約束刻蝕劑層技術(shù)（CELT）用于金屬材料表面復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的加工研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)和微光機電系統(tǒng)(MOEMS)是當今科學(xué)技術(shù)的熱點研究領(lǐng)域之一。微機電系統(tǒng)，泛指體積微小、集微型機械、微型傳感器、微型信號處理器、微型執(zhí)行器、直至接口、通訊和電源等于一體，具有多種功能的系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)不但通過微型化和集成化達到節(jié)省空間、時間、材料和能源的目的，并且具有小慣性、易控制、高速度、高功能密度、高信息密度、高互聯(lián)密度等特點，更重要的還在于它可以完成大尺寸系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，延拓人們認識自然的視野，開辟新的

2、技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。 微納米尺度的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)是今日微機電系統(tǒng)和微光機電系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵部分。微機電系統(tǒng)和微光機電系統(tǒng)的制造需要高深寬比的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)，當今的主導(dǎo)微加工技術(shù)，即以光刻工藝為基礎(chǔ)的IC工藝和LIGA技術(shù)，雖然可以達到較高深寬比，但它們都難于完成復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的加工。許多新研究的方法在這方面也存在困難。鑒于現(xiàn)有的微加工技術(shù)在加工復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)方面存在許多局限性，尤其在加工金屬材料方面，存在更多不足，1992年，田昭武院

3、士等提出了約束刻蝕劑層技術(shù)(Confined Etchant Layer Techique，簡稱CELT)，該技術(shù)是一種可用于三維超微圖形復(fù)制加工的新型技術(shù)，原則上它能同時滿足微系統(tǒng)加工技術(shù)中的三個要求，即，微納米級的分辨率、真正的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)的批量復(fù)制加工。 本論文進行了用約束刻蝕劑層技術(shù)對金屬材料進行復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)加工研究，實現(xiàn)了在Cu、Ni、Ti、Al、Mg和Cd等金屬材料上進行亞微米級分辨率的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的電

4、化學(xué)刻蝕加工，將模板上的微結(jié)構(gòu)通過“電化學(xué)一化學(xué)”聯(lián)合作用的加工方式復(fù)制到上述材料表面，或?qū)ι鲜霾牧线M行微米尺度的通孔或盲孔加工，達到微米或亞微米級分辨率。這一技術(shù)彌補了現(xiàn)行的MEMS加工方法的不足。論文對電化學(xué)刻蝕機理進行了一定的探討。論文主要研究了如下幾個方面內(nèi)容： 1.關(guān)于金屬銅的約束刻蝕加工 以FeCl2為產(chǎn)生刻蝕劑Fe3+的前驅(qū)體，以SnCl2和抗壞血酸為捕捉劑，并添加絡(luò)合劑2，2-聯(lián)吡啶，或者，以NaNO2為

5、產(chǎn)生刻蝕劑HNO3的前驅(qū)體，以NaOH為捕捉劑，并輔助以絡(luò)合劑檸檬酸，成功實現(xiàn)了在金屬銅表面進行微孔加工和復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的復(fù)制加工。復(fù)制加工分辨率為亞微米級。提出了初步的刻蝕加工工藝，采用恒電流電解方式，典型的工藝參數(shù)為：電流密度I=1×10-2～2.5×10-2A/cm2，溫度T=35～40℃。 研究了Fe3+刻蝕體系的反應(yīng)機理。通過循環(huán)伏安曲線對絡(luò)合劑和捕捉劑的特性和作用進行了分析。研究了刻蝕劑的產(chǎn)生速度對刻蝕表面形態(tài)的影響

6、，刻蝕劑的生成速度越快，越容易得到均勻腐蝕的刻蝕表面，但電流密度過高則會降低刻蝕加工分辨率，還會產(chǎn)生氧氣析出，干擾擴散層。 研究了不同絡(luò)合劑對刻蝕表面形態(tài)的影響。加入不同的絡(luò)合劑，由于絡(luò)合物的空間構(gòu)型不一樣，空間位阻不一樣，在腐蝕過程中，F(xiàn)e3+的進攻方式也會不一樣，導(dǎo)致刻蝕表面腐蝕形態(tài)存在較大差異。 2.關(guān)于金屬鎳的約束刻蝕加工 研究了NaNO2體系的約束刻蝕機理，通過循環(huán)伏安曲線、Ip-v1/2線等分析了捕捉

7、劑NaOH的加入對HNO2電化學(xué)氧化生成刻蝕劑HNO3的電極過程的影響，并討論了進行CELT加工時工藝參數(shù)選擇問題。 設(shè)計以NaNO2為產(chǎn)生刻蝕劑HNO3的前驅(qū)體，以NaOH為捕捉劑，并加入Ni的絡(luò)合劑酒石酸以及其它添加劑，成功實現(xiàn)了在鎳表面進行復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的復(fù)制加工，加工分辨率達到亞微米級。 實現(xiàn)了在鎳箔(厚度50μm)上進行通孔加工。對于直徑為89μm的圓孔，單邊加工誤差約為4μm。該誤差與儀器的重復(fù)定位精度有關(guān)。

8、 研究了刻蝕電解液中各成分濃度以及電流密度等因素對加工分辨率的影響。 提出了對于對金屬鎳進行CELT微加工的基本工藝。電流密度i=5×10-3A/cm2　～2.5×10-2A/cm2，室溫。 3. 關(guān)于金屬鈦的約束刻蝕加工 在全面分析金屬鈦的腐蝕特性基礎(chǔ)上，設(shè)計了以“NaNO2-NaClO3”為產(chǎn)生H+的先驅(qū)物，與設(shè)計加入到溶液中的另一組分NaF中的F-結(jié)合形成刻蝕劑HF酸，并輔助以其它添加劑，來刻蝕金屬

9、鈦，并設(shè)計以。NaOH作為捕捉劑來約束刻蝕劑層的厚度。 研究了“NaNO2-NaClO3-NaF-NaOH”體系的刻蝕過程機理。研究了NaNO2與NaClO3之間的相互作用以及NaNO2與NaClO3濃度對刻蝕分辨率的影響。實驗表明，NaNO2自身就有一定的約束作用。 使用“NaNO2-NaClO3-NaF-NaOH”刻蝕體系成功地實現(xiàn)了在鈦表面進行微孔加工和復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的復(fù)制加工，加工分辨率達到亞微米級。 分

10、析了表面活性劑的作用，研究了表面活性劑對刻蝕加工金屬鈦的分辨率的影響。 提出了合適的刻蝕加工工藝。電流密度i=1.25×10-2～5.0×10-2mA/cm2，溫度T=35～45℃。 4.關(guān)于金屬鋁、鎂和鎘的約束刻蝕加工 研究了以NaNO2為產(chǎn)生刻蝕劑的先驅(qū)物、以NaOH為捕捉劑，在酒石酸及緩蝕劑硅酸鈉或多聚磷酸鈉等存在下刻蝕金屬鋁的機理。應(yīng)用該約束刻蝕體系，實現(xiàn)了在鋁表面進行復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的復(fù)制加工。加工分辨率

11、在亞微米級。 研究了在NO2-氧化的電極過程中，表面pH的變化情況，以及電流密度對H+擴散層厚度的影響。分析了用NaOH作為捕捉劑刻蝕鋁的局限性和解決問題的方法。 通過腐蝕速度測定、電極表面pH測定以及線性掃描伏安曲線測定并結(jié)合刻蝕實驗，對鎂的一些刻蝕體系進行了分析和篩選。應(yīng)用NaNO2為產(chǎn)生刻蝕劑的先驅(qū)物、以NaOH為捕捉劑，在硅酸納等添加劑的存在下對金屬鎂的約束刻蝕加工進行了初步研究，復(fù)制加工出陣列立方體微結(jié)構(gòu)，加工