[实用新型]一种电化学加工装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种纳米加工装置，尤其涉及一种电化学加工装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，微型化是军事及民用研究领域总的发展趋势。如大规模集成电路(ULSI)、微纳机电系统(MEMS&NEMS)、微全分析系统(μ-TAS)以及精密光学器件的发展，要求每个功能器件的尺寸达到微纳米量级。现代化的高技术战争要求武器小型化，如微型潜艇、微型飞机、微型导弹等，这些新型武器的组成零件要求其结构尺寸达到微米乃至纳米量级，加工精度达到纳米量级。在民用领域，以计算机CPU芯片为例，商业化的超大集成电路的特征线宽已经达到32nm以下。这些零件或者元件的制造需要各种微纳加工技术，因此，发展微纳加工技术已成为全世界精密制造领域最前沿的热门课题，并且在此基础上逐步形成了一个新兴产业——微纳制造。一般地，微纳加工技术的产业需求具体体现在以下三个方面：(1)纳米精度的超光滑表面；(2)微纳尺度的三维复杂结构；(3)微纳米器件的装配。

电化学微纳加工技术作为微纳加工方法之一，具有无热效应、无残余应力，精度可控、去除率高、加工效率高、环境友好等优点。因此，在微纳加工领域也占有及其重要的地位。实现电化学微纳加工的方法有：阴极电沉积(电镀或电铸)、阳极溶解、电化学诱导化学刻蚀技术。电化学反应发生在电极/溶液界面，由于参与反应的物质的液相传质过程，在界面溶液一侧形成扩散层。因此，控制电化学微/纳米加工精度的关键就在于控制扩散层的厚度。常用的电化学微纳加工方法有：

(1)扫描探针电化学微纳加工技术

电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)微纳加工方法于1997年由Kolb课题组提出：首先在STM探针上沾上带有Cu2+的溶液，再移到金基片上通过电沉积形成铜纳米团簇。厦门大学毛秉伟教授课题组在室温离子液体环境中电沉积得到了活泼金属锌和铁的纳米团簇图案。此方法的加工精度非常高，团簇的直径一般在亚纳米级别，高度可以控制在几个纳米。但其最大的不足在于扫描行程非常有限，因此加工尺度范围很小。Schuster提出了超短电压脉冲技术，该技术是将微/纳米电极、电极阵列或者带有三维微结构的模板逼近待加工的导电基底，在针尖与基底之间施以纳秒级电压脉冲，只有距离工具最近的工件部位发生阳极溶解，从而得到尺度可控的微型结构。这种技术具有距离敏感性，加工精度较高，但逐点作业效率低。

扫描电化学显微镜(SECM)是一种以超微电极或纳米电极为探针的扫描探针技术，由一个三维精密定位系统来控制探针电极与被加工基底之间的距离，通过在针尖与基底之间局部区域激发电化学反应，可以获得各种微结构图案。该技术空间分辨率有所降低，但化学反应性能得到增强，大大拓展了微/纳米加工的对象，成为一种重要的微纳加工技术。扫描微电解池显微镜(SECCM)是利用毛细管尖端的微液滴与导电工件形成接触，参比CN104098066B说明书42/5页5电极、对电极插入到毛细管中与导电的加工基底构成微电解池，并以该微电解池作为扫描探针。由于电化学反应被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸决定了加工的精度。

(2)掩模电化学微纳加工技术

LIGA是一种加工高深宽比微/纳米结构的方法。该方法先在导电基底上涂覆一层光刻胶，通过光刻曝光后形成高深宽比的微/纳米结构，然后在含有微/纳米结构的光刻胶模板上电沉积金属，去除光刻胶后得到金属微/纳米结构。获得的金属微/纳米结构，还可以进一步作为加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深宽比可以达到10～50，粗糙度小于50nm。但该技术使用的X射线曝光光源价格昂贵，而紫外曝光工艺得到的深宽比又较低。另外，如何在有较高深宽比的光刻胶微/纳米结构中实现高质量的电铸也是需要解决的问题。

EFAB是由美国南加州大学Adam Cohan教授提出的一种微/纳米加工方法。EFAB技术首先利用CAD将目标三维微/纳米结构分解成容易通过光刻加工的多层二维微/纳米结构，然后将设计好的微/纳米结构层和牺牲层一层一层地沉积于二维光刻胶模板中，去掉光刻胶模板和牺牲层金属就可以得到所需的微/纳米结构。但每一个电铸层都要求高度平坦化，而化学机械抛光(CMP)成本高，而且任何两层之间的对准错误都将会导致整个微/纳米加工流程失败。