微细电化学直写加工技术的研究

微细电化学直写加工技术的研究
郑云飞李勇杨光周兆英
（清华大学精密仪器与机械学系）
摘要：围绕微细电化学加工技术的探索雌及在微型机械／ＭＥＭｓ中的应用，构建了基于微细电化学加工用电源、微进给机构、状态检测模块和计算机的微细电化学直写加工系统，初步实验研究了微小探针和微小孔的制作工艺，以及分别采用材料去除和淀积的直写加工技术。

关键词：微细电化学加工微细探针微小孔直写加工
１前言
电化学加工包括材料去除的电解加工和材料淀积的电铸加工。

微细电化学加工（ＭＥＣＭ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇ）用去除加工方式可以制作微小孔、微细探针和微小三维形状等；用淀积加工方式可以进行复杂结构的制作，特别是其与光刻等技术结合更可以获得微小的三维复杂结构。

微细电化学加工独有的特点使其在微型机械／ＭＥＭＳ中得到越来越广泛的应用。

微细电化学加工的探索和研究．主要是基于生长和去除两种方式的微细电化学直写加工技术的研究，以及基于光刻技术的电铸成型三维微小结构的探索。

微细电化学直写加工包括微细探针的制作、淀积直写加工和去除直写加工。

在微细探针制作方面，天津大学精仪系采用了反馈控制技术和纵向进给技术获得了尖端曲率半径可控并且表面无台阶的光滑的微细ＳＰＭ探针【１】。

日本东京工业大学利用直流电抛光技术，对利用交流电抛光技术获得的微细钨探针形状进行了优化，并对直流和交流屯抛光的电参数进行了对比口Ｉ。

土耳其Ｏｓｍａｎｇａｚｉ大学物理系采用电化学刻蚀技术并利用环状电极之间厚度一定的电解液薄膜获得尖端半径在１２５－－５００ｎｍ的Ａｕ微细ＳＴＭ探针【３】，这项技术使加工电流自然切断，解决了电解液中的残存电流损坏刚形成的ＳＴＭ针尖的问题。

在采用淀积直写加工方面，ＭＩＴ的Ｍａｄｄｅｎ和Ｈｕｎｔｅｒ采用局部淀积技术，通过部分绝缘的
超微探针电极，利用探针与工件间的相对运动获得了复杂的三维微小构件１４］。

加拿大Ｍａｎｉｔｏｂａ大学利用基于扫描电化学显微镜的简单仪器，以金属Ｐｔ作为扫描电极，ＣｕＳＯ．溶液为电解液，获得了直径２５ｕｍ，高２ｍｍ的铜柱，并对加工过程中的各种工艺参数进行了对比和优化ｐＩ。

对于微细电化学去除加工，日本精工将电化学加工与扫描探针显微加工技术结合，加工线宽达到１００ｎｍ的量级嗍。

在基于光刻技术对于微小三维结构的制作研究方面，主要是利用光刻技术制作掩模板．然后运用电铸技术进行微小三维结构制作。

其中最典型的～种加工方式是ＬＩＧＡ工艺¨Ｉ。

通过引入ｘ射线深度曝光以及电铸、注塑的方法，ＬＩＧＡ工艺在对各种材料和深度加工方面有着明显的优势，基于电化学原理的电铸技术是其中的核心技术。

另外，为了实现更为复杂的三维结构，美国ＵＳＣＦ８Ｉ，以及韩国ＫＡＩＳＴｔ９】等分别在电化学加工与光刻加工直接结合的多层电铸技术方面取得较大进展。

这种技术的主要优点在于直接成型金属结构，加工层数大幅度提高，这样便有利于三维复杂结构的制作，另外加工温度很低可以与Ｉｃ工艺兼容，并且可以批量制作，不需要超净加工环境，只是加工分辨率尚在一二十微米量级。

２基本加工原理与系统构成
去除直写加工是基于电解加工原理。

即在一定的外加电压下，将电流通过电解池，在阴、阳两极分别发生氧化、还原反应的电化学
特种加工技术
过程，也就是电化学阳极溶解理论。

Ｅｌ在ＮａＣＩ溶液中电解铁为例．在阳极一边铁失去电子被氧化、溶解，主要发生咀下反应：
Ｆ叠｝—哼凡２＋＋２Ｐ
凡２＋＋２０日一Ｆｅ（ＯＨ）２山４Ｆｅ（ＯＨ）２＋２Ｈ２０＋０２——＿÷４Ｆｅ（ＯＨ）３山在阴极一边氢离子得到电子被还原成氢气，主要发生咀下反应：
２Ｈ＋＋２ｅ——÷Ｈ２ｔ（溢出氢气）
电化学淀积加工过程是一个包括液相传质步骤、电化学步骤和电结晶步骤的复杂的过程，以硫酸盐电铸铜为例，在阴、阳两极主要发生如下反应：
阴极反应：Ｃｋ２＋＋２Ｐ——÷Ｃｈ山（沉积铜）
阳极反应：
Ⅳ。

Ｄ—｝０，个＋２日＋＋２ｅ（溢出氧气）在电化学加工过程中，由于有电解液的存在．加工间隙和系统的负载电阻成正比（Ｒ＝ｐ名，，为加工间隙，Ｊ为工具电极截面面积，口为电解液的电阻率），如果加工电压和工具电极截面面积恒定，则根据欧姆定律可得Ｄｎｍ电流密度ｉ与加工间隙的关系如下：
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其中女２形，Ｅ为加工电压。

由此可知，加工电流密度与加工间隙成反比，图ｌ证明了以上关系的正确。

从图中可以看出，在小间隙的’情况下加工电流密度对加工间隙很敏感，即加工间
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图ｉ电解加工电流与加工阃隙关系曲线
隙的微小变化便会造成加工电流密度的较大的变化，而加工电流密度与加工速度成正比，因此可以通过控制加工过程中的微小的间隙而实现使工具电极的最前端的加工速度最快，从而实现对工件的微细加工。

基于以上加工机理，构建了如图２所示的微细电化学加工系统。

其中微细电化学加工用电源为加工提供所需的电压和电流，其输出电压范围为＿－４－１０Ｖ，输出电流范围为０～３Ａ：主控计算机通过信号采集模块（其采样频率为１００ｋＨｚ）对加工过程中的电压和电流进行实时采样，根据采样得到的加工电压和加工电流值判断当前的加工状态，然后计算机再通过控制分辨率可达到ｌｕｍ咀下的微进给机构实现对工件和工具电极之间间隙的调整，使其保持在要求的微小间隙范围内以保证微细加工的精度和效率。

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图２微细电化学直写加工系统
３实验研究
采用上述微细电化学加工方法和系统，对微细电化学工具电极的制备、微小孔的加工、微细平面直写加工工艺进行了研究和探索。

３．１徽细探针电极制备
如图３所示，用只有端部导电的圆柱金属作为工具阴极，工件作为阳极，加工过程中工件绕其轴心旋转，阴极工具沿工件径向做问歇进给运动，并且使电解液以一定的压力和流速保持于阴、阳两极之间，便可制备出端部较微细的探针结构。

在这里，由于在加工过程中会产生不溶于水的氢氧化物，这些物质会附着于被加工的表面给加工和观测带来困难。

因此采用使电解液流动的方法，这样便使产生的难溶物质被迅速带走，而且还有利于使被加工处的离
电解加工
子浓度保持恒定。

图４是以直径约０．５ｍｍ的铜柱作为工件（阳极）．直径Ｏ．１３ｒａｍ的侧面绝缘端部导电的铜丝作为工具（阴极），电解液为１０％ＮＡＮ０３溶液，加工电压为５伏直流电压时制各得到的微细探针。

圣邑鞭阴极
电解藏
图３微细探针制备工艺方法示意图
图４微细探针
３．２微小孔的加工
为了验证利用控制工具电极与工件之间的微小间隙可咀达到微细加工的目的，进行了如图５所示的制作微小孔的试验，同样将工件作为阳极，用侧面绝缘端部导电的金属作为阴极。

通过对工件和工具之间的加工间隙的伺服控制，可以使电解加工的间隙保持在平衡间隙，在本试验中将加工间隙控制在２０ｕｍ以内。

另外通过工具的侧面绝缘处理和电解液成分的选择，便可以获得微／Ｊ，ＴＬ。

为了使加工中产生的难溶物质尽量不要残留在加工间隙处以有利于
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图５微小孔制作工艺示意图
加工并且维持离子浓度的恒定，同样采用电解液流动的方式。

如图６是用这种方法，用直径约０．１３ｍｍ的侧面绝缘端部导电的铜丝作为工具（阴极），以０．２ｍｍ厚不锈钢片作为阳极，１０％ＮａＮＯ，溶液为电解液，加工电压为４伏直流电压时加工得到的微小孔。

图６微小孔
３．３微细电化学去除直写加工
根据微细电化学加工中加工间隙和电流的曲线（如图１）可知，按照图中的加工参数，如果将加工间隙控制在２０ｕｍ左右的范围内，加工间隙变化很小就会带来加工电流密度的较大变化．因此可以通过将工件和工具之问的加工间隙控制在尽量小的范围内，便可以直写加工出微细结构．如图７所示，就是利用此原理进行直写加工的原理图。

特种加工技术
钢为工件阳极，尖端曲率半径约５０ｕｍ的钢针在５伏加工电压下保持加工间隙约１～２ｕｍ时直写加工完成的“ＨＴ”字样。

３．４微细电化学淀积加工初步实验
微细电化学直写加工的另外一个方面是基于淀积过程的电铸生长加工，根据理论推导可以知道，电铸加工过程中，电流密度同样与加工间隙有成反比的关系，因此同样可以通过控制加工中的微小间隙达到得到微细结构的目的，图９为用ＣｕＳ０４５Ｈ２０（２５０ｅ／Ｌ）和Ｈ２Ｓ０４（７５９ＦＬ），加工电压为直流４．５伏生长得到的结构，由于在此试验中用壹流进行加工，电铸液没有进行搅拌．而且工具电极的截面较大，因此可能造成了电铸时电铸区域的Ｃｕ２十离子浓度较低，因此生成的结构并不规则，这个问题将通过对电铸液进行搅拌或者用脉冲电铸来避免，以期获得更为满意的结构。

囝９局部电铸生成的柱状结构
４结论
本文在对电化学加工基本原理进行理论分析和实验研究的的基础上，提出了一种以控制工具电极和工件之间的微小问隙以达到制作微小构件目的的工艺方法，并且构建了一种用于微细电化学直写加工的加工系统。

运用该系统，并利用工具电极和工件之间的相对运动，实验获得了尖端曲率半径在ｌｕｍ以下的微细探针结构：利用控制工具电极和工件之闻的微小加工间隙获得了微小孔结构；在直写加工方面，利用去除方式获得了平面微小结构，另外利用淀积方式初步获得了微细柱状结构。

通过以上的实验研究，说明了在电化学加Ｊ＝中可以通过控制工件与工具电极之间的微小加工间隙获得微小结构的可能性，毗及进行进一步研究和开发的可行性。

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９岫．１３０Ｙｏｏｎ．ＣⅫ删Ｈａｌｌ，嘶ｓｉｋＹｏｏｎｎａｌＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆ３－Ｉ）ＥＩｅｎ＇ｏｐｌａｔｅｄＭｉａｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｓｗｉｔｈＵｎｌｉｍｉｔｅｄＮｕｍｂｅｒｏｆＬｅｖｅｌｓＵｓｉｎｇＰＩａｎａｒｉｚ枷ｏｎｗｉｔｈＡＳａｅｒｉｆｉｃｉａｉＭｅｔａｌｌｉｅＭｏｌｄ（ｒＳＭＭ）．ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ－Ｅｌｃｃｔｒｏ－ＭｃｅｌｍｎｉｅａｌＳｙｓｔｅｍｔ～ｍＭｓ）１９９９Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．
作者简介ｒ邦云飞．男．１＂７年３月出生．清华大学精密仅器系在读硕士生．主要研究方向为徽细电化学加工技术．联系地址：北京清华大学精密仪罄幕，邮蝙：１０００８４．
微细电化学直写加工技术的研究
作者：郑云飞， 李勇， 杨光， 周兆英
作者单位：清华大学精密仪器与机械学系
1.李嘉珩.马保吉.范植坚影响掩膜微细电化学加工的关键技术[会议论文]-2004
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3.史军良.张之敬.张卫民.吴高阳.唐兴伦.Shi Junliang.Zhang Zhijing.Zhang Weimin.Wu Gaoyang.Tang Xinglun高频群脉冲电源在微细孔电化学加工中的应用[期刊论文]-现代制造工程2005(2)本文链接：/Conference_310023
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