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约束刻蚀剂层技术(CELT)用于金属材料表面复杂三维微结构的加工研究

蒋利民  
【摘要】: 微机电系统(MEMS)和微光机电系统(MOEMS)是当今科学技术的热点研究领域之一。微机电系统,泛指体积微小、集微型机械、微型传感器、微型信号处理器、微型执行器、直至接口、通讯和电源等于一体,具有多种功能的系统。微机电系统不但通过微型化和集成化达到节省空间、时间、材料和能源的目的,并且具有小惯性、易控制、高速度、高功能密度、高信息密度、高互联密度等特点,更重要的还在于它可以完成大尺寸系统所不能完成的任务,延拓人们认识自然的视野,开辟新的技术领域和产业。 微纳米尺度的微结构加工技术是今日微机电系统和微光机电系统技术的关键部分。微机电系统和微光机电系统的制造需要高深宽比的复杂三维微结构,当今的主导微加工技术,即以光刻工艺为基础的IC工艺和LIGA技术,虽然可以达到较高深宽比,但它们都难于完成复杂三维微结构的加工。许多新研究的方法在这方面也存在困难。鉴于现有的微加工技术在加工复杂三维微结构方面存在许多局限性,尤其在加工金属材料方面,存在更多不足,1992年,田昭武院士等提出了约束刻蚀剂层技术(Confined Etchant Layer Technique,简称CELT),该技术是一种可用于三维超微图形复制加工的新型技术,原则上它能同时满足微系统加工技术中的三个要求,即,微纳米级的分辨率、真正的复杂三维微结构和微结构的批量复制加工。 本论文进行了用约束刻蚀剂层技术对金属材料进行复杂三维微结构加工研究,实现了在Cu、Ni、Ti、Al、Mg和Cd等金属材料上进行亚微米级分辨率的复杂三维微结构的电化学刻蚀加工,将模板上的微结构通过“电化学—化学”联合作用的加工方式复制到上述材料表面,或对上述材料进行微米尺度的通孔或盲孔加工,达到微米或亚微米级分辨率。这一技术弥补了现行的MEMS加工方法的不足。论文对电化学刻蚀机理进行了一定的探讨。论文主要研究了如下几个方面内容: 1.关于金属铜的约束刻蚀加工 以FeCl_2为产生刻蚀剂Fe~(3+)的前驱体,以SnCl_2和抗坏血酸为捕捉剂,并添加络合剂2,2-联吡啶,或者,以NaNO_2为产生刻蚀剂HNO_3的前驱体,以NaOH为捕捉剂,并辅助以络合剂柠檬酸,成功实现了在金属铜表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工。复制加工分辨率为亚微米级。提出了初步的刻蚀加工工艺,采用恒电流电解方式,典型的工艺参数为:电流密度I=1×10~(-2)~2.5×10~(-2)A/cm~2,温度T=35~40℃。 研究了Fe~(3+)刻蚀体系的反应机理。通过循环伏安曲线对络合剂和捕捉剂的特性和作用进行了分析。研究了刻蚀剂的产生速度对刻蚀表面形态的影响,刻蚀剂的生成速度越快,越容易得到均匀腐蚀的刻蚀表面,但电流密度过高则会降低刻蚀加工分辨率,还会产生氧气析出,干扰扩散层。 研究了不同络合剂对刻蚀表面形态的影响。加入不同的络合剂,由于络合物的空间构型不一样,空间位阻不一样,在腐蚀过程中,Fe~(3+)的进攻方式也会不一样,导致刻蚀表面腐蚀形态存在较大差异。 2.关于金属镍的约束刻蚀加工 研究了NaNO_2体系的约束刻蚀机理,通过循环伏安曲线、Ip—v~(1/2)曲线等分析了捕捉剂NaOH的加入对HNO_2电化学氧化生成刻蚀剂HNO_3的电极过程的影响,并讨论了进行CELT加工时工艺参数选择问题。 设计以NaNO_2为产生刻蚀剂HNO_3的前驱体,以NaOH为捕捉剂,并加入Ni的络合剂酒石酸以及其它添加剂,成功实现了在镍表面进行复杂三维微结构的复制加工,加工分辨率达到亚微米级。 实现了在镍箔(厚度50μm)上进行通孔加工。对于直径为89μm的圆孔,单边加工误差约为4μm。该误差与仪器的重复定位精度有关。 研究了刻蚀电解液中各成分浓度以及电流密度等因素对加工分辨率的影响。 提出了对于对金属镍进行CELT微加工的基本工艺。电流密度i=5×10~(-3)A/cm~2~2.5×10~(-2)A/cm~2,室温。 3.关于金属钛的约束刻蚀加工: 在全面分析金属钛的腐蚀特性基础上,设计了以“NaNO2—NaClO_3”为产生H~+的先驱物,与设计加入到溶液中的另一组分NaF中的F~-结合形成刻蚀剂HF酸,并辅助以其它添加剂,来刻蚀金属钛,并设计以NaOH作为捕捉剂来约束刻蚀剂层的厚度。 研究了“NaNO_2—NaClO_3—NaF—NaOH”体系的刻蚀过程机理。研究了NaNO_2与NaClO_3之间的相互作用以及NaNO_2与NaClO_3浓度对刻蚀分辨率的影响。实验表明,NaNO_2自身就有一定的约束作用。 使用“NaNO_2—NaClO_3—NaF—NaOH”刻蚀体系成功地实现了在钛表面进行微孔加工和复杂三维微结构的复制加工,加工分辨率达到亚微米级。 分析了表面活性剂的作用,研究了表面活性剂对刻蚀加工金属钛的分辨率的影响。 提出了合适的刻蚀加工工艺。电流密度i=1.25×10~(-2)~5.0x10~(-2)mA/cm~2,温度T=35~45℃。 4.关于金属铝、镁和镉的约束刻蚀加工: 研究了以NaNO_2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂,在酒石酸及缓蚀剂硅酸钠或多聚磷酸钠等存在下刻蚀金属铝的机理。应用该约束刻蚀体系,实现了在铝表面进行复杂三维微结构的复制加工。加工分辨率在亚微米级。 研究了在NO_2~-氧化的电极过程中,表面pH的变化情况,以及电流密度对H~+扩散层厚度的影响。分析了用NaOH作为捕捉剂刻蚀铝的局限性和解决问题的方法。通过腐蚀速度测定、电极表面pH测定以及线性扫描伏安曲线测定并结合刻蚀实验,对镁的一些刻蚀体系进行了分析和筛选。应用NaNO_2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂,在硅酸纳等添加剂的存在下对金属镁的约束刻蚀加工进行了初步研究,复制加工出阵列立方体微结构,加工分辨率也可达到亚微米级。 应用NaNO2为产生刻蚀剂的先驱物、以NaOH为捕捉剂,辅助以NH_4Cl,完成了在金属镉表面进行刻蚀加工的初步研究。并取得初步成效。 综合研究还表明,要取得高刻蚀分辨率和高加工质量,生成的刻蚀剂对被加工材料应有很高的腐蚀速度,在刻蚀剂的电化学产生过程中,电极(模板)上最好没有伴随气体副产物产生,当不可避免地有气体产生时,应添加适当及适量的表面活性剂。


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1 曾繁章,郭钟宁,刘江文;微细电化学加工技术[J];机电工程技术;2005年05期
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