[發(fā)明專利]一種電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110606852.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN113649657B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉國棟;李勇;祝玉蘭;佟浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B23H3/04
• 分類號(hào): B23H3/04;B23H3/06;B23H11/00
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

本發(fā)明屬于特種加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極及其制備方法。本發(fā)明采用MEMS領(lǐng)域中的沉積工藝，在圖形化犧牲層上沉積尺寸為幾十?幾百納米的圖形化多晶硅層，然后對(duì)圖形化多晶硅層進(jìn)行摻雜，將圖形化犧牲層去除后得到用于納米電解加工的工具電極。本方法制備的多晶硅工具電極，由于硅材料硬度高，剛度大，在微細(xì)尺寸下可以保證不發(fā)生形變，加工精度優(yōu)于金屬電極。本發(fā)明的晶硅工具電極，加工過程成本低，可重復(fù)性好，在微加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本方法涉及的硅微細(xì)加工工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以進(jìn)一步縮小工具電極的特征尺寸；通過刻蝕工藝在硅片上得到電解加工用的納米工具電極，具有大批量制作的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于特種加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，功能結(jié)構(gòu)的微型化已成為光學(xué)、電子、生物、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)減少到微米量級(jí)，甚至是納米量級(jí)。當(dāng)前，納米制造是世界科技強(qiáng)國技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)之一。納米制造工藝將制造對(duì)象由宏觀擴(kuò)展到納觀，開拓了新的研究領(lǐng)域。基于物理/化學(xué)/生物制造的原理，目前在納米壓印、約束刻蝕劑層技術(shù)、高能束(超快激光、電子束、離子束)加工、納米打印技術(shù)和電解加工方面取得了一定的進(jìn)展。其中，納米電解加工技術(shù)在機(jī)理上具有工具電極無損耗和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且其在加工材料的范圍、加工結(jié)構(gòu)的多樣性和成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

納米尺度工具電極作為工具是進(jìn)行納米電解加工的必備條件，其特征尺寸直接影響納米電解加工的尺寸和精度。目前國內(nèi)外的研究人員分別采用電化學(xué)刻蝕技術(shù)、機(jī)械剪切、受控爆裂、火焰磨削、聚焦離子束銑削技術(shù)、銀納米線自組裝技術(shù)和碳納米管束焊接工藝等制備得到了尖端圓弧半徑一般在10-100nm范圍內(nèi)，電極尖端為尖錐狀且錐度大，采用該電極加工出的結(jié)構(gòu)側(cè)壁有很大的錐度，尤其是加工深度較大時(shí)，加工得到的結(jié)構(gòu)尺寸精度受到嚴(yán)重的限制。采用聚焦離子銑削、自組裝技術(shù)等方法雖然可以制備出納米尺度電極，然而聚焦離子銑削設(shè)備昂貴，制備電極成本高，不適合批量制造。浸沒電化學(xué)刻蝕法制備微電極雖然也得到了驗(yàn)證，但是電極的尺寸一致性不足，可重復(fù)性較差。

中國國家發(fā)明專利(公開號(hào)：CN201610909851.7)采用的“電解加工用微細(xì)單晶硅工具電極及其制備工藝”闡述了單晶硅工具電極的設(shè)計(jì)和制備工藝，可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的工具電極的制備，制備得到的工具電極被證明是有效的、可行的。當(dāng)前，采用的電子束光刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸(線寬)小于50nm的刻寫，因此采用硅材料制備具有納米尺度的電解加工用的工具電極具備可行性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極及其制備方法，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，以微細(xì)納米尺度工具電極特征尺寸小于100nm為研究目標(biāo)，用于滿足納米電解加工的應(yīng)用需求。

本發(fā)明提出的一種電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極，包括硅基體、導(dǎo)電金屬層和多晶硅陰極；所述的導(dǎo)電金屬層的前部與多晶硅陰極的后部相互連接，導(dǎo)電金屬層的后部位于硅基體上；所述的多晶硅陰極的前端部為電極工作端，多晶硅陰極的后部通過基體附著層與硅基體的前部相互連接；所述的硅基體的背面加工有定位槽，用于當(dāng)多晶硅工具電極處于工作狀態(tài)時(shí)，使工具電極與其它工件夾持定位。

本發(fā)明提出的電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極的制備方法，采用MEMS領(lǐng)域中的沉積工藝，在圖形化犧牲層上沉積尺寸為幾十-幾百納米的圖形化多晶硅層，然后對(duì)圖形化多晶硅層進(jìn)行摻雜，將圖形化犧牲層去除，得到直接用于納米電解加工的工具電極。

本發(fā)明提出的電解加工用的納米尺度多晶硅工具電極及其制備方法，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：