%ae细加工技术在国内外发展趋势的研究

因此，如何发掘电解加工机理优势，将其应用于 ＭＥＭＳ器件的微细加工中，目前已引起了各国学者的 广泛重视，成为一项很有应用前景和发展的研究课题。
２电解微细加工机理
电解加工时，工件（阳极）表面因钝化作用产生的
钝化膜（金属氧化物吸附膜或成相膜）会阻止低电流
密度下的电解作用（在电流效率曲线上，钝化区电流
密度一般在５—２０ Ａ／ｃｍ２之间），常规电解加工用较高
ｌ国内外研究发展现状
ＭＥＭＳ器件材料有硅、金属、压电材料、磁性材料、 超导材料、感光材料、形状记忆合金等。依托大规模集 成电路工艺基础的硅微细加工技术主要通过光刻及化 学刻蚀得到微小的沟槽、筋板、孔洞等结构，但此工艺
脚象嫠耋等 只限于硅材料。相对于硅材料的微细加工，ＬＩＧＡ技术
万方数据
（制版、电铸、注塑）可以对许多金属材料进行微细加 工，尺寸可小至１斗ｍ，精度达亚ｐ，ｍ级，已使ＭＥＭＳ领 域产生重大进展。但ＬＩＧＡ技术所需要的深层Ｘ射线 辐射源价格昂贵，推广应用受到限制。而采用电铸工 艺，不需要同步Ｘ射线辐射源的准ＬＩＧＡ技术成为又 一研究热点，但研究还有待深入¨。Ｊ。线电极电火花 磨削技术ＷＥＤＧ（Ｗｉｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）使 微细加工电极的在线制作、安装得到较好的解决，微细 电火花加工（Ｍｉｃｒｏ—ＥＤＭ）因此有了迅速发展。日本 东京大学增泽隆久等人采用微细电火花技术已加工出 直径犯．５ Ｉｘｍ的微细轴和孔径筘ｐ，ｍ的微细孔，可 进行５００ ｉｚｍｘ３００ ＩＬＬｍｘ２００仙ｍ三维微细轮廓的数控 电火花铣削加工。微细激光加工（Ｍｉｃｒｏ—ＬＢＭ）技术应 用范围广泛、加工精度及效率高，便于计算机控制，是 一种很有发展前景的微细工艺。电子束加工（ＥＢＭ） 用于小孔、窄缝、刻蚀等微细工艺，加工孔径可达书３ 斗ｍ，刻线宽度可达０．１ ｐｍ。离子束加工（ＩＢＭ）可用 于精密微量去除、离子刻蚀、离子镀膜等表面改性中， 去除精度可达纳米级（Ｏ．００１ ｉｘｍ），镀膜精度可控制在 １—０．０１¨ｍ。微细超声加工ＵＳＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
微细加工中的应用受到限制。
实现电解微细加工必须解决好钝化膜剥落及从加
工区及时清除产物的问题。工件表面的钝化膜虽在单
纯的微电流电解作用下难以消除，但其强度远低于基
体材料，如在加工区加上高频振动，利用电解液的振动
冲击波及“负压空化”作用（必要时可在电解液中加入
极细的微粉磨料）来消除附着在工件表面的钝化膜，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＭＥＭＳ，ｗｅ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｐａｓｓｉｖｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉ— ｃａｌ ａｆｔｅｒ Ｍｉｃｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｗｅ ｃａｎ ｕｓｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｏｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ鹊ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｈｉ【ｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ｂｏｄｙ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｉｓ ｃａｎ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
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综述ｓｐｅｃＩｄ Ｒｅｐｏｎｓ
Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）特别适合于硬脆性材料微细刻槽、细小孔 的加工【６ Ｊ。利用电化学阴极沉积原理的精密微细电 铸技术（Ｍｉｃｒｏ—ＥＦＭ）可制作形状复杂、精度很高的微 细结构，在微细制造领域得到重要应用，成为ＬＩＧＡ技 术的重要组成部分¨。Ｊ。用电化学隧道扫描显微镜 （ＳＴＭ）探针尖进行的微细电化学加工，在ＳＴＭ探针尖 上加超短脉冲电压，使探针尖附近发生电化学反应，成 功地在金（Ａｕ）表面加工出直径为５ ｎｍ、深度为０．３一 ｌ ｎｍ的纳米坑和在ＣｕＳＯ。和Ｈ２ｓＯ。的混合溶液中沉积 出高为ｌ ｎｍ、直径为８ ｎｍ的Ｃｕ。光刻胶掩膜微细电 化学加工将光刻技术与电化学加工技术相结合，能加 工出微米甚至亚微米级的复杂形状，可用于精密光栅、 超大规模集成电路、印刷电路等各种金属薄壁零件和 微机电系统零件的制造，是半导体工业、微电子工业和 微机械领域的重要制造技术旧＇６ Ｊ。如ＩＢＭ公司对电子 产品中的微小零件进行电化学蚀刻加工【８ ｏ；Ｐｈｉｌｉｐｓ公 司对电动剃须刀窄槽、微孑Ｌ进行高频脉冲电解加 工一１；印度Ｃａｌｃｕｔｔａ大学和美国Ｎｅｂｒａｓｋａ大学进行微 细电化学加工规律及在微器件应用中的研究探索¨川； 用超微电极进行无掩膜加工是电化学微细加工的又一 发展方向，德国佛里·哈尔贝尔研究所的Ｒｏｌｆ Ｓｃｈｕｓｔｅｒ 等人研究出的利用持续时间以纳秒计的超短脉冲电压 进行电化学微细加工新技术，成功加工出微米级尺寸 的微细零件，加工精度可达几百纳米”１；国内清华大 学进行的微细电解直写加工；日本Ｋｕｎｉｏ—Ｃｈｉｋａｍｏｒｉ 以牺牲速度为代价，选用低电压、低浓度电解液，在 ０．２ ｍｍ薄片上加工出＋１７０¨，ｍ的微孔。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ ｄｅｖｉｃｅｓ；Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｎａｒｒｏｗ Ｐｕｌｓｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ；Ｍｉｃｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｅ— ｌｅｃｔｍｌｙｓｉｓ
现代工业的发展，要求在有限空间内，产品具有多 种功能，因而对产品小型化、微型化的要求１３益迫切。 在航空、航天、医疗生物工程、环境监测、微型机器人、 传感器等众多领域中的微小机械有广泛应用前景，计 算机技术、微电子技术及航空航天等技术的进一步发 展也只有通过微型化和集成化来实现。微机电系统 （ＭＥＭＳ）技术是产品微型化的技术支撑，基于ＭＥＭＳ 器件的微细加工技术集合、交叉了多学科的内容，是一 个融前沿高技术和工程应用于一体的科学技术体系， 受到国内外广泛重视，发展非常迅速。因此，研究国内 外微细加工技术的发展状况，发掘电解加工机理的优 势，并将其应用于ＭＥＭＳ器件的微细加工中，目前已 成为一项很有应用前景的研究课题。
然而，上述微细加工方法在各具优点的同时，亦各 有一定的局限性。如：微细电火花加工表面层质量及 加工效率受到加工机理的制约；激光加工是热加工，热 影响因素较多；电子束、离子束加工均需在真空中进 行，设备成本高，使用受到很多限制；超声加工工具有 损耗，且在材料面积、韧性较大时，效率显著降低，应用 也受到限制；基于电化学阴极沉积的精密微细电铸技 术可制作形状复杂、精度很高的细小零件，但存在废品 率较高与效率较低的问题；基于阳极溶解的微细电化 学（电解）加工在微器件加工中的应用主要还局限于 一些二维形状刻蚀，且由于影响因素多，形状精度还有 待于进一步提高，国外研究三维展成式电化学微细成 形加工，精度提高有较大难度，扩展其在微细加工中的 应用仍需要开拓性的创新研究。
的电流密度及高速流动的电解液来消除钝化、清除电
解产物，保持电解过程的连续高速进行。而微细加工
材料去除量微小，加工精度要求很高，电解作用必须在
低电位、微电流密度下（处于效率曲线的钝化区）进
行，不能采用活性大但杂散腐蚀严重的ＮａＣｌ电解液，
否则用单一电解方式加工时，工件表面的钝化膜将难
以破坏，电解作用不能持续进行，使得单一电解方式在
ｓｐｅｃｉｄ ＲｅｐｏｎＳ综述
微细加工技术在国内外发展趋势的研究
王军 （广东轻工职业技术学院，广东广州５１０３００）
摘要：研究了国内外微细加工技术的发展状况，基于ＭＥＭＳ器件的微细加工技术，提出了在低电位、微电 流密度下电化学钝化效应基础上，用高频振动效应消除钝化，用与高频振动同频同步的窄脉冲电流 电解作用去除机体材料，实现电解复合微细加工。这是微细加工技术的新构想及发展趋势。
与源于电化学阴极沉积成形原理的微细电铸相 比，基于电化学阳极溶解原理的电解加工（ＥＣＭ，Ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技术目前在微细加工中的应用
万方数据
状况与其“离子”方式去除材料的机理优势很不相称， 究其原因主要在于：常规电解加工为了避免钝化及提 高加工速度，需采用大电流密度进行高速加工，由于加 工间隙中电场、流场复杂多变及电解液的杂散腐蚀，加 工间隙的稳定性及一致性难以保证，去除材料的定域 性差，使电解加工的精度较难控制；另外，为了提高电 解液的电导率，常采用具有一定腐蚀性或强腐蚀性的 高浓度中性盐电解液，这对设备、环境保护及零件性能 均可能造成影响，限制了电解加工的进一步扩大应用， 在微细加工领域的应用更没有得到应有的黄视。实际 上电解加工是一种在电场作用下材料“离子”方式去 除工艺，这在加工机理上有微细加工，甚至ｎｍ级加工 的可行性＂’６ｊ。电解加工“离子”去除机理上的优势已 在常规电解加工中有所体现，如表面无变质层，无残余 应力、粗糙度值小，此外电解加工生产率高，阴极无损 耗，批量加工成本相对较低，这些特点是其它微细加工 方式所难以兼备的。
使加工过程连续进行下去，并可同时改善加工区状态。
基于上述设想，将高频振动、脉冲岂嫠耋铬 高于２０ ｋＨｚ）、相位相互协调，当工件与工具阴极相互
、．
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接近时为脉冲加电区（可达炉级），退离时为脉冲间 歇区。加工开始后，由于电解作用在工件表面产生厚 度极薄、强度远低于基体材料的钝化膜，利用高频振动 作用消除钝化膜；钝化膜破坏后的表面由于电解作用 又迅速产生新的钝化膜，阻止进一步电解，这样可避免 通常大电流密度电解时产生的杂散腐蚀作用。由于阴 极无损耗的特殊优点，加工型面将会完全根据阴极形 状（拷贝式）或包络轨迹（展成式）成形，而阴极可由线 电极电火花磨削（ＷＥＤＧ）技术在线制作（或采用快速 原型＋精密微细电铸及掩模式刻蚀），这个特点非常有 利于ＭＥＭＳ器件立体型面加工。由于采用高频脉冲 电流，电解作用间歇进行，高频振动冲击波及“负压空 化”作用能有效、及时地去除加工区的电解产物，改善 及加强电解作用。这种特性对ＭＥＭＳ器件的高深度 比沟槽加工非常重要。这种方式的材料去除是以钝化 膜层为单位（亚ｐ，ｍ级），电解钝化与高频振动作用消 除交替进行，机理上可保证加工过程中钝化膜产生和 去除的协调配合，解决电解微细加工过程难以持续的 问题，使其实用成为可能；此外，高频振动冲击及空化 作用只起消除钝化膜的作用，不直接参与去除基体材 料，所以通过对微能电源参数的控制，就可能实现微细 加工速度及去除量（深度）的自动控制。