；采用工具电极侧壁绝缘层阻断电极与微结构侧壁间的杂散电流是一种有效的手段，为了制备绝缘性能可靠、耐久性好的微细电解侧壁绝缘层，本案申请人在2016年10月19日递交了一件名为“电解加工用微细单晶硅工具电极及其制备方法”的发明专利申请，提供了一种微细硅工具电极的新思路，其显著特征在于采用高浓度掺杂的硅材料作为电极基体，二氧化硅/氮化硅薄膜层作为其侧壁绝缘层，大大提高了工具电极侧壁绝缘层的耐久性和稳定性。然而，即使同时采用钝化电解液、高频脉冲电源和侧壁绝缘硅电极，侧壁锥度和与底面的圆弧过渡区仍然难以消除，特别是在加工高深宽比微结构时，不同深度的电解液更新、电解产物沉积状态不同，使得材料蚀除规律差别较大，而且受到加工间隙内电流密度分布规律的影响，产生圆弧过渡区是电化学蚀除工件材料的必然结果，因此为了进一步提高加工精度，减小侧壁锥度和圆弧过渡区，需要从加工工艺角度提出新的工艺方案。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有辅助电极层的硅电极及其制备方法、应用和专用夹具。主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极层，二者独立供电，分时、切换参与电解加工。并且提供了硅电极的专用夹具，使硅电极高速旋转，形成主电极为等效圆形、辅助电极为等效环形的电极截面结构，实现主、辅电极的独立、稳定导电功能；最终形成主电极粗加工、辅助电极精修的微细电解加工工艺应用，进而减小了微结构的侧壁锥度和圆弧过渡区，提高了其形状精度。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种具有辅助电极层的硅电极，根据本发明的实施例，所述硅电极包括重掺杂硅基体、隔离层、辅助电极层、绝缘层、主电极导电端和辅助电极导电端；

所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分，所述主电极导电端和辅助电极导电端设置在所述电极夹持部分远离电极加工部分一端的正面，所述电极夹持部分的反面设置有定位结构；所述主电极导电端与重掺杂硅基体直接连接；除主电极导电端和辅助电极导电端表面外，电极夹持部分表面覆盖有绝缘层；

所述电极加工部分的正面表面设置隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；所述隔离层表面设置有辅助电极层，并延伸至辅助电极导电端；所述辅助电极导电端与重掺杂硅基体间由隔离层完全电学绝缘；除端面表面外，电极加工部分表面覆盖有绝缘层。

根据本发明实施例的具有辅助电极层的硅电极，具有以下优点：1)主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极层，二者独立供电，分时、切换参与电解加工，减小了微细结构侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度；2)采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，沉积的SiO₂作为绝缘层，大大提高了硅电极绝缘层的使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的具有辅助电极的硅电极还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述的定位结构为定位槽。由此，实现硅电极的精确装夹和定位。

在本发明的一些实施例中，所述辅助电极层为厚度为亚微米级、宽度为微米级的金属薄膜。

在本发明的一些实施例中，所述辅助电极层的材料为银、金或者铂。

在本发明的一些实施例中，所述主电极导电端的材料为银、金或者铂。

在本发明的一些实施例中，所述辅助电极导电端的材料为银、金或者铂。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述具有辅助电极层的硅电极的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)在单晶硅基体正面沉积一层隔离层；

(2)在所述隔离层表面沉积一层图形化的辅助电极层；

(3)分别处理并刻蚀所述单晶硅基体的上下表面，得到电极的基本轮廓；

(4)在步骤(3)所得基体的所有裸露面上沉积一层绝缘层；

(5)处理主电极导电端表面上的绝缘层和隔离层后，制备主电极导电端；处理辅助电极导电端表面上的绝缘层后，制备辅助电极导电端；

(6)将基体材料按照电极的轮廓裂片，使硅电极从基体上脱离下来。

根据本发明实施例的制备具有辅助电极层的硅电极的方法，该方法通过刻蚀、沉积工艺得到电极基体、辅助电极层和绝缘层，工艺较成熟，具有大批量制作的应用潜力。根据该方法制备得到的具有辅助电极层的硅电极，具有以下优点：1)主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极层，二者独立供电，分时、切换参与电解加工，进而减小了微细结构侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度；2)采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，沉积的SiO₂作为绝缘层，大大提高了硅电极绝缘层的使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的制备具有辅助电极的硅电极的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3.1)在步骤(2)所得单晶硅基体的双面分别沉积一层掩膜层；

(3.2)在步骤(3.1)所得单晶硅基体的下表面的掩膜层刻蚀出掩膜窗口，对单晶硅基体进行湿法腐蚀得到背面减薄窗口和定位结构；

(3.3)在步骤(3.2)所得单晶硅基体的上表面的隔离层和掩膜层刻蚀出掩膜窗口，对单晶硅基体进行湿法腐蚀得到电极的基本轮廓。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述辅助电极层的沉积厚度为10-200nm。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述单晶硅材料基体选用经过高浓度掺杂的N型或P型硅片；

任选地，所述单晶硅材料基体的电阻率为10^-2～10^-3Ω·cm。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种如上所述的或者如上述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极专用夹具，根据本发明的实施例，所述专用夹具包括：支撑部分、安装板、弹性垫片、调整螺钉、和夹紧部分；所述支撑部分为具有矩形槽的半圆柱结构，所述调整螺钉设置在所述矩形槽任一边侧面；所述安装板设置在所述矩形槽内部，所述弹性垫片设置在所述安装板与所述矩形槽之间；

所述夹紧部分为与支撑部分直径相同的半圆柱结构；所述夹紧部分包括结构基体和若干个导电连接块；所述若干个导电连接块包括至少一个辅助电极导电连接块和至少一个主电极导电连接块；所述辅助电极导电连接块和主电极导电连接块分别通过接触连接至辅助电极导电端和主电极导电端。

根据本发明实施例的具有辅助电极的硅电极专用夹具，具有辅助电极层的硅电极装夹在该专用夹具上进行高速旋转形成柱状包络面，达到与柱状电极相同的加工效果，由电机带动精密主轴和导电滑环旋转实现；通过导电滑环的多个通道实现在加工中主电极和辅助电极独立的导电线路，进而实现主电极和辅助电极分时、切换参与电解加工，减小了微细结构侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种采用如上所述或者如上所述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细孔的电解加工的方法，包括：

首先，采用等效圆形主电极作为工具电极，辅助电极切换开关断开，主电极切换开关接通，电极向下进给，加工得到微细孔的基本轮廓；微细孔贯通后，采用等效环形辅助电极作为工具电极，辅助电极切换开关接通，主电极切换开关断开，电极慢速回退，通过调整工艺参数将孔口的圆弧过渡区和锥度加工掉；最后，加工完成，关闭辅助电极切换开关。

根据本发明实施例的采用具有辅助电极层的硅电极进行微细孔的电解加工的方法，采用主电极作工具电极将工件材料大量、快速去除后，再切换采用辅助电极作工具电极，通过规划轨迹可将微细孔的圆角减小到微米尺度。主电极和辅助电极分时、切换参与电解加工，减小了微细孔侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度，进而加工出侧壁陡直的微细孔。

在本发明的第五个方面，本发明提出了一种采用如上所述或者如上所述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细孔的电解加工的方法，包括：

首先，采用等效圆形主电极作为工具电极，辅助电极切换开关断开，主电极切换开关接通，工件相对电极作平面运动，加工得到微细槽的基本轮廓；基本轮廓加工完成后，等效环形辅助电极作为工具电极，辅助电极切换开关接通，主电极切换开关断开，重新扫描微细槽的轮廓，通过调整工艺参数将微细槽口的圆弧过渡区和锥度加工掉；最后，加工完成，关闭辅助电极切换开关。

根据本发明实施例的采用具有辅助电极层的硅电极进行微细槽的电解加工的方法，采用主电极作工具电极将工件材料大量、快速去除后，再切换采用辅助电极作工具电极，通过规划轨迹可将微细槽的圆角减小到微米尺度。主电极和辅助电极分时、切换参与电解加工，减小了微细槽侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度，进而加工出侧壁陡直的微细槽。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是具有辅助电极层的硅电极结构示意图；

其中，图1(a)是硅电极加工部分的局部放大示意图；图1(b)是忽略正面绝缘层的硅电极示意图；图1(c)是硅电极的正面朝上整体结构示意图；图1(d)是A-A截面示意图；图1(e)是硅电极的反面朝上整体结构示意图；

其编号名称为：1-具有辅助电极的硅电极；101-重掺杂硅基体；102-隔离层；103-辅助电极层；104-绝缘层；105-导电端；106-电极夹持部分；107-电极加工部分；108-辅助电极导电端；109-主电极导电端；110-定位槽；111-侧壁面；112-端面。

图2是具有辅助电极层的硅电极制备工艺示意图；

其编号名称为：A-硅材料基体；B-隔离层；C-图形化金属层；D1-正面掩膜层；D2-反面掩膜层；E-绝缘层；F-导电端。

图3硅电极在电解加工中应用的示意图；

其编号名称为：2-电极；3-精密主轴；4-导电滑环；5-专用夹具；6-电解液；7-工件。

图4是一种硅电极专用夹具结构示意图；

其编号名称为：501-支撑部分；502-安装板；503-弹性垫片；504-调整螺钉；505-夹紧部分；506-结构基体；507-导电连接块；401-转子；402-定子。

图5是主、辅电极加工过程示意图；

其编号名称为：I-主电极；II-辅助电极；901-辅助电极切换开关；902-主电极切换开关。

图6是切换电极去除加工弧度的原理示意图。

图7是采用等效圆环辅助硅电极的微细孔电解加工工艺示意图。

图8是采用等效圆环辅助硅电极的微细槽电解加工工艺示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种具有辅助电极层的硅电极，根据本发明的实施例，参考图1，具有辅助加工功能的硅电极1(以下简称“硅电极”)由重掺杂硅基体101、隔离层102、辅助电极层103、绝缘层104和导电端105构成。重掺杂硅基体101由电极夹持部分106和电极加工部分107构成，在电极夹持部分106的正面设置至少一个辅助电极导电端108、至少一个主电极导电端109，电极夹持部分106的反面设置有定位结构110，除导电端表面外，电极夹持部分106表面覆盖有绝缘层104，主电极导电端109与重掺杂硅基体101直接连接，二者界面间无绝缘层或隔离层；电极加工部分107的正面表面设置有隔离层102，并延伸至电极夹持部分106的表面上，隔离层102表面设置有一辅助电极层103，并延伸至电极夹持部分106上，辅助电极层103与重掺杂硅基体101间由隔离层102完全电学绝缘；延伸至电极夹持部分106的部分表面上的辅助电极层103与辅助电极导电端108相连，二者界面间无绝缘层或者隔离层。电极加工部分107分为侧壁面111和端面112，其中侧壁面111覆盖有绝缘层104，该绝缘层104完全覆盖电极加工部分107、隔离层102和辅助电极层103，端面112无绝缘层104。其中，绝缘层104的作用是阻断硅电极侧壁与工件间的电流通路，隔离层102的作用是实现重掺杂硅基体101和辅助电极层103的电学绝缘，从而实现二者独立供电、分别使用的功能；辅助电极导电端108将辅助电极层103连接至加工电源，同理，主电极导电端109将重掺杂硅基体101连接至加工电源，二者处于不同的供电通道。导电端105包括辅助电极导电端108和主电极导电端109。定位结构110用于实现硅电极的精确装夹和定位。其中，辅助电极导电端108和主电极导电端109的数量并不受具体限制，本领域技术人员可以根据硅电极的功能和结构灵活设计。

根据本发明的一个实施例，所述定位结构110为定位槽。需要说明的是，定位结构110的具体结构并不局限于定位槽，也可以选择能实现硅电极的精确装夹和定位的其他结构，本领域技术人员可以根据实际需要自行选择。

根据本发明的一个实施例，上述辅助电极层103为由lift-off工艺形成的厚度为亚微米级、宽度为微米级的金属薄膜；根据本发明的再一个具体实施例，所述辅助电极层的材料并不受具体限制，本领域技术人员可以根据硅电极的功能进行选择，例如银、金、铂等。

根据本发明的一个实施例，绝缘层11和隔离层12的材料分别为含硅化合物；根据本发明的再一个具体实施例，所述含硅化合物的种类并不受具体限制，本领域技术人员可以根据硅电极的功能进行选择，例如氧化硅、氮化硅、碳化硅等。

根据本发明的一个实施例，导电端105一般为金属材料；根据本发明的再一个具体实施例，所述金属材料的种类并不受具体限制，本领域技术人员可以根据硅电极的功能进行选择，例如银、金、铂等。

根据本发明实施例的具有辅助电极层的硅电极，具有以下优点：1)主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极层，二者独立供电，分时、切换参与电解加工，减小了微细结构侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度；2)采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，沉积的SiO₂作为绝缘层，大大提高了硅电极绝缘层的使用寿命。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述具有辅助电极层的硅电极的方法，根据本发明的实施例，参考图2，该方法包括：

S1：在单晶硅基体正面沉积一层隔离层；

在该步骤中，所述的单晶硅材料基体A选用经过高浓度掺杂的N型或P型硅片，优选地为N型。其电阻率为10^-2～10^-3Ω·cm，电阻率的具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择10^-3Ω·cm，10^-2Ω·cm，10^-2.5Ω·cm等等，优选为10^-3Ω·cm。硅片选用(100)晶面，双面抛光，如图2(a)。

采用沉积工艺在硅材料基体A上沉积一层隔离层B，材料选用二氧化硅(SiO₂)，厚度为10-500nm，厚度的具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择10nm，100nm，200nm，300nm，400nm，500nm等，优选为200nm，如图2(b)。

S2：在所述隔离层表面沉积一层图形化的辅助电极层；

在该步骤中，对隔离层B表面进行单面光刻，以光刻胶作为掩膜，在其表面上沉积一层金属薄膜，材料可选用铂、金、银等，优选为银。其沉积厚度为10-200nm，沉积厚度的具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择10nm，100nm，200nm等，优选地为100nm。然后利用lift-off工艺，去掉光刻胶，得到图形化的金属层C(辅助电极层)，如图2(c)。

S3：分别处理并刻蚀所述单晶硅基体的上下表面，得到电极的基本轮廓；

在该步骤中，首先，采用沉积工艺在隔离层B和图形化的金属层C上沉积一层SiO₂，再沉积一层氮化硅(Si₃N₄)，最后形成正面掩膜层D1；然后，采用沉积工艺在硅材料基体A反面上沉积一层SiO₂，再沉积一层Si₃N₄，最后形成背面掩膜层D2，为后续的刻蚀加工图形化做准备，如图2(d)。SiO₂的沉积厚度为50-400nm，其具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择50nm，200nm，300nm，400nm等，优选为300nm。Si₃N₄的沉积厚度为50-400nm，其具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择50nm，200nm，300nm，400nm等，优选为200nm。

然后，对上述背面的掩膜层D2进行一次光刻。采用刻蚀工艺去除暴露的掩膜层，直到露出硅材料基体A为止。除胶后在硅材料基体A上形成工减薄窗口和定位槽掩膜轮廓，将上述硅材料基体A放入腐蚀液中进行刻蚀加工，并严格控制刻蚀的时间，得到背面减薄窗口和定位槽，如图2(e)。

最后，对上述正面掩膜层D1进行一次光刻。采用刻蚀工艺去除暴露的掩膜层，直到露出硅材料基体A为止。除胶后在硅材料基体A上形成硅电极的轮廓形状，将上述硅材料基体A放入腐蚀液中进行刻蚀加工，并严格控制刻蚀的时间，刻蚀加工至上、下表面相交为止，如图2(f)。

上述步骤中所采用的腐蚀液成分为KOH，其浓度为20％-50％，浓度的具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择20％，30％，40％，50％等，优选地为20％。腐蚀温度为50-90℃，其具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择50℃，70℃，80℃，90℃等，优选地为80℃。也可以适量添加少许异丙醇(IPA)，其浓度为0.1～5％，优选为1.5％。所述腐蚀液成分也可以为TMAH，其浓度为10％～40％，优选地为25％。腐蚀温度为50～90℃，优选地为80℃。同样的，TMAH的浓度的具体数值以及腐蚀温度的具体数值也不受具体限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

S4：在步骤S3所得基体的所有裸露面上沉积一层绝缘层；

在该步骤中，利用化学气相沉积在硅材料基体上沉积一层SiO₂，再沉积一层Si₃N₄，作为工具电极的侧壁绝缘层E。SiO₂的沉积厚度为50-400nm，其具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择50nm，200nm，300nm，400nm等，优选为300nm。Si₃N₄的沉积厚度为50-400nm，其具体数值并不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以选择50nm，200nm，300nm，400nm等，优选为200nm，如图2(g)。

S5：处理主电极导电端表面上的绝缘层和隔离层，得到主电极导电端；处理辅助电极导电端表面上的绝缘层，得到辅助电极导电端；

在该步骤中，利用氢氟酸或者反应离子刻蚀处理所述的金属层表面上C的绝缘层和掩膜层，暴露出金属层C表面的导电端位置，并制备导电端F如图2(h)。导电端F采用导电胶涂覆并烘干制备，导电胶优选为导电银浆。

S6：将基体材料按照电极的轮廓裂片，使硅电极从基体上脱离下来；

在该步骤中，将制备好的硅电极从硅材料基体A上脱离下来，裂片方式可以采用手工裂片和高频脉冲激光切割裂片两种方式，最终得到的硅电极如图2(i)。

根据本发明实施例的制备具有辅助电极层的硅电极的方法，该方法通过刻蚀、沉积工艺得到电极基体、辅助电极层和绝缘层，工艺较成熟，具有大批量制作的应用潜力。根据该方法制备得到的具有辅助电极层的硅电极，具有以下优点：1)主电极表面设置有厚度为亚微米尺度的辅助电极层，二者独立供电，分时、切换参与电解加工，进而减小了微细结构侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度；2)采用高浓度掺杂的硅作为电极基体，沉积的SiO₂作为绝缘层，大大提高了硅电极绝缘层的使用寿命。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种如上所述的或者如上述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极的专用夹具，根据本发明的实施例，所述专用夹具5包括支撑部分501、安装板502、弹性垫片503、调整螺钉504、和夹紧部分505构成，其中夹紧部分505包括结构基体506和若干个导电连接块507。支撑部分501为具有矩形槽的半圆柱结构，矩形槽一边侧面安装有调整螺钉504。安装板502位于支撑部分501的矩形槽内部，其底面与支撑部分矩形槽底面间设置有一弹性垫片503，安装板502的其中一个侧面与调整螺钉504接触，另一侧面与支撑部分矩形槽侧面间设置有弹性垫片503，夹紧部分505为与支撑部分501直径相同的半圆柱结构。所述夹紧部分505包括结构基体506和若干个导电连接块507；所述若干个导电连接块507包括至少一个辅助电极导电连接块和一个主电极导电连接块；所述辅助电极导电连接块的一端通过接触连接至辅助电极导电端，另一端通过导线连接至导电滑环4的转子401上，所述主电极导电连接块的一端通过接触连接至主电极导电端，另一端通过导线连接至导电滑环4的转子401上。上述调整螺钉504用于调整硅电极1中心线的水平位置，导电连接块507的尺寸根据辅助电极导电端108和主电极导电端109的位置和尺寸设计，导电连接块507连接到导电滑环4的转子401上，定子，实现硅电极在高速旋转时的通电功能。如上所述的夹紧部分505为非金属材料，所述非金属材料的种类并不受具体限制，本领域技术人员可以根据硅电极的功能进行选择，例如聚四氟乙烯、有机玻璃、胶木等。

硅电极在电解加工中应用的示意图如图3，其中具有辅助电极层的硅电极1装夹在专用夹具5上进行高速旋转形成柱状包络面，达到了与柱状电极相同的加工效果。硅电极旋转由电机2带动精密主轴3和导电滑环4旋转实现。导电滑环4由转子401和定子402构成；在加工中主电极和辅助电极都需要可靠独立的导电线路，通过导电滑环4的多个通道实现。另外6是电解液，7是工件。

高速旋转的硅电极形成柱状包络面，其端面等效形状如图5(a)。从圆形截面中心向外依次是端面112、隔离层102、辅助电极层103、绝缘层104。在加工过程中，等效圆形主电极(I)和等效环形辅助电极(II)分别作为电解加工的工具电极使用。当采用等效圆形主电极(I)时，辅助电极切换开关901断开(OFF)，主电极切换开关902接通(ON)，电极底部的材料被大量的溶解，形成圆形凹坑结构，如图5(b)；当采用等效环形辅助电极(II)时，辅助电极切换开关901接通(ON)，主电极切换开关902断开(OFF)，电极底部材料被不断溶解，形成环状凹坑结构，如图5(c)；采用主电极作为工具电极将工件材料大量、快速去除后，再切换，采用辅助电极作为工具电极，通过规划轨迹可将微结构的圆角减小到微米尺度，加工出侧壁陡直的微细结构，如图6。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种采用如上所述或者如上所述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细孔电解加工的方法，路线如图7所示。首先，采用等效圆形主电极(I)作为工具电极，辅助电极切换开关901断开(OFF)，主电极切换开关902接通(ON)(图7(a))，电极向下进给，加工得到微细孔的基本轮廓，如图7(b)，微细孔贯通后，采用等效环形辅助电极(II)作为工具电极，辅助电极切换开关901接通(ON)，主电极切换开关902断开(OFF)，电极慢速回退，通过调整加工电压、电源脉冲占空比等参数将孔口的圆弧过渡区和锥度加工掉，最后，加工完成，辅助电极切换开关901断开(OFF)。

根据本发明实施例的采用具有辅助电极层的硅电极进行微细孔的电解加工的方法，采用主电极作工具电极将工件材料大量、快速去除后，再切换采用辅助电极作工具电极，通过规划轨迹可将微细孔的圆角减小到微米尺度。主电极和辅助电极分时、切换参与电解加工，减小了微细孔侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度，进而加工出侧壁陡直的微细孔。

在本发明的第五个方面，本发明提出了一种采用如上所述或者如上所述制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细槽的电解加工的方法，路线如图8所示。首先，采用等效圆形主电极(I)作为工具电极，辅助电极切换开关901断开(OFF)，主电极切换开关902接通(ON)(图8(a))，工件相对电极作平面运动，加工得到微细槽的基本轮廓，如图8(b)，基本轮廓加工完成后，等效环形辅助电极(II)作为工具电极，辅助电极切换开关901接通(ON)，主电极切换开关902断开(OFF)，重新扫描微细槽的轮廓，通过调整加工电压、电源脉冲占空比等参数将槽口的圆弧过渡区和锥度加工掉，最后，加工完成，辅助电极切换开关901断开(OFF)。

根据本发明实施例的采用具有辅助电极层的硅电极进行微细槽的电解加工的方法，采用主电极作工具电极将工件材料大量、快速去除后，再切换采用辅助电极作工具电极，通过规划轨迹可将微细槽的圆角减小到微米尺度。主电极和辅助电极分时、切换参与电解加工，减小了微细槽侧壁与底面圆弧过渡区弧度，提高了加工精度，进而加工出侧壁陡直的微细槽。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

本实施例提供一种具有辅助电极层的硅电极，其结构参考图1。具有辅助电极层的硅电极1(下可简称“硅电极”)由重掺杂硅基体101、隔离层102、辅助电极层103、绝缘层104和导电端105构成。重掺杂硅基体101为导电的重掺杂硅，掺杂杂质为磷原子，掺杂浓度为2×10¹⁹/cm³。隔离层102为厚度为200nm的二氧化硅薄膜；辅助电极层103为厚度为100nm的银薄膜层；绝缘层104为厚度为300nm的二氧化硅+200nm的氮化硅复合薄膜层；导电端105为烘干的银涂层，包括辅助电极导电端108和主电极导电端109。重掺杂硅基体101由电极夹持部分106和电极加工部分107构成，电极夹持部分106的特征尺寸为8mm×4mm。电极加工部分107的截面为等腰梯形，梯形上底为250μm，高度为100μm。在电极夹持部分106的正面设置有一个以上的辅助电极导电端108、主电极导电端109，导电端的尺寸为0.5mm×1mm。电极夹持部分106的反面设置有2个定位槽110，定位槽尺寸约为2mm×0.5mm。除导电端表面外，电极夹持部分106表面覆盖有绝缘层104，主电极导电端109与重掺杂硅基体101直接连接，二者界面间无绝缘层或隔离层；电极加工部分107的正面表面设置有隔离层102，并延伸至电极夹持部分106的表面上，隔离层102表面设置有一辅助电极层103，并延伸至电极夹持部分106上，辅助电极层103与重掺杂硅基体101间由隔离层102完全电学绝缘；延伸至电极夹持部分106的部分表面上的辅助电极层103与辅助电极导电端108相连，二者界面间无绝缘层或者隔离层。电极加工部分107分为侧壁面111和端面112，其中侧壁面111覆盖有绝缘层104，该绝缘层104完全覆盖电极加工部分107、隔离层102和辅助电极层103，端面112无绝缘层104。

实施例2

本实施例提供一种具有辅助电极层的硅电极制备方法，流程示意图如图2，包括以下步骤：

a)提供一单晶硅材料基体，单晶硅材料基体选用经过高浓度掺杂的P型硅片，其电阻率为为10^-3Ω·cm，选用(100)晶面，并双面抛光；

b)在单晶硅基体正面沉积一层隔离层，隔离层材料选用二氧化硅，厚度为200nm。

c)对隔离层表面进行单面光刻，以光刻胶作为掩膜，在其表面上沉积一层金属薄膜，材料选用为银，其厚度为100nm。利用lift-off工艺，去掉光刻胶，得到图形化的金属层，即辅助电极层。

d)采用沉积工艺在正面隔离层和图形化的金属层上沉积一层二氧化硅，厚度为300nm；再沉积一层氮化硅，厚度为200nm，形成正面掩膜层D1。采用沉积工艺在反面单晶硅材料基体上沉积一层二氧化硅，厚度为300nm；再沉积一层氮化硅，厚度为200nm，形成背面掩膜层D2。

e)对背面的掩膜层D2进行一次光刻。采用刻蚀工艺去除暴露的掩膜层，直到露出硅材料基体A为止。除胶后在硅材料基体A上形成工减薄窗口和定位槽掩膜轮廓，将上述硅材料基体A放入腐蚀液中进行刻蚀加工，并严格控制刻蚀的时间，使刻蚀得到背面减薄窗口和定位槽。刻蚀液成分为TMAH，其浓度为25％。腐蚀温度为80℃。

f)对正面掩膜层D1进行一次光刻。采用刻蚀工艺去除暴露的掩膜层，直到露出硅材料基体为止。除胶后在硅材料基体上形成硅电极的轮廓形状，将上述硅材料基体放入腐蚀液中进行刻蚀加工，并严格控制刻蚀的时间，刻蚀加工至上、下表面相交为止。刻蚀液成分为TMAH，其浓度为25％。腐蚀温度为80℃。

g)利用化学气相沉积在硅材料基体上沉积一层二氧化硅，厚度为300nm，再沉积一层氮化硅，厚度为200nm，作为硅电极的侧壁绝缘层E。

h)利用氢氟酸处理所述的金属层表面上局部的绝缘层和掩膜层，暴露出辅助电极层表面的导电端位置，涂覆导电胶并烘干，形成导电端，厚度约为500μm。

i)采用高频脉冲激光切割将制备好的硅电极从硅材料基体上脱离下来，最终得到的硅电极如图2(i)。

实施例3

本实施例提供一种硅电极专用夹具，结构如图4。专用夹具5由支撑部分501、安装板502、弹性垫片503、调整螺钉504、和夹紧部分505构成，其中夹紧部分505由结构基体506和3个导电连接块507构成。支撑部分501为具有矩形槽的半圆柱结构，矩形槽一边侧面安装有调整螺钉504。安装板502位于支撑部分501的矩形槽内部，其底面与支撑部分矩形槽底面间设置有一弹性垫片503，安装板502的其中一个侧面与调整螺钉504接触，另一侧面与支撑部分矩形槽侧面间设置有弹性垫片503，夹紧部分505为与支撑部分501直径相同的半圆柱结构。调整螺钉504用于调整硅电极1中心线的水平位置、导电连接块507的尺寸为0.5mm×1mm，其材料为黄铜，其中第一个为主电极供电，第二个为辅助电极供电，第三个导电连接块备用；导电连接块507连接到导电滑环4的转子401上，实现硅电极在高速旋转时的通电功能。夹紧部分505材料为聚四氟乙烯。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有辅助电极层的硅电极，其特征在于，所述硅电极包括重掺杂硅基体、隔离层、辅助电极层、绝缘层、主电极导电端和辅助电极导电端；

所述重掺杂硅基体包括电极夹持部分和电极加工部分，所述主电极导电端和辅助电极导电端设置在所述电极夹持部分远离电极加工部分一端的正面，所述电极夹持部分的反面设置有定位结构；所述主电极导电端与重掺杂硅基体直接连接；除主电极导电端和辅助电极导电端表面外，所述电极夹持部分表面覆盖有绝缘层；

所述电极加工部分的正面表面设置隔离层，并延伸至电极夹持部分的表面上；所述隔离层表面设置有辅助电极层，并延伸至辅助电极导电端；所述辅助电极导电端与重掺杂硅基体间由隔离层完全电学绝缘；除端面表面外，电极加工部分表面覆盖有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的具有辅助电极层的硅电极，其特征在于，所述的定位结构为定位槽。

3.根据权利要求1所述的具有辅助电极层的硅电极，其特征在于，所述辅助电极层为厚度为亚微米级、宽度为微米级的金属薄膜；

任选地，所述辅助电极层的材料为银、金或者铂；

任选地，所述主电极导电端的材料为银、金或者铂；

任选地，所述辅助电极导电端的材料为银、金或者铂。

4.一种制备权利要求1-3中任一项所述的具有辅助电极层的硅电极的方法，其特征在于，包括：

(1)在单晶硅基体正面沉积一层隔离层；

(2)在所述隔离层表面沉积一层图形化的辅助电极层；

(3)分别处理并刻蚀所述单晶硅基体的上下表面，得到电极的基本轮廓；

(4)在步骤(3)所得基体的所有裸露面上沉积一层绝缘层；

(5)处理主电极导电端表面上的绝缘层和隔离层后，制备主电极导电端；处理辅助电极导电端表面上的绝缘层后，制备辅助电极导电端；

(6)将基体按照电极的轮廓裂片，使硅电极从基体上脱离下来。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括如下步骤：

(3.1)在步骤(2)所得单晶硅基体的双面分别沉积一层掩膜层；

(3.2)在步骤(3.1)所得单晶硅基体的下表面的掩膜层刻蚀出掩膜窗口，对单晶硅基体进行湿法腐蚀得到背面减薄窗口和定位结构；

(3.3)在步骤(3.2)所得单晶硅基体的上表面的隔离层和掩膜层刻蚀出掩膜窗口，对单晶硅基体进行湿法腐蚀得到电极的基本轮廓。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述辅助电极层的沉积厚度为10-200nm。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述单晶硅材料基体选用经过高浓度掺杂的N型或P型硅片；

任选地，所述单晶硅材料基体的电阻率为10^-2～10^-3Ω·cm。

8.一种如权利要求1-3任一项所述或者如权利要求4-7任一项制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极专用夹具，其特征在于，包括：支撑部分、安装板、弹性垫片、调整螺钉、和夹紧部分；所述支撑部分为具有矩形槽的半圆柱结构，所述调整螺钉设置在所述矩形槽任一边侧面；所述安装板设置在所述矩形槽内部，所述弹性垫片设置在所述安装板与所述矩形槽之间；

所述夹紧部分为与支撑部分直径相同的半圆柱结构；所述夹紧部分包括结构基体和若干个导电连接块；所述若干个导电连接块包括至少一个辅助电极导电连接块和至少一个主电极导电连接块；所述辅助电极导电连接块和主电极导电连接块分别通过接触连接至辅助电极导电端和主电极导电端。

9.一种采用如权利要求1-3任一项所述或者如权利要求4-7任一项制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细孔的电解加工的方法，其特征在于，包括：

首先，采用等效圆形主电极作为工具电极，辅助电极切换开关断开，主电极切换开关接通，电极向下进给，加工得到微细孔的基本轮廓；微细孔贯通后，采用等效环形辅助电极作为工具电极，辅助电极切换开关接通，主电极切换开关断开，电极慢速回退，通过调整工艺参数将孔口的圆弧过渡区和锥度加工掉；最后，加工完成，关闭辅助电极切换开关。

10.一种采用如权利要求1-3任一项所述或者如权利要求4-7任一项制备方法得到的具有辅助电极层的硅电极进行微细槽的电解加工的方法，其特征在于，包括：

首先，采用等效圆形主电极作为工具电极，辅助电极切换开关断开，主电极切换开关接通，工件相对电极作平面运动，加工得到微细槽的基本轮廓；基本轮廓加工完成后，等效环形辅助电极作为工具电极，辅助电极切换开关接通，主电极切换开关断开，重新扫描微细槽的轮廓，通过调整工艺参数将微细槽口的圆弧过渡区和锥度加工掉；最后，加工完成，关闭辅助电极切换开关。

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