CN115491728A - 喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法 - Google Patents

喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法 Download PDF

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李天宇
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Abstract

本发明涉及一种喷‑冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法，属精密器件加工技术领域。其特征在于，通过在电铸过程中施加喷‑冲混合流搅拌模式，解决高深宽比结构微电铸过程中的传质不良问题。其中喷‑冲混合供液的进液口由具有特定倾斜角度的喷液口和水平冲液口组成。特定倾斜角度的喷液口有利于提高电铸过程中高深宽比微结构内部的溶液更新速度，提高微结构内部的离子浓度，从而改善电铸过程中的传质不良问题。水平冲液口有利于平衡高深宽比微结构内部的流速，改善电铸过程中不同微结构内部的传质不平衡。

Description

喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法
技术领域
本发明属精密器件加工技术领域，具体涉及一种喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，高深宽比金属微结构制造技术在阵列微电极、微流控芯片、金属模具等器件的制备中具有良好的应用前景。微电铸技术是一种原子尺度的电沉积过程，能够复制亚微米和纳米尺度的精度特征，这是高深宽比金属微结构的制造技术之一，然而高深宽比的微结构模板对微电铸技术提出了巨大的挑战。高深宽比微结构模板造成的内部传质效果较差，导致高深宽比微结构电铸生长过程中速度不平衡，电铸层存在多孔结构问题，最终导致制造失败。因此，研究改进电铸过程中传质性能的方法具有重要意义。
到目前为止，人们已经做了大量研究以增强电铸过程中的传质，来获得无缺陷微结构，如使用各种添加剂来改变电铸液成分、加强机械搅拌、真空辅助和温度梯度电铸、移动阴极、脉冲/脉冲反向电铸等。然而，在目前的增强传质方法下，电铸过程中电流密度较低，因此电铸速度较低。
发明内容
为了提高微电铸技术制备高深宽比微结构的电铸速度，本发明提出了一种喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法。
一种喷-冲混合供液电铸系统，包括储液槽、加工槽、恒流电源、阳极板、阴极板和微结构模板；其中阳极板、阴极板和微结构模板位于加工槽内；微结构模板位于阴极板待加工部位，阳极板位于微结构模板上方；其特征在于：上述加工槽上方设置有喷液进口，该喷液进口与水平线呈55°-65°倾角；上述加工槽水平一侧设置有冲液进口，另一侧设置有出液口；系统还包括喷液磁力泵和冲液磁力泵；喷液磁力泵一端与储液槽相连，另一端与喷液进口相连；冲液磁力泵一端与储液槽相连，另一端与冲液进口相连。
利用所述喷-冲混合供液电铸系统的高深宽比金属微结构电铸方法，其特征在于：利用微结构模板上的图形可根据具体的需要制备不同高深宽比微结构，微结构深宽比为1-8；在电铸过程中利用喷液磁力泵和喷液进口实现电铸溶液倾斜角度的喷射流，并且控制喷液进口处喷射流流速为1.6-3.2m/s，喷射流流速与微结构的深宽比成正比关系，微结构深宽比越高，喷射流流速相应提高；与水平线呈55°-65°倾角的喷液进口可以提供具有一定倾斜角的溶液流动，可以提高电铸过程中微结构模板内部的溶液更新速度，提高微结构模板内部的离子浓度，从而改善电铸过程中的传质不良问题；在电铸过程中利用冲液磁力泵和冲液进口实现水平入射的冲液流，并且控制冲液进口冲液流流速为0.1-0.4m/s，低流速（0.2-0.4m/s）的水平冲液可以消除微结构模板表面涡流，以平衡微结构模板内部的流速，改善电铸过程中不同微结构模板内部的传质不平衡。
利用所述喷-冲混合供液电铸系统的高深宽比金属微结构电铸方法，其特征在于：所述微结构模板是采用UV-LIGA光刻技术制备的绝缘光刻胶膜或者是采用硅工艺、激光加工、选择性腐蚀等工艺制作的导电模板。
本发明的有益结果：(1)一种喷-冲混合供液电铸系统及高深宽比金属微结构电铸方法，提高电铸过程中微结构模板内部的溶液更新速度，提高微结构模板内部的离子浓度，改善电铸过程中的传质不良和传质不平衡的问题，促进了微电铸技术在MEMS技术中的进一步应用；(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。
附图说明
图1为一种用于高深宽比金属微结构制造的喷-冲混合供液电铸方法；
图2为微结构深宽比为1的微结构模具仿真模拟结果图；
图3为微结构深宽比为8的微结构模具仿真模拟结果图；
图中标号名称为：1-储液槽；2-喷液磁力泵；3-喷液进口；4-阳极板；5-恒流电源；6-冲液进口；7-冲液磁力泵；8-微结构模板；9-阴极板。
具体实施方式
以下结合附图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。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式
实例1：
步骤1：首先配置好电铸铜溶液，其配方为：：CuSO4·5H2O 80 g/L，H2SO4 160 g/L。电铸液的温度为30℃。选用通过UV-LIGA技术制备的微结构模具，微结构深宽比为1。
步骤2：选择喷射进口与水平线呈55°倾角，打开喷射磁力泵，调节流速为1.6 m/s。打开冲液磁力泵，调节流速为0.4 m/s。打开电源开关，设定电流密度2.5 A/dm2。
步骤3：打开电源，电沉积16 h 后得到高度为500 um的微铜柱。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。
对比例1：
步骤1：首先配置好电铸铜溶液，其配方为：：CuSO4·5H2O 80 g/L，H2SO4 160 g/L。电铸液的温度为30℃。选用通过UV-LIGA技术制备的微结构模具，微结构深宽比为1。
步骤2：关闭喷射磁力泵。打开冲液磁力泵，调节流速为1.6 m/s。打开电源开关，设定电流密度2.5 A/dm2。
步骤3：打开电源，电沉积16 h 后得到厚度为500 um的微铜柱。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。
图2是微结构深宽比为1的微结构模具内部离子浓度分布的仿真模拟结果图。如图2（a）所示，相比对比例1（只有常规的水平冲液），采用实例1中的喷-冲混合供液电铸方法可以增强传质，在微结构模板内部获得较高的离子浓度（图2（b）），进而可以实现在更高电流密度下得到完整的阵列微结构。
实例2：
步骤1：首先配置好电铸铜溶液，其配方为：CuSO4·5H2O 80 g/L，H2SO4 160 g/L。电铸液的温度为30℃。选用通过UV-LIGA技术制备的微结构模具，微结构深宽比为8。
步骤2：选择喷射进口与水平线呈65°倾角，打开喷射磁力泵，调节流速为3.2 m/s。打开冲液磁力泵，调节流速为0.1m/s。打开电源开关，设定电流密度1.8 A/dm2。
步骤3：打开电源，电沉积22 h 后得到高度为500 um的微铜柱。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。
对比例2：
步骤1：首先配置好电铸铜溶液，其配方为：：CuSO4·5H2O 80 g/L，H2SO4 160 g/L。电铸液的温度为30℃。选用通过UV-LIGA技术制备的微结构模具，微结构深宽比为8。
步骤2：关闭喷射磁力泵。打开冲液磁力泵，调节流速为3.2 m/s。打开电源开关，设定电流密度1.8 A/dm2。
步骤3：打开电源，电沉积22 h 后得到厚度为500 um的微铜柱。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。
图3是微结构深宽比为8的微结构模具内部离子浓度分布的仿真模拟结果图。如图3（a）所示，在对比例2（只有常规的水平冲液）的情况下，阵列微孔内部的离子浓度相对较低，会导致阵列微柱电铸生长速度慢甚至电铸失败，更多的电铸生长会发生在两侧的区域。相比之下，采用实例2中的喷-冲混合供液电铸方法可以增强传质，在微结构模板内部获得较高的离子浓度（图3（b）），进而可以实现在更高电流密度下得到完整的阵列微结构。

Claims (3)

1.一种喷-冲混合供液电铸系统，包括储液槽（1）、加工槽（6）、恒流电源（5）、阳极板（4）、阴极板（10）和微结构模板（9）；
其中阳极板（4）、阴极板（10）和微结构模板（9）位于加工槽（6）内；微结构模板（9）位于阴极板（10）待加工部位，阳极板（4）位于微结构模板（8）上方；
其特征在于：
上述加工槽（6）上方设置有喷液进口（3），该喷液进口与水平线呈55°-65°倾角；
上述加工槽（6）水平一侧设置有冲液进口（7），另一侧设置有出液口（11）；
系统还包括喷液磁力泵（2）和冲液磁力泵（8）；
喷液磁力泵（2）一端与储液槽（1）相连，另一端与喷液进口（3）相连；
冲液磁力泵（8）一端与储液槽（1）相连，另一端与冲液进口（7）相连。
2.利用权利要求1所述喷-冲混合供液电铸系统的高深宽比金属微结构电铸方法，其特征在于：
利用微结构模板（9）上的图形可根据具体的需要制备不同高深宽比微结构，微结构深宽比为1-8；
在电铸过程中利用喷液磁力泵（2）和喷液进口（3）实现电铸溶液倾斜角度的喷射流，并且控制喷液进口处喷射流流速为1.6-3.2m/s；以提高电铸过程中微结构模板（9）内部的溶液更新速度，提高微结构模板内部的离子浓度，从而改善电铸过程中的传质不良问题；
在电铸过程中利用冲液磁力泵（8）和冲液进口（7）实现水平入射的冲液流，并且控制冲液进口（7）冲液流流速为0.1-0.4m/s，以平衡微结构模板（8）内部的流速，改善电铸过程中不同微结构模板内部的传质不平衡。
3.利用权利要求1所述喷-冲混合供液电铸系统的高深宽比金属微结构电铸方法，其特征在于：
所述微结构模板（9）是采用UV-LIGA光刻技术制备的绝缘光刻胶膜或者是采用硅工艺、激光加工、选择性腐蚀等工艺制作的导电模板。
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CN116288374A (zh) * 2022-12-30 2023-06-23 东莞赛诺高德蚀刻科技有限公司 一种基于蚀刻及电沉积的金属表面二次加工方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116288374A (zh) * 2022-12-30 2023-06-23 东莞赛诺高德蚀刻科技有限公司 一种基于蚀刻及电沉积的金属表面二次加工方法
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