專利名稱：掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造技術(shù)中的微細(xì)加工領(lǐng)域，特指一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法及裝置，適用于導(dǎo)電類金屬材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工。
背景技術(shù)：
隨著高科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對微小裝置的功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及可靠性等要 求越來越高，使得對特征尺寸在微米級到毫米級，采用高性能材料，且具有一定形狀精度和 表面質(zhì)量要求的精密微小零件的需求日益迫切。經(jīng)過多年努力和探索，微器件的加工制造 技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)拓展到了各種現(xiàn)代加工方法。其中，激光具有高能量、高的空 間分辨率和高效率的特點，電化學(xué)加工是利用電化學(xué)反應(yīng)以離子形式去除工件材料，兩者 都是非接觸加工方式，不會產(chǎn)生接觸應(yīng)力和變形，具有進(jìn)行復(fù)合微細(xì)加工的技術(shù)基礎(chǔ)。激光 電化學(xué)復(fù)合加工就是在電化學(xué)體系中引入激光束，利用激光所具有的高能量改變照射區(qū)域 的電極狀態(tài)，激發(fā)、誘導(dǎo)光電化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)電流和反應(yīng)速度，由電化學(xué)和激光兩種能 量共同作用的加工技術(shù)。電化學(xué)和激光的復(fù)合加工主要有兩類激光增強(qiáng)(或誘導(dǎo))電化學(xué)沉積和激 光一電化學(xué)復(fù)合刻蝕加工。根據(jù)檢索到的資料，國內(nèi)外對激光_電化學(xué)沉積的研究較多， 而對于激光-電化學(xué)復(fù)合刻蝕加工的研究較少。其中，英國的Pajak，P.T.等研究了電解液 束與激光束的復(fù)合加工技術(shù)，利用激光束的輻照作用顯著提高了電化學(xué)反應(yīng)的電流密度， 刻蝕速度可達(dá)ΙΟμπι/s。中國專利“噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法及其裝置”，專利號 CN1919514A提出在激光加工的同時復(fù)合與激光束同軸的高速噴射電解液束，激光在噴射 液束的引導(dǎo)下利用光熱效應(yīng)去除材料，被陰極極化的電解液束對激光加工區(qū)進(jìn)行冷卻、沖 刷和電化學(xué)溶解，從而在線去除激光加工的再鑄層。這種復(fù)合加工方法存在電化學(xué)反應(yīng)與 激光能量耦合的相互影響，因為噴射液束的沖刷雖然可以減少激光加工的熱影響區(qū)、去除 再鑄層，但同時也削弱了激光的光熱效應(yīng)，降低了加工效率。而且，難以實現(xiàn)激光能量在與 電化學(xué)加工體系中的有效傳輸，因為當(dāng)激光束穿過電解液噴射腔時，激光的部分能量會被 電解液吸收，電解液中氣泡的折射、散射也會影響光束的傳導(dǎo)，不可避免地造成激光能量的 損失。另外中國專利“準(zhǔn)分子激光電化學(xué)微結(jié)構(gòu)制造方法及其裝置”，專利號CN1259598C 提出準(zhǔn)分子激光與電化學(xué)復(fù)合的微細(xì)加工方法，首先利用集成電路的光刻制版工藝制作陣 列微探針電極，在被加工基片和微探針電極之間加入電解液；通電后，用準(zhǔn)分子激光從探針 電極上方照射加工區(qū)域，控制電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)基片的微結(jié)構(gòu)加工。這種方法的微探針電 極制作精度必將影響基片的加工，所實現(xiàn)的加工微細(xì)程度受到探針電極的制約；準(zhǔn)分子激 光從探針電極上方向下照射時將被電極遮擋，激光只能照射到不需要加工的陣列電極空隙 處，而不能直接照在基片上正對電極的加工部位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述電化學(xué)-激光復(fù)合微細(xì)加工中所存在的問題，提出了一種利用掩模電極使激光能量與電化學(xué)體系高效復(fù)合，加工區(qū)域可控性好，適用于金屬材料 的電化學(xué)_激光復(fù)合微細(xì)加工方法及裝置。上述掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法，其特征在于利用ITCKindiumtin oxide，氧化銦錫)導(dǎo)電玻璃制作具有微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的掩模電極，該掩模電極由玻璃基板、 IT0氧化銦錫層以及光刻膠掩模層構(gòu)成。玻璃基板主要用于掩模電極的安裝固定；導(dǎo)電透 光的氧化銦錫層作為電化學(xué)加工的工具電極并可透過激光束，保證了激光的有效傳輸及其 與電化學(xué)反應(yīng)的能量耦合；在氧化銦錫層之上利用光刻技術(shù)制作具有微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的光刻 膠層，該光刻膠掩模層能夠限制激光束和電化學(xué)電極的作用區(qū)域，起到光束掩模和電場掩 模的雙重作用。激光器所發(fā)出的激光束透過掩模電極后，在工件和電解液之間形成等離子 體，產(chǎn)生沖擊波力效應(yīng)，使加工部位的鈍化膜發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除；鈍化膜去除部位的工件 材料在光電化學(xué)反應(yīng)作用下被溶解刻蝕，最終在工件表面刻蝕加工出與掩模圖形相同的微 結(jié)構(gòu)。激光器所發(fā)出的激光波長為532納米，脈沖時間為10納秒，激光能量為0. 5 5 焦耳，光斑模式可以為基?；蚨嗄！２ＡЩ鍖λ褂眉す獾耐高^率大于95% ；導(dǎo)電透光的氧化銦錫層對激光的透過 率大于90%，電阻率為1 5X10_4Q cm ；光刻膠層對加工用的激光束透過率低于15%。實現(xiàn)上述掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法的裝置包括激光器控制裝置、激光 發(fā)生器及調(diào)制系統(tǒng)、IT0掩模電極、電化學(xué)加工部分以及過程檢測部分，實現(xiàn)復(fù)合加工與過 程檢測的部分由掩模電極、電解液槽、工件、電壓表、電流表、電化學(xué)加工電源組成，電化學(xué) 加工電源的負(fù)極與作為陰極的掩模電極相連，它們之間串聯(lián)電流表檢測加工電流；電源的 正極與作為陽極的工件相連，電壓表與工件和掩模電極并聯(lián)檢測加工電壓。上述裝置中，激 光器發(fā)生的激光束經(jīng)調(diào)制傳輸至IT0掩模電極，透過電解液后作用在工件表面，最終具有 掩模圖形的激光束在工件表面成像。加工電源的脈沖頻率為10kHz 100kHz，電壓幅值為5V。鈍化性電解液選用NaN03 或NaC103等鹽性溶液，質(zhì)量濃度為15% 20%。本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實現(xiàn)的(1)制作具有微圖形結(jié)構(gòu)的掩模電極。在玻璃基板表面利用化學(xué)氣相沉積的方法 制備透光性好、電導(dǎo)率高的ITO氧化銦錫膜，然后在IT0膜之上涂敷光刻膠，經(jīng)過烘干、曝 光、顯影、去膠等工藝將所需的微圖形加工部位膠膜去除，露出下部的IT0透光導(dǎo)電層；非 加工部位光刻膠保留，從而制作出具有微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的光刻膠層，用以遮蔽光束限制電場。(2)將被加工工件安裝在電解液槽內(nèi)，IT0掩模電極安裝固定在工件上方。工件與 電化學(xué)加工電源正極相連，掩模電極的導(dǎo)電層與電源負(fù)極相連，電路中加入電壓表和電流 表，從而構(gòu)成電化學(xué)加工系統(tǒng)。電路連接好后，在電解液槽中充入鈍化性電解液，完全浸沒 工件至掩模電極的玻璃基板。(3)電化學(xué)加工電源通電，控制電源的輸出電壓使工件表面在鈍化性電解液作用 下生成鈍化層，使工件的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入停滯狀態(tài)。(4)激光器控制裝置按優(yōu)化參數(shù)使激光器產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)調(diào)制傳輸光路透過掩 模電極后將微圖形復(fù)映在工件表面，在激光輻照能量作用下工件和電解液之間形成等離子 體并迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波的力效應(yīng)使鈍化層發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除。
(5)在光電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用下，鈍化層被破壞的加工區(qū)域工件材料被溶解蝕 除；隨著激光脈沖進(jìn)入間隙期，該區(qū)域又逐漸形成鈍化層。在下一個激光脈沖周期內(nèi)，加工 區(qū)域會再次發(fā)生鈍化層的破壞和工件材料蝕除。利用多次的脈沖激光輻照和光電化學(xué)反 應(yīng)，最終在工件表面刻蝕加工出與掩模圖形相同的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法和裝置可以實現(xiàn)如下有益效果(1)利用鈍化層實現(xiàn)光電化學(xué)的定域微細(xì)刻蝕，加工區(qū)域內(nèi)的鈍化層在激光沖擊 波力效應(yīng)的作用下被去除，工件材料發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)；非加工區(qū)域由鈍化層保護(hù)，不發(fā)生 材料蝕除；從而實現(xiàn)微細(xì)程度高、區(qū)域可控性好、加工效率高的掩模復(fù)映加工。(2) IT0掩模電極既可以透過高能量的激光束，又可以作為工具陰極，構(gòu)成電化學(xué) 反應(yīng)的電流回路，從而保證了激光在復(fù)合加工系統(tǒng)中的有效傳輸和能量耦合；同時光刻膠 掩模層能夠限制激光束和電化學(xué)電極的作用區(qū)域，起到光束掩模和電場掩模的雙重作用， 保證了激光的有效傳輸及其與電化學(xué)反應(yīng)的能量耦合。(3)利用光刻膠的曝光、顯影、去膠等工藝制作出所需加工的微細(xì)結(jié)構(gòu)，再通過激 光輻照將其復(fù)映在工件表面，可以實現(xiàn)復(fù)雜微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的刻蝕加工。(4)激光的沖擊波力效應(yīng)會在電解液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，非常有利于電化學(xué) 反應(yīng)產(chǎn)物的排除，而電化學(xué)反應(yīng)又可以使激光沖擊產(chǎn)生的濺射殘渣溶解到電解液中，從而 得到邊界清晰的微結(jié)構(gòu)。電解液除了作為電化學(xué)反應(yīng)的加工介質(zhì)外，還作為激光沖擊作用 的約束層，可以帶走多余的熱量，降低加工過程對材料的熱影響。


圖1是掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工示意圖。圖2是IT0掩模電極的分層結(jié)構(gòu)圖。圖1中的標(biāo)號名稱1、激光器控制裝置，2、激光發(fā)生器及調(diào)制系統(tǒng)3、激光束，4、 IT0掩模電極，5、鈍化性電解液，6、電解液槽，7、工件，8、電壓表，9、電流表，10、電化學(xué)加工 電源。圖2中的標(biāo)號名稱11、玻璃基板，12、氧化銦錫透光導(dǎo)電層，13、具有微圖形結(jié)構(gòu) 的光刻膠層。
具體實施例方式下面結(jié)合圖1和圖2詳細(xì)說明本發(fā)明提出的方法和裝置的技術(shù)細(xì)節(jié)和工作情況。 實施該方法的裝置包括依次相連的激光器控制裝置1、激光發(fā)生器及調(diào)制系統(tǒng)2、和IT0掩 模電極4 ；復(fù)合加工與檢測部分由電解液槽6、工件7、電壓表8、電流表9和加工電源10組 成。實施例1 本實施例為掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法。首先是制作具有微 圖形結(jié)構(gòu)的掩模電極。選用對激光透過率高的玻璃作為基板，或者在玻璃上表面涂光學(xué)增 透膜，以使激光透過率大于95%。導(dǎo)電透光的氧化銦錫層對激光的透過率大于90%，電阻 率為1 5X10_4Q/cm。光刻膠層主要由感光樹脂、增感劑和溶劑組成，對加工用的激光束 透過率低于15%，并利用光刻工藝加工出所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)，以起到光束掩模和電場掩模的 作用。
激光器產(chǎn)生脈沖時間為10納秒的激光束3，激光波長為532納米，光斑模式可以為 基?；蚨嗄＃す饽芰繛?. 5 5焦耳可調(diào)節(jié)控制。激光的主要作用是在電解液和工件之 間產(chǎn)生沖擊波使鈍化膜發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除，不需在工 件上造成塑性變形，因此對激光的 功率密度要求不高，可以使用中等功率的高頻激光器，從而降低了激光器的設(shè)備費用，并能 夠提高加工的效率。激光器控制裝置1按優(yōu)化參數(shù)使激光發(fā)生器2產(chǎn)生脈沖激光3，經(jīng)均勻化調(diào)制處 理后傳輸至IT0掩模電極4，透過電解液5后照射在工件7表面，在電極4的光刻膠掩模13 作用下，工件7表面成像出與掩模相同的微細(xì)圖形。電化學(xué)加工部分的電路連接包括工件7與加工電源10的正極相連，掩模電極4的 IT0氧化銦錫層12與電源10的負(fù)極相連，掩模電極4與工件7之間保持2 3mm的距離， 電路中的電壓表8和電流表9用于檢測加工狀態(tài)。加工電源為直流脈沖電源，為提高加工 的定域性，電源脈沖頻率為10kHz 100kHz，電壓幅值為5V。鈍化性電解液5選用NaN03或 NaC103等鹽性溶液，質(zhì)量濃度為15% 20%，電解液完全浸沒工件至掩模電極的玻璃基板。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過光束調(diào)制器系統(tǒng)，又透過掩模電極和電解液，作用在工 件表面。被加工的金屬材料表面在電解液作用下生成鈍化層，在工件和電解液之間由于激 光的輻照作用，形成等離子體并迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波的力效應(yīng)使鈍化層發(fā)生應(yīng)力腐蝕被 去除。在電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用下，在鈍化層被破壞的區(qū)域工件材料被溶解蝕除；隨著激光 脈沖的結(jié)束，這些區(qū)域又逐漸形成鈍化層。在脈沖激光的多次沖擊和電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)合作 用下，就能夠在工件表面加工出與掩模電極相同的微圖形結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法，利用激光束照射和電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)合作用進(jìn)行金屬材料的微細(xì)加工，其特征在于利用氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃制作具有微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的掩模電極，該掩模電極由玻璃基板、ITO氧化銦錫層以及光刻膠掩模層構(gòu)成；玻璃基板用于掩模電極的安裝固定；導(dǎo)電透光的氧化銦錫層作為電化學(xué)加工的工具電極并可透過激光束，保證了激光的有效傳輸及其與電化學(xué)反應(yīng)的能量耦合；在氧化銦錫層之上利用光刻技術(shù)制作具有微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的光刻膠層，該光刻膠掩模層能夠限制激光束和電化學(xué)電極的作用區(qū)域，起到光束掩模和電場掩模的雙重作用；激光器所發(fā)出的激光束透過掩模電極后，在工件和電解液之間形成等離子體，產(chǎn)生沖擊波力效應(yīng)，使加工部位的鈍化膜發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除；鈍化膜去除部位的工件材料在光電化學(xué)反應(yīng)作用下被溶解刻蝕，最終在工件表面刻蝕加工出與掩模圖形相同的微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工的方法，其特征在于 激光器所發(fā)出的激光波長為532納米，脈沖時間為10納秒，激光能量為0. 5 5焦耳，光斑 模式為基?；蚨嗄?。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工的方法，其特征在于 掩模電極的玻璃基板對所使用激光的透過率大于95% ；導(dǎo)電透光的氧化銦錫層對激光的透 過率大于90%，電阻率為1 5Χ10_4Ω · cm;光刻膠層由感光樹脂、增感劑和溶劑組成，調(diào) 整各組分之間的比例使得光刻膠層對加工用的激光束透過率低于15 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工的方法，具體步驟為(1)制作具有微圖形結(jié)構(gòu)的掩模電極在玻璃基板表面利用化學(xué)氣相沉積的方法制備透光性好、電導(dǎo)率高的ITO氧化銦錫 膜，然后在ITO膜之上涂敷光刻膠，經(jīng)過烘干、曝光、顯影、和去膠工藝將所需的微圖形加工 部位膠膜去除，露出下部的ITO透光導(dǎo)電層；非加工部位光刻膠保留，從而制作出具有微細(xì) 圖形結(jié)構(gòu)的光刻膠層，用以遮蔽光束限制電場；(2)將被加工工件安裝在電解液槽內(nèi)，ITO掩模電極安裝固定在工件上方，掩模電極與 工件之間保持2 3mm的距離，工件與電化學(xué)加工電源正極相連，掩模電極的導(dǎo)電層與電源 負(fù)極相連，電路中加入電壓表和電流表，從而構(gòu)成電化學(xué)加工系統(tǒng)；電路連接好后，在電解 液槽中充入鈍化性電解液，完全浸沒工件至掩模電極的玻璃基板；(3)電化學(xué)加工電源通電，控制電源的輸出電壓使工件表面在鈍化性電解液作用下生 成鈍化層，使工件的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入停滯狀態(tài)；(4)激光器控制裝置按優(yōu)化參數(shù)使激光器產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)調(diào)制傳輸光路透過掩模電 極后將微圖形復(fù)映在工件表面，在激光輻照能量作用下工件和電解液之間形成等離子體并 迅速膨脹，產(chǎn)生沖擊波的力效應(yīng)使鈍化層發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除；(5)在光電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕作用下，鈍化層被破壞的加工區(qū)域工件材料被溶解蝕除； 隨著激光脈沖進(jìn)入間隙期，該區(qū)域又逐漸形成鈍化層。在下一個激光脈沖周期內(nèi)，加工區(qū)域 會再次發(fā)生鈍化層的破壞和工件材料蝕除。利用多次的脈沖激光輻照和光電化學(xué)反應(yīng)，最 終在工件表面刻蝕加工出與掩模圖形相同的微結(jié)構(gòu)。
5.一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法的裝置，其特征在于所述包括激光器控 制裝置(1)、激光發(fā)生器及調(diào)制系統(tǒng)(2)、ITO掩模電極(4)、充入鈍化性電解液的電解液槽 (6)、工件(7)、電壓表(8)、電流表(9)和加工電源(10)，加工電源(10)的負(fù)極與作為陰極的掩模電極⑷相連，它7們之間串聯(lián)電流表檢測加工電流；加工電源(10)的正極與作為 陽極的工件(10)相連，電壓表⑶與工件(7)和掩模電極⑷并聯(lián)用于檢測加工電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法的裝置，其特征在于 加工電源(10)為直流脈沖電源，脈沖頻率為IOkHz 100kHz，電壓幅值為5V ；鈍化性電解 液選用NaNO3或NaClO3鹽性溶液，質(zhì)量濃度為15% 20%。
全文摘要
一種掩模電極的光電化學(xué)微刻蝕加工方法及裝置，涉及制造技術(shù)中的微細(xì)加工領(lǐng)域。本發(fā)明采用的掩模電極由玻璃基板、ITO氧化銦錫層以及光刻膠掩模層構(gòu)成，其中導(dǎo)電透光的ITO層作為電化學(xué)加工的工具電極并可透過激光束，光刻膠掩模層能夠限制激光束和電化學(xué)電極的作用區(qū)域，起到光束掩模和電場掩模的雙重作用。激光束透過掩模電極時將掩模圖形成像在工件表面，在工件和電解液之間由于激光的輻照作用，產(chǎn)生沖擊波的力效應(yīng)使鈍化層發(fā)生應(yīng)力腐蝕被去除。同時在光電化學(xué)反應(yīng)作用下，激光照射部位的工件材料被刻蝕去除。本發(fā)明能夠有效地提高復(fù)雜圖形的加工效率以及加工的微細(xì)程度和加工精度，適用于導(dǎo)電金屬材料的微細(xì)加工。
文檔編號B23H5/00GK101817108SQ201010132469
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者葉云霞, 張朝陽, 張永康, 王耀民, 陳飛, 魯金忠 申請人:江蘇大學(xué)