CN112695349B - 大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法，属精密器件加工技术领域。通过在电铸过程中施加大功率低频间歇超声，解决由于让光刻胶一直处于大功率超声波作用下而导致的变形，同时避免连续超声对沉积层表面的侵蚀破坏。在继电器Ton时，超声换能器和电源同时工作，溶液中的金属阳离子在电场力和超声波的作用下，快速地沉积在光刻胶阴极表面，同时光刻胶阴极表面上产生的氢气泡可以快速离开表面；在继电器Toff时，超声换能器停止工作，电源继续工作。光刻胶阴极表面上无超声辅助作用，溶液中的金属阳离子仅在电场力的作用下沉积在光刻胶阴极表面。继电器Ton和Toff的无限循环实现了超声辅助间歇性作用在光刻胶阴极表面。本发明制备的电沉积层具有较为平整的表面，较小的摩擦系数和较高的尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属精密器件加工技术领域，具体涉及大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法。
背景技术
基于LIGA技术衍生发展而来的UV-LIGA技术是微细加工领域一种重要加工方法。利用其电沉积的方法可以制作出各种MEMS金属微结构。SU-8光刻胶是UV-LIGA技术常用加工材料。它是一种近紫外、负性环氧型光刻胶。其近紫外光范围内对光能量的吸收度低，整个光刻胶层曝光量的一致性好，使得厚胶膜图形的侧壁在显影后近乎垂直且深宽比高。另外，SU-8胶的热稳定性、抗化学腐蚀性和力学性能都比较好，而且其不导电性可用作电铸过程中的绝缘体，有利于制作复杂的微结构，使其在金属微器件的制作中获得广泛应用。
超声波是频率范围为2x104～109Hz的声波。其施加于溶液中的空化作用会产生强烈的搅拌并在局部产生瞬间的高温高压，为化学反应提供常规手段很难或无法达到的条件。超声波与电化学相结合，可以完成对电极表面的清洗和除气，加速液相质量的传递，增强电化学反应，改变电合成反应的速率等。学者们的研究表明，超声辅助具有改善电沉积过程本身和沉积层特性的作用。超声处理可以减小扩散层的厚度，增加极限扩散电流密度，并进一步提高电沉积的传质能力。在一定的功率范围内，高超声功率下的电铸可以增强晶格中位错的运动，并使晶格向平衡状态推进，从而有利于低残余应力的结晶。随着超声功率增加，电流效率先上升后下降，电铸层表现出较低的压应力。但是，超声辅助UV-LIGA电铸的研究表明，连续超声下气泡瞬态崩溃所产生的空化能量可能会使光刻胶的模具变形或损坏，甚至使沉积的表面质量变差(特别是在大功率和低频情况下)。因此，对于需要精确尺寸精度的UV-LIGA电铸，连续超声辅助技术并不是获得电沉积层的理想方法。为了使超声辅助技术适配到UV-LIGA微电铸中，本发明提出了一种用于UV-LIGA的大功率低频间歇超声辅助电铸技术。该技术有效的避免了瞬态空化能高的缺点，解决了连续超声辅助UV-LIGA电铸过程中光刻胶阴极模的损坏问题及由此产生的电沉积层质量不佳的问题，促进了超声辅助在电沉积技术中的进一步应用。
发明内容
本发明提供了一种电沉积层质量更好的大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法。
一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统，其特征在于：
由继电器，超声波发生器，超声换能器，电源，阳极板，光刻胶阴极，电铸液和电沉积槽组成；
其中继电器一端连接超声波发生器阴极，另一端连接超声换能器阴极，超声波发生器阳极连接超声换能器阳极；电源阳极连接阳极板，电源阴极连接光刻胶阴极；
其中超声换能器，阳极板和光刻胶阴极均放置在注满电铸液的电沉积槽内；
超声换能器侧面垂直于阳极板和光刻胶阴极，阳极板和光刻胶阴极相对正面放置；
其中超声波发生器和超声换能器的频率相同，为20KHz或40KHz；超声换能器的功率可调，功率范围为100W-400W；继电器的工作时间Ton和关闭时间 Toff之和大于超声波发生器或超声换能器的工作周期。
一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统及方法，其特征在于包括以下：
在继电器Ton时，超声换能器和电源同时工作，溶液中的金属阳离子在电场力和超声波的作用下，快速地沉积在光刻胶阴极表面，同时光刻胶阴极表面上产生的氢气泡可以快速离开表面；
在继电器Toff时，超声换能器停止工作，电源继续工作；光刻胶阴极表面上无超声辅助作用，溶液中的金属阳离子仅在电场力的作用下沉积在光刻胶阴极表面；
上述继电器Ton和Toff的循环实现了超声辅助间歇性作用在光刻胶阴极表面；
其中光刻胶阴极上的模图形是采用UV-LIGA光刻技术制备的；其上的图形可根据具体的需要决定。
本发明的有益结果：①间歇性超声辅助，有效地减弱了高超声功率下的瞬态空化能，减少了电铸过程中对基于UV-LIGA技术制备的光刻胶阴极的破坏和损伤。②电铸液可以是任意可电沉积金属盐溶液。即该发明的技术可用于所有的 UV-LIGA电铸系统中，不会因电铸液的不同而限制该技术的应用范围。③该技术下制备的电铸层，表面质量佳，尺寸精度高。④继电器价格便宜，易于控制，使得本发明方法所需成本低，适应性强。
附图说明
图1为间歇性超声作用原理图；
图2为间歇性超声辅助电沉积系统；
图3电沉积铁镍合金掩膜的形貌和尺寸参数；
图中标号名称为：1-继电器；2-超声波发生器；3-超声换能器；4-电源；5- 阳极板；6-光刻胶阴极；7-电铸液；8-电沉积槽。
具体实施方式
以下结合附图和电铸铁镍合金掩模实施例对本发明的具体实施过程做详细介绍。实例只是为了举例说明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实例1：
步骤1：首先配置好铁镍合金电铸液，其配方为：：NiSO4·6H2O 130g/L， FeSO4·7H2O 80g/L，H3BO3 45g/L，NiCL2 15g/L，糖精4g/L，润湿剂0.3g/L。液铁镍合金电铸液的温度为55℃，pH为3。
步骤2：打开继电器，设置继电器工作时间Ton为80s，关闭时间Toff为60s。打开电源开关，设定电流密度1A/dm2，打开超声发波生器和超声换能器，设定超声频率40KHz，设定超声波发生器功率为120W。
步骤3：打开电源，电沉积3h后得到厚度为20um的铁镍合金掩模。电沉积结束后，将光刻胶阴极放置在丙酮溶液中进行超声处理，去除阴极上的光刻胶和脱模。
对比例1：
步骤1：首先配置好铁镍合金电铸液，其配方为：：NiSO4·6H2O 130g/L， FeSO4·7H2O 80g/L，H3BO3 45g/L，NiCL2 15g/L，糖精4g/L，润湿剂0.3g/L。液铁镍合金电铸液的温度为55℃，pH为3。
步骤2：打开继电器，设置继电器工作时间Ton为0s，关闭时间Toff为0s。打开电源开关，设定电流密度1A/dm2，打开超声发波生器和超声换能器，设定超声频率40KHz，设定超声波发生器功率为120W。
步骤3：打开电源，电沉积3h后得到厚度为20um的铁镍合金掩模。电沉积结束后，将光刻胶阴极放置在丙酮溶液中进行超声处理，去除阴极上的光刻胶和脱模。
进行下述检测性能对比证明本发明效果：
由图3可知，连续超声辅助条件下制备的铁镍合金掩模表面布满了凹坑及蚀点。这是因为在大超声功率120W下，强烈的空化效应会破坏光刻胶阴极表面如图1所示，使光刻胶阴极表面上的光刻胶变形甚至破损。同时，强烈的超声空化效应还会使阴极表面新形成的或粘附不良的核脱落，在阴极表面留下腐蚀痕迹。间歇超声辅助有效的解决了大功率连续超声的不良作用，电沉积得到的铁镍合金掩模表面平整光滑，尺寸精度高。
Claims (2)
1.一种大功率低频间歇超声辅助电铸系统，其特征在于：
由继电器（1），超声波发生器（2），超声换能器（3），电源（4），阳极板（5），光刻胶阴极（6），电铸液（7）和电沉积槽（8）组成；
其中继电器（1）一端连接超声波发生器（2）阴极，另一端连接超声换能器（3）阴极，超声波发生器（2）阳极连接超声换能器（3）阳极；电源（4）阳极连接阳极板（5），电源（4）阴极连接光刻胶阴极（6）；
其中超声换能器（3），阳极板（5）和光刻胶阴极（6）均放置在注满电铸液（7）的电沉积槽（8）内；
超声换能器（3）侧面垂直于阳极板（5）和光刻胶阴极（6），阳极板（5）和光刻胶阴极（6）相对正面放置；
其中超声波发生器（2）和超声换能器（3）的频率相同，为20 KHz或40 KHz；超声换能器（3）的功率可调，功率范围为100 W-400 W；继电器（1）的工作时间Ton和关闭时间Toff之和大于超声波发生器（2）或超声换能器（3）的工作周期。
2.根据权利要求1所述的大功率低频间歇超声辅助电铸系统的方法，其特征在于包括以下：
在继电器（1）Ton时，超声换能器（3）和电源（4）同时工作，溶液中的金属阳离子在电场力和超声波的作用下，快速地沉积在光刻胶阴极（6）表面，同时光刻胶阴极（6）表面上产生的氢气泡可以快速离开表面；
在继电器（1）Toff时，超声换能器（3）停止工作，电源（4）继续工作；光刻胶阴极（6）表面上无超声辅助作用，溶液中的金属阳离子仅在电场力的作用下沉积在光刻胶阴极（6）表面；
上述继电器（1）Ton和Toff的循环实现了超声辅助间歇性作用在光刻胶阴极（6）表面；
其中光刻胶阴极（6）的模图形是采用UV-LIGA光刻技术制备的；其上的图形可根据具体的需要决定。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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