[發明專利]用于微細電解加工的線電極陣列結構制備方法

有效

• 申請號: 201310681914.4
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103706899A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 王權岱;肖繼明
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: B23H3/04
• 分類號: B23H3/04
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于微細電解加工技術領域，主要應用目標為高深寬比金屬微結構陣列的制備，涉及一種用于微細電解加工的線電極陣列結構制備方法。

背景技術

微機電系統中，高深寬比微結構可以為微器件帶來更高的靈敏度、更大的位移量或者更強的驅動力，例如，在航空航天機載設備、微鏡陣列、微流體傳感器、微馬達以及微細噴嘴等方面，為了得到高可靠性、高信噪比信號、高傳輸效率、低能量損失、高集成度的微系統，高深寬比微結構的制作是微機電系統中追求的重要目標。

微細電解加工（EMM）是基于金屬電化學溶解原理，具有加工工件表面不存在熱變形和微裂紋等缺陷、可實現批量加工、與材料硬度無關等優點，目前已在微納米制造技術群中占據重要位置。微細電解加工技術可以分為掩膜電解加工和無掩膜電解加工。掩膜電解加工主要優勢在于不需要制作微細工具電極，可以借助于成熟的光刻技術實現大面積并行加工。主要問題在于：深度方向溶解的同時也發生橫向溶解，刻蝕因子（刻蝕深度與側向溶解寬度的比率）難以提高。無掩膜微細電解是將宏觀電解工藝的工具電極微細化進行電解加工，目前已能進行數十納米微特征的加工，無掩膜微細電解工藝存在的最大問題是由于其串行工藝本質決定的加工效率很低。

為了提高無掩膜電解加工的效率，國內外研究人員提出了群電極以及線電極電解加工方法，這類方法加工中，群電極及線電極的制作方式及質量很大程度上決定了加工能力和加工質量，典型的方法包括：

1）通過LIGA技術、微細電火花加工、微細切削加工制備群電極，該方法制備的電極可以實現群孔的成組加工，主要問題在于：大面積微細群電極制備工藝復雜；為了加工高密度群孔，電極柱間距很小，采用該電極進行電解加工時，雜散腐蝕嚴重；另外，仍然存在傳統無掩膜電解加工中難以加工壁面陡直的微結構的問題，為了解決雜散腐蝕問題，采用了側壁進行絕緣處理的電解，但是制備工藝更為復雜；

2）以金屬網版作為群電極進行群柱微結構加工，網版背面和側壁進行沉積絕緣層，但是工藝復雜，并且不同形狀圖形需要制作不同網版；

3）采用單個線電極，線電極可以一次加工出一個凹槽，而且與傳統無掩膜電解加工相比，線電極對新生成結構的雜散腐蝕小，有望解決普通微尺度電解加工中難以加工高深寬比微細結構的問題，不足是雖然比單個柱電極加工效率提高，但是仍然存在加工效率低的問題；

4）將微細金屬絲纏繞在特定框架上形成線群縫電極，該方法提高了線電極加工效率，缺點是由于金屬絲與框架不是一體化加工，繞線工藝難度大，線電極尺寸及間距的均勻性難以保證。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于微細電解加工的線電極陣列結構制備方法，解決了現有技術在微細電解加工過程中存在的加工效率低、加工精度不夠以及難以加工高深寬比微結構的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種用于微細電解加工的線電極陣列結構制備方法，具體包括以下步驟：

步驟1、金屬基板的預處理；

步驟2、制作圖形化掩蔽膜；

步驟3、掩膜電解深刻蝕

以表面圖形化的金屬基板為陽極進行電解加工，得到掩膜電解深刻蝕加工制作線電極模板中的工具陰極，根據光刻膠圖形寬度及電解電流密度確定電解刻蝕時間，直到得到頂部尖的金屬柵線陣列圖形；

步驟4、去除背面材料，去除與已制作的金屬柵線對應的背部材料，得到與邊框一體的線電極陣列，即成。

本發明的有益效果是，采用線電極陣列作為工具陰極進行高深寬比金屬微結構的微細電解加工制作，實現了高深寬比金屬微結構陣列的高效制作，其特征在于以下方面：

1）線電極陣列結構制作是通過掩膜電解深刻蝕結合去除背面材料的方法，實現線電極金屬絲和框架的一體化制造；

2）線電極陣列制造工藝包括以下步驟：正面經過涂膠、曝光、顯影得到大占空比的光刻膠線條陣列；進行微細電解深刻蝕，去膠后得到具有足夠高度的金屬線陣列；在與正面金屬線相對應的背部區域進行材料去除加工，深至正面金屬線，從而得到與金屬邊框一體的金屬絲線電極陣列結構；

3）工具電極以一定的速度向工件進給，可以成組加工出微凹槽陣列，工具電極或工件旋轉一定角度再次進行加工，可以制作出方形、菱形截面的金屬微柱陣列；

4）控制工具電極在工件所在平面的進給步距，可以控制所加工微凹槽的密度（或微凸臺的寬度）；

5）工具電極金屬線上尖下款的特點使得加工過程中對新生成的微結構壁面的影響減小，可以進一步提高線電極微細電解加工的側壁的陡直性。

本發明的特點還包括：