CN1699006A - 阵列微细型孔的电化学加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于微细加工领域的以微小间隙电解蚀除加工为核心，将光刻和电铸工艺、精密电火花线切割加工技术融合的金属合金材料的阵列微细型孔的电化学加工工艺。其方法是采用线切割或光刻电铸工艺制作阵列微细电极，对金属合金材料进行电解蚀除加工。如需加工较小深宽比的阵列微细型孔，所述阵列微细电极之间有绝缘胶填充并将端面磨平；如需加工较大深宽比的阵列微细型孔，所述阵列微细电极之间没有绝缘胶填充，但电极侧壁上覆有绝缘薄膜。绝缘处理减小了电解加工中杂散电场的不利影响。本发明利用阵列微细电极的电化学加工工艺，辅之以脉冲电源技术、微小间隙检测和控制技术，为阵列微细型孔提供一尺寸一致性好、具有批量生产特点的制作方法。
Description
技术领域
本发明属于微细加工领域，特别涉及以电解加工为核心，光刻、精密电火花线切割加工和电铸工艺等技术交叉融合的金属合金材料的阵列微细型孔的电化学加工工艺。
背景技术
金属合金材料的阵列微细型孔在许多领域有广泛的应用。例如打印机喷墨孔阵列、筛网结构、喷丝板及MEMS(微型机电系统)中微喷、微泵等微细结构等。目前阵列微细型孔的加工方法涉及精密机械加工、特种加工和微细加工等。
采用精密机械加工工艺制造阵列微细型孔，存在加工精度难以保证、加工效率低、复杂形状加工困难等缺点。在特种加工中，电子束和离子束加工需要在真空条件下进行，加工设备昂贵，在实际应用上有局限性；激光加工的形状精度和表面光洁度通常较差；电火花加工的加工效率较低，且加工精度受电极损耗的影响，不适于阵列微细型孔的批量制作；电化学加工在加工机理上具有达到精密和微细加工的可能性，但传统的电化学加工工艺包括光刻电解加工工艺，由于电场的发散和电极侧壁的杂散腐蚀等，在电解蚀除过程中尺寸精度不易精密控制，应用于微细加工尚待解决关键的工艺问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于微细电化学工艺的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺。其特征在于：首先设计制作阵列微细电极，然后利用该阵列微细电极对工件进行电解加工，得到所需的阵列微细型孔。其中阵列微细电极的制作成型有两条工艺路线：采用线切割工艺或采用光刻和电铸工艺。如需加工深宽比较大的阵列微细型孔，还需要对电极进行侧面沉积绝缘处理。该方法的具体步骤如下：
一、如需加工较小深宽比的阵列微细型孔，有两种可选的工艺路线：
1、线切割成形电极的电化学加工
(1)利用线切割工艺制作阵列微细电极，电极形状可为多边形，如三角形、四边形、六边形等；
(2)在阵列微细电极中填充绝缘胶，起到侧面绝缘作用，对绝缘胶进行固化处理后，把端面打磨平整露出电极端面，完成阵列电极的制作；
(3)利用阵列微细电极进行电解加工，得到阵列微细型孔；加工过程中，阵列电极的端面和工件之间保持一微小间隙，不做纵向进给运动。
2、光刻电铸成形电极的电化学加工
(1)根据所需微细型孔和电极的截面形状和尺寸设计制作光刻掩膜板；
(2)在硅片或其它材料的基底上溅射金属种子层，然后旋涂厚光刻胶；
(3)利用紫外光源，采用厚胶的接触紫外曝光技术，得到与所需电极的形状和尺寸一致的厚胶微结构；
(4)电铸金属镍，得到阵列电极，将端面磨平，完成阵列微细电极的制作；
(5)利用阵列微细电极进行微细电解加工，得到阵列微细型孔；加工过程中，阵列电极的端面和工件之间保持一微小间隙，不做纵向进给运动。
二、如需加工较大深宽比的阵列微细型孔，工艺路线如下：
(1)利用线切割得到阵列微细电极，或利用光刻电铸工艺、并去除光刻胶得到阵列微细电极的主体结构；
(2)利用气相沉积工艺在电极表面沉积一层绝缘薄膜；
(3)填充光刻胶并固化后，磨平端面，并保证电极端面的绝缘薄膜被完全去除，使电极端面导电；
(4)去除光刻胶，并保留电极侧壁和基底上的绝缘薄膜层，完成侧壁绝缘的高深宽比阵列微细电极的制作；
(5)利用该阵列电极进行电解蚀除加工，得到高深宽比的阵列微细型孔；加工过程中，阵列电极沿垂直于工件待加工表面的方向作纵向进给运动；通过微小间隙检测装置实时测量、并通过微动工作台自动保持一微小加工间隙，以提高形状复制精度。
三、所述微细电解加工中，利用脉冲电源技术和微小间隙控制技术。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用微细电化学工艺加工阵列微细型孔，加工过程中工具电极不损耗，电极可反复使用，成本低，并且可重复性好。加工完成后微细结构没有毛刺、表面光滑、无内应力和裂纹等缺陷。
2、本发明采用阵列微细电极加工阵列微细型孔，加工效率高且阵列中所有孔的形状一致性好，适于大批量生产。
3、如需加工较小深宽比的阵列微细型孔，本发明采用两条工艺路线成形阵列电极。其中，利用线切割工艺成形电极的工艺简单，加工精度高；采用光刻电铸工艺成形电极，方法灵活性好，可制作任意截面形状的阵列电极，并适于微米级到毫米级的任意电极尺寸；
4、在小深宽比阵列微细型孔的加工中，电极之间有绝缘胶质填充，避免了电解蚀除加工过程中电极侧壁的杂散电场，减小了工件的杂散腐蚀效应，提高加工成型精度。
5、在大深宽比阵列微细型孔的加工中，对阵列电极的侧壁作沉积绝缘处理。电极侧壁的绝缘薄膜层避免了电解蚀除加工过程中电极侧壁的杂散电场，减小了工件的杂散腐蚀效应，有利于保证高深宽比的加工成型精度。
附图说明
图1为小深宽比的阵列微细型孔的电化学加工示意图；
图2为高深宽比的阵列微细型孔的电化学加工示意图；
图3为利用线切割成形电极的阵列微细型孔的电化学加工工艺流程；
图4为利用光刻电铸成形电极的阵列微细型孔的电化学加工工艺流程；
图5为利用侧壁绝缘的阵列电极进行高深宽比阵列微细型孔加工的电化学工艺流程。
具体实施方式
本发明提供基于微细电化学工艺的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺如图1或图2所示。首先设计制作阵列微细电极1，然后利用阵列微细电极1对工件2进行电解加工，得到所需的阵列微细型孔。
结合本发明内容提供以下实施例。
一、小深宽比阵列微细型孔的电化学加工，如图1所示。
根据所需阵列微细型孔的形状和尺寸，设计制作阵列微细电极1；电极的间隙中有绝缘胶质填充，端面磨平。然后利用该阵列电极对工件2进行电解蚀除加工。
小深宽比的阵列微细型孔的电化学加工所用的阵列微细电极的制备方法有两种；相应的，有两种不同的工艺路线可用。
1.利用线切割成形电极的阵列微细型孔的电化学加工方法，如图3所示：
(a)线切割：利用线切割工艺制作阵列微细电极，可完成多边形电极制作，如三角形、正方形及六边形等。三角形电极阵列的线切割加工需要三次走刀，后两次走刀依60°和120°旋转分度；正方形电极阵列的加工需要两次走刀，90°分度；
(b)填充绝缘胶及其固化：用某种绝缘胶填充阵列电极并固化，用于电极的侧壁绝缘。选择不同的绝缘胶需采用不同的固化方式，例如PMMA胶，采用烘干固化方式。固化后用机械抛光方法将端面打磨平整，完成阵列微细电极的制作；
(c)电解加工：利用制作好的阵列电极进行电化学加工。加工过程中选用脉冲电源，并根据阵列电极的大小和数量确定加工参数；利用微动工作台，使阵列电极端面与工件的上表面之间保持一微小间隙，约20微米左右；加工过程中，电极位置固定，不作纵向进给运动；
(d)完成阵列微细型孔的加工。
2、利用光刻电铸成形电极的阵列微细型孔的电化学加工方法，如图4所示：
(a)溅射和甩胶：在硅片或其他材料基底的表面溅射一层厚度为800～1000埃的金属镍膜，该种子层起到导电和增强光刻胶与硅基底之间的结合力的作用；在导电基底上用甩胶机甩涂光刻胶，采用SU-8负胶；将光刻胶进行前烘去除溶剂。为使光刻胶层厚度均匀，采用多次甩胶方式，光刻胶厚度根据所需电极高度确定；
(b)光刻：根据阵列微细型孔的截面形状和尺寸绘制阵列电极的二维图形，并确定电极的形状(可为任意形状)、数量和位置关系，绘制掩模板；使用该掩膜板，在紫外曝光机上，采用接触式紫外光曝光，之后进行后烘；
(c)显影：用显影液显影。将掩膜板上平面图形高精度地转化为与电极的形状和尺寸一致的光刻胶微结构；
(d)电铸和端面磨平：在光刻胶的空腔内进行镍电铸；并将端面磨平，完成阵列微细电极的制作；
(e)电解加工：利用制作好的阵列电极进行电化学加工。加工过程中选用脉冲电源，并根据阵列电极的大小和数量确定加工参数；利用微动工作台，使阵列电极端面与工件的上表面之间保持一微小间隙，约20微米左右；加工过程中，电极位置固定，不作纵向进给运动；
(f)完成阵列微细型孔的加工。
二、高深宽比的阵列微细型孔的电化学加工，如图2所示。
根据所需阵列微细型孔的形状和尺寸，设计制作阵列微细电极1；每个电极的侧壁和基底上都覆有绝缘薄膜，利用该阵列电极对工件2进行电解蚀除加工。
具体的工艺流程如图5所示。
(a)阵列电极主体结构的制作：采用线切割工艺制作阵列微细电极，或采用光刻电铸工艺成形后去除光刻胶，得到所需的阵列微细电极的主体结构；
(b)沉积绝缘薄膜：电极表面沉积绝缘薄膜，采用CVD、LPCVD或PECVD等工艺，在电极和基底表面沉积一层绝缘薄膜层，绝缘层材料可为Si3N4、碳化硅或SiO2等；
(c)填充光刻胶，并固化；
(d)机械方法磨平端面，并保证电极端部的绝缘薄膜完全去除，使电极端面导电；
(e)去除光刻胶，保留电极侧壁和基底种子层上的绝缘薄膜，完成侧壁绝缘的大深宽比阵列微细电极的制作；
(f)进行电解加工：选用脉冲电源，并根据阵列电极的大小和数量确定加工参数；利用微小间隙检测装置实时测量加工间隙，通过微动工作台维持一微小的加工间隙，约20微米左右；加工过程中，电极沿垂直于工件待加工表面的方向作纵向进给运动，直至完成所需的加工深度；
(g)完成高深宽比的阵列微细型孔的加工。
Claims (5)
1.一种阵列微细型孔的电化学加工工艺，其特征在于：首先根据所需加工的微细型孔的形状和尺寸设计制作阵列微细电极，然后利用该阵列微细电极对工件进行电解加工，辅之以脉冲电源和微小间隙电解加工控制，得到所需的阵列微细型孔。
2.根据权利要求1所述的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺，其特征是，所述阵列微细电极可利用精密电火花线切割加工成形，电极截面形状为多边形，包括三角形、四边形或六边形。
3.根据权利要求1所述的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺，其特征是，所述阵列微细电极可利用光刻电铸成形，电极截面形状由光刻掩膜板设计决定，可为任意形状。
4.根据权利要求1所述的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺，其特征是，用于加工较小深宽比的阵列微细型孔的阵列微细电极，电极之间有绝缘胶填充，并将端面磨平；其制作方法为：利用线切割工艺制作阵列微细电极后，填充绝缘胶固化，端面磨平露出电极端面；或者利用光刻电铸工艺制作阵列微细电极，由于电极间已有绝缘的光刻胶，因此直接进行端面磨平；由于电极之间充满绝缘胶质，避免了电解蚀除加工过程中电极侧壁的杂散电场，减小了工件的杂散腐蚀效应，提高加工成型精度。
5.根据权利要求1所述的一种阵列微细型孔的电化学加工工艺，其特征是，用于加工大深宽比的阵列微细型孔的阵列微细电极，电极侧壁和基底上覆有绝缘薄膜；其制作方法为：首先采用线切割工艺或光刻和电铸工艺制作无光刻胶填充的阵列微细电极，然后在电极表面沉积绝缘薄膜层，填充光刻胶固化并磨平端面，使电极端面导电，然后去除光刻胶而保留电极侧壁和基底上的绝缘薄膜层；电极侧面的绝缘层避免了电解蚀除加工过程中电极侧壁的杂散电场，减小了工件的杂散腐蚀效应，有利于保证高深宽比的加工成型精度。
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