[发明专利]用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微细电解加工技术领域，主要应用目标为高深宽比金属微结构阵列的制备，涉及一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法。

背景技术

微机电系统中，高深宽比微结构可以为微器件带来更高的灵敏度、更大的位移量或者更强的驱动力，例如，在航空航天机载设备、微镜阵列、微流体传感器、微马达以及微细喷嘴等方面，为了得到高可靠性、高信噪比信号、高传输效率、低能量损失、高集成度的微系统，高深宽比微结构的制作是微机电系统中追求的重要目标。

微细电解加工（EMM）是基于金属电化学溶解原理，具有加工工件表面不存在热变形和微裂纹等缺陷、可实现批量加工、与材料硬度无关等优点，目前已在微纳米制造技术群中占据重要位置。微细电解加工技术可以分为掩膜电解加工和无掩膜电解加工。掩膜电解加工主要优势在于不需要制作微细工具电极，可以借助于成熟的光刻技术实现大面积并行加工。主要问题在于：深度方向溶解的同时也发生横向溶解，刻蚀因子（刻蚀深度与侧向溶解宽度的比率）难以提高。无掩膜微细电解是将宏观电解工艺的工具电极微细化进行电解加工，目前已能进行数十纳米微特征的加工，无掩膜微细电解工艺存在的最大问题是由于其串行工艺本质决定的加工效率很低。

为了提高无掩膜电解加工的效率，国内外研究人员提出了群电极以及线电极电解加工方法，这类方法加工中，群电极及线电极的制作方式及质量很大程度上决定了加工能力和加工质量，典型的方法包括：

1）通过LIGA技术、微细电火花加工、微细切削加工制备群电极，该方法制备的电极可以实现群孔的成组加工，主要问题在于：大面积微细群电极制备工艺复杂；为了加工高密度群孔，电极柱间距很小，采用该电极进行电解加工时，杂散腐蚀严重；另外，仍然存在传统无掩膜电解加工中难以加工壁面陡直的微结构的问题，为了解决杂散腐蚀问题，采用了侧壁进行绝缘处理的电解，但是制备工艺更为复杂；

2）以金属网版作为群电极进行群柱微结构加工，网版背面和侧壁进行沉积绝缘层，但是工艺复杂，并且不同形状图形需要制作不同网版；

3）采用单个线电极，线电极可以一次加工出一个凹槽，而且与传统无掩膜电解加工相比，线电极对新生成结构的杂散腐蚀小，有望解决普通微尺度电解加工中难以加工高深宽比微细结构的问题，不足是虽然比单个柱电极加工效率提高，但是仍然存在加工效率低的问题；

4）将微细金属丝缠绕在特定框架上形成线群缝电极，该方法提高了线电极加工效率，缺点是由于金属丝与框架不是一体化加工，绕线工艺难度大，线电极尺寸及间距的均匀性难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，解决了现有技术在微细电解加工过程中存在的加工效率低、加工精度不够以及难以加工高深宽比微结构的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于微细电解加工的线电极阵列结构制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、金属基板的预处理；

步骤2、制作图形化掩蔽膜；

步骤3、掩膜电解深刻蚀

以表面图形化的金属基板为阳极进行电解加工，得到掩膜电解深刻蚀加工制作线电极模板中的工具阴极，根据光刻胶图形宽度及电解电流密度确定电解刻蚀时间，直到得到顶部尖的金属栅线阵列图形；

步骤4、去除背面材料，去除与已制作的金属栅线对应的背部材料，得到与边框一体的线电极阵列，即成。

本发明的有益效果是，采用线电极阵列作为工具阴极进行高深宽比金属微结构的微细电解加工制作，实现了高深宽比金属微结构阵列的高效制作，其特征在于以下方面：

1）线电极阵列结构制作是通过掩膜电解深刻蚀结合去除背面材料的方法，实现线电极金属丝和框架的一体化制造；

2）线电极阵列制造工艺包括以下步骤：正面经过涂胶、曝光、显影得到大占空比的光刻胶线条阵列；进行微细电解深刻蚀，去胶后得到具有足够高度的金属线阵列；在与正面金属线相对应的背部区域进行材料去除加工，深至正面金属线，从而得到与金属边框一体的金属丝线电极阵列结构；

3）工具电极以一定的速度向工件进给，可以成组加工出微凹槽阵列，工具电极或工件旋转一定角度再次进行加工，可以制作出方形、菱形截面的金属微柱阵列；

4）控制工具电极在工件所在平面的进给步距，可以控制所加工微凹槽的密度（或微凸台的宽度）；

5）工具电极金属线上尖下款的特点使得加工过程中对新生成的微结构壁面的影响减小，可以进一步提高线电极微细电解加工的侧壁的陡直性。

本发明的特点还包括：