CN104098066B - 电化学微纳加工设备 - Google Patents

Abstract

电化学微纳加工设备，它属于一种纳米加工装置。为解决现有的电化学微纳加工设备成本过高、电化学加工技术应用不完善的问题。隔振基座包括台面、支架横梁以及基座，台面固定安装在基座上端面，台面上可拆卸安装有支架横梁，X向直线导轨固定平放于台面上，支架横梁垂直于X向直线导轨设置，水平旋转组件固定在X向直线导轨上，水平调整部件固定在水平旋转组件上，Y向直线导轨固定在支架横梁的前侧面上，Z向直线导轨固定在Y向直线导轨上，电极逼近部件固定在Z向直线导轨上。本发明具有精度高、加工效果好等优点，用于工件的电化学微纳加工。

Description

电化学微纳加工设备

技术领域

本发明属于一种纳米加工装置，具体涉及一种采用电化学加工方法的微纳加工设备。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，微型化是军事及民用研究领域总的发展趋势。如大规模集成电路（ULSI）、微纳机电***（MEMS&NEMS）、微全分析***（μ-TAS）以及精密光学器件的发展，要求每个功能器件的尺寸达到微纳米量级。现代化的高技术战争要求武器小型化，如微型潜艇、微型飞机、微型导弹等，这些新型武器的组成零件要求其结构尺寸达到微米乃至纳米量级，加工精度达到纳米量级。在民用领域，以计算机CPU芯片为例，商业化的超大集成电路的特征线宽已经达到32nm以下。这些零件或者元件的制造需要各种微纳加工技术，因此，发展微纳加工技术已成为全世界精密制造领域最前沿的热门课题，并且在此基础上逐步形成了一个新兴产业——微纳制造。一般地，微纳加工技术的产业需求具体体现在以下三个方面：（1）纳米精度的超光滑表面；（2）微纳尺度的三维复杂结构；（3）微纳米器件的装配。

电化学微纳加工技术作为微纳加工方法之一，具有无热效应、无残余应力，精度可控、去除率高、加工效率高、环境友好等优点。因此，在微纳加工领域也占有及其重要的地位。实现电化学微纳加工的方法有：阴极电沉积（电镀或电铸）、阳极溶解、电化学诱导化学刻蚀技术。电化学反应发生在电极/溶液界面，由于参与反应的物质的液相传质过程，在界面溶液一侧形成扩散层。因此，控制电化学微/纳米加工精度的关键就在于控制扩散层的厚度。常用的电化学微纳加工方法有：

（1）扫描探针电化学微纳加工技术

电化学扫描隧道显微镜（EC-STM）微纳加工方法于1997年由Kolb课题组提出：首先在STM探针上沾上带有Cu²⁺的溶液，再移到金基片上通过电沉积形成铜纳米团簇。厦门大学毛秉伟教授课题组在室温离子液体环境中电沉积得到了活泼金属锌和铁的纳米团簇图案。此方法的加工精度非常高，团簇的直径一般在亚纳米级别，高度可以控制在几个纳米。但其最大的不足在于扫描行程非常有限，因此加工尺度范围很小。Schuster提出了超短电压脉冲技术，该技术是将微/纳米电极、电极阵列或者带有三维微结构的模板逼近待加工的导电基底，在针尖与基底之间施以纳秒级电压脉冲，只有距离工具最近的工件部位发生阳极溶解，从而得到尺度可控的微型结构。这种技术具有距离敏感性，加工精度较高，但逐点作业效率低。

扫描电化学显微镜(SECM)是一种以超微电极或纳米电极为探针的扫描探针技术，由一个三维精密定位***来控制探针电极与被加工基底之间的距离，通过在针尖与基底之间局部区域激发电化学反应，可以获得各种微结构图案。该技术空间分辨率有所降低，但化学反应性能得到增强，大大拓展了微/纳米加工的对象，成为一种重要的微纳加工技术。扫描微电解池显微镜(SECCM)是利用毛细管尖端的微液滴与导电工件形成接触，参比电极、对电极***到毛细管中与导电的加工基底构成微电解池，并以该微电解池作为扫描探针。由于电化学反应被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸决定了加工的精度。

（2）掩模电化学微纳加工技术

LIGA是一种加工高深宽比微/纳米结构的方法。该方法先在导电基底上涂覆一层光刻胶，通过光刻曝光后形成高深宽比的微/纳米结构，然后在含有微/纳米结构的光刻胶模板上电沉积金属，去除光刻胶后得到金属微/纳米结构。获得的金属微/纳米结构还可以进一步作为加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深宽比可以达到10～50，粗糙度小于50nm。但该技术使用的X射线曝光光源价格昂贵，而紫外曝光工艺得到的深宽比又较低。另外，如何在有较高深宽比的光刻胶微/纳米结构中实现高质量的电铸也是需要解决的问题。

EFAB是由美国南加州大学AdamCohan教授提出的一种微/纳米加工方法。EFAB技术首先利用CAD将目标三维微/纳米结构分解成容易通过光刻加工的多层二维微/纳米结构，然后将设计好的微/纳米结构层和牺牲层一层一层地沉积于二维光刻胶模板中，去掉光刻胶模板和牺牲层金属就可以得到所需的微/纳米结构。但每一个电铸层都要求高度平坦化，而化学机械抛光(CMP)成本高，而且任何两层之间的对准错误都将会导致整个微/纳米加工流程失败。

电化学纳米压印技术：AgS₂是一种具有银离子传输能力的固态超离子导体电解质，当银工件表面接触到超离子导体模板时，通过在工件上施加一定的电压，银工件表面与模板的连接处将会发生银的阳极溶解，银离子在AgS₂电解质中迁移，沉积到AgS₂模板另一侧的对电极上，从而形成纳米结构。但是，可用于模板制作的固体电解质材料有限，机械强度差，固相传质速率慢，加工效率低。

（3）微纳精度的电化学平坦化技术

电化学抛光（ECP）技术是利用电化学阳极溶解的原理实现材料的去除，可在非接触无应力的条件下实现高效平坦化，还可避免产生介质层裂纹、分层等加工缺陷。但是如果加工间隙过小则易导致正负极短路，影响工艺的稳定性，在目前的技术条件下很难实现亚微米级面型精度表面的平坦化加工。

电化学机械抛光（ECMP）技术是AppliedMaterials公司于2004年推出的平坦化技术。一方面，通过电化学作用在加工表面生成软质钝化膜，同时在低抛光压力下以机械作用快速去除该钝化膜；另一方面，利用电化学作用形成的钝化膜对加工表面低凹部位的保护作用及多孔抛光垫和磨粒对加工表面凸出部位的高选择性去除作用，可实现高精度的平坦化。然而，在技术上还无法实现高精度平坦化加工。

目前，与光刻技术联用的电化学微纳加工技术，比如超大集成电路的双大马士革工艺、微纳机电***的LIGA和EFAB工艺，其加工设备主要是是价格昂贵的光刻工艺设备和化学机械抛光设备，其电化学工艺设备实际上只是传统的电铸和电镀设备。电化学机械抛光是在化学机械抛光设备的基础上引入阳极氧化的工艺。实际上在这类技术中，电化学只是作为一道工艺，严格上并不是直接通过电化学方法生成3D微纳结构或超光滑表面。

综上，现有的电化学微纳加工设备的研制相对比较滞后。

发明内容

本发明为了解决现有的电化学微纳加工设备成本过高、电化学加工技术应用不完善的问题，进而提供一种成本低、应用效果好、精度高的电化学微纳加工设备。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:暂略

本发明的有益效果是：结构简单，运动精度高，应用效果好，运动精度高，其中，X、Y向直线导轨行程为100mm，全行程直线度优于0.2μm，进给分辨率可达10nm，重复定位精度可达±0.5μm。Z向直线导轨行程为100mm，位置分辨率可达1μm，定位精度高于5μm。水平旋转组件径向回转精度优于0.5μm，轴向回转精度优于0.2μm。电极逼近组件行程50μm，位置分辨率优于0.5nm，水平调整部件调整分辨率优于0.1°，操作方便，控制简单，完全采用电化学方法进行加工。

附图说明

图1是本发明的电化学微纳加工设备的立体图，图2是图1的主视图，图3是图1的俯视图，图4是图1的左视图，图5是隔振基座1的主视图，图6是图5的俯视图，图7是图5的左视图，图8是电极逼近部件7的主视图，图9是图8的俯视图，图10是图8的左视图，图11是控制***架构图。

图中的部件名称及标号分别如下：

隔振基座1、台面1-1、支架横梁1-2、基座1-3、X向直线导轨2、X向底板2-1、X向导轨2-2、X向工作台2-3、水平旋转组件3、旋转底板3-1、旋转工作台3-2、水平调整部件4、调整部件底板4-1、弹性支撑片4-2、调整旋钮4-3、水平工作台4-4、电解液容器4-5、工件4-6、Y向直线导轨5、Y向底板5-1、Y向导轨5-2、Y向工作台5-3、Z向直线导轨6、伺服电机6-1、滚珠丝杠6-2、Z向底板6-3、Z向导轨6-4、Z向工作台6-5、电极逼近组件7、PZT驱动器7-1、传感器支座7-2、力传感器7-3、加工电极7-4、控制***8、液晶触摸屏工控机8-1、A3200运动控制器8-2。

具体实施方式

如图1~11所示，本实施方式的电化学微纳加工设备，它包括隔振基座1、X向直线导轨2、水平旋转组件3、水平调整部件4、Y向直线导轨5、Z向直线导轨6、电极逼近组件7，所述的隔振基座1包括台面1-1、支架横梁1-2以及基座1-3，所述的台面1-1固定安装在基座1-3上端面，所述的台面1-1上可拆卸安装有支架横梁1-2，所述的X向直线导轨2固定平放于台面1-1上，所述的支架横梁1-2垂直于X向直线导轨2设置，所述的水平旋转组件3固定在X向直线导轨2上，所述的水平调整部件4固定在水平旋转组件3上，所述的Y向直线导轨5固定在支架横梁1-2的前侧面上，所述的Z向直线导轨6固定在Y向直线导轨5上，所述的电极逼近部件7固定在Z向直线导轨6上。其中隔振基座1是支撑主体，通过隔振基座1支撑X向直线导轨2、Y向直线导轨5、Z向直线导轨6、水平旋转组件3、水平调整部件4以及电极逼近部件7。所述的台面1-1上沿X向设有两组矩形阵列螺纹孔，支架横梁1-2的两端通过螺钉与相对应的矩形阵列螺纹孔螺纹连接，设置两组矩形阵列螺纹孔的目的是便于支架横梁1-2沿X方向位置的调整。台面1-1上还设有接线孔，用于接线的布置。

所述的X向直线导轨2包括X向底板2-1、X向导轨2-2、X向工作台2-3，所述的台面1-1上设有呈矩形阵列排布的螺纹孔，所述的X向底板2-1通过所述的呈矩形阵列的螺纹孔与X向底板2-1可拆卸连接（可以调节X向直线导轨2沿Y方向的位置），所述的X向导轨2-2固定在X向底板2-1上，所述的X向工作台2-3安装在X向导轨2-2上，X向工作台2-3与X向导轨2-2滑动配合。

所述的Y向直线导轨5包括Y向底板5-1、Y向导轨5-2、Y向工作台5-3，所述的Y向底板5-1固定在支架横梁1-2的前侧面上，Y向导轨5-2固定在Y向底板5-1上，Y向工作台5-3安装在Y向导轨5-2上，Y向工作台5-3与Y向导轨5-2滑动配合。

所述的Z向直线导轨6包括伺服电机6-1、滚珠丝杠6-2、Z向底板6-3、Z向导轨6-4、Z向工作台6-5，所述的Z向底板6-3固定在Y向工作台5-3上，所述的Z向导轨6-4固定在Z向底板6-3上，所述的Z向工作台6-5安装在Z向导轨6-4上，Z向工作台6-5与Z向导轨6-4滑动配合，Z向工作台6-5固定于滚珠丝杠6-2的下端，滚珠丝杠6-2与伺服电机6-1连接，伺服电机6-1固定在支架横梁1-2的上端；当伺服电机6-1带动滚珠丝杠6-2转动时，带动Z向工作台6-5沿Z向导轨6-4运动，实现Z方向的位置调节。

所述的水平旋转组件3包括旋转底板3-1、旋转工作台3-2，所述的旋转底板3-1固定在X向工作台2-3的上端面，旋转工作台3-2的下端通过轴承水平旋转安装在旋转底板3-1上。

所述的水平调整部件4包括调整部件底板4-1、弹性支撑片4-2、调整旋钮4-3、水平工作台4-4、电解液容器4-5，所述的调整部件底板4-1固定在旋转工作台3-2的上端，所述的水平工作台4-4设置在调整部件底板4-1的正上方，所述的弹性支撑片4-2设置于调整部件底板4-1与水平工作台4-4之间，电解液容器4-5安装在水平工作台4-4上，调整部件底板4-1的上端面设有螺纹孔，所述的调整旋钮4-3设置在调整部件底板4-1与水平工作台4-4之间，调整旋钮4-3的螺纹端与调整部件底板4-1的螺纹孔螺纹连接。

当水平工作台4-4不水平时，通过旋转调整旋钮4-3，即可实现水平工作台4-4的水平调整。

所述的电极逼近部件7包括PZT驱动器7-1、传感器支座7-2、力传感器7-3、加工电极7-4，所述的PZT驱动器7-1安装在Z向工作台6-5上，所述的传感器支座7-2安装在PZT驱动器7-1上，所述的力传感器7-3的一端与传感器支座7-2固连，力传感器7-3的另一端设有加工电极7-4。

所述的电化学微纳加工设备还包括控制***8，所述的控制***8固定在隔振基座1内的下方，所述的控制***8包括液晶触摸屏工控机8-1、A3200运动控制器8-2；所述的液晶触摸屏工控机8-1中装有多维联动控制软件，液晶触摸屏工控机8-1上的微处理器操作面板操作该软件对A3200运动控制器8-2进行控制及操作，所述的A3200运动控制器8-2分别与X向直线导轨2、Y向直线导轨5、Z向直线导轨6、电极逼近组件7、水平旋转组件4连接，A3200运动控制器8-2将控制信号分别发送给X向直线导轨2、Y向直线导轨5、Z向直线导轨6、电极逼近组件7、水平旋转组件4，A3200运动控制器8-2收集以上组件及导轨的实时信息反馈给液晶触摸屏工控机8-1，并通过液晶触摸屏工控机8-1多维联动控制软件加以显示。可实现高精度的运动控制及在线测量等功能，A3200运动控制器带有强大的运动控制软件，具有很好的可扩展性。

控制过程：

在控制***8控制下，X向工作台2-3可沿X向导轨2-2发生运动，实现X方向的位置调节。这时设置在X向直线导轨2上的水平旋转组件3及水平调整部件4也随之运动，水平调整部件4是安装在水平旋转组件3上的。

在控制***8的控制下，旋转工作台3-2可水平旋转，从而调解工件4-6与加工电极7-4的相对位置，这时设置在水平旋转组件3上的水平调整部件4也随之运动。

在控制***8的控制下，Y向工作台5-3可沿Y向导轨5-2发生运动，实现Y方向的位置调节。这时设置在Y向直线导轨5上的Z向直线导轨6以及电极逼近部件7也随之运动。

当伺服电机6-1带动滚珠丝杠6-2转动时，带动Z向工作台6-5沿Z向导轨6-4运动，实现Z方向的位置调节，这时Z向工作台6-5上的电极逼近部件7也随之运动。

在控制***8的控制下，PZT驱动器7-1可以实现高精度直线微量进给，从而实现了加工电极7-4逼近工件4-6表面的过程。当加工电极7-4与工件4-6表面发生接触时，由于接触力的作用，力传感器7-3就会检测到力反馈信号，停止PZT驱动器7-1的驱动信号，从而实现加工过程的实时在线检测以及自动化调整。

电化学微纳加工设备采用龙门式T型布局，将X和Y向的水平移动分离，避免了两个导轨的误差耦合。

本发明的电化学微纳加工设备的整个工作流程如下：

加工过程采用粗调、微调相结合的方式来逼近工件4-6待加工表面，并配合以力传感器7-3时时检测接触信号。初始阶段，首先利用电极逼近部件7实现微调，并且在下降过程中，时时通过力传感器7-3检测加工电极7-4头部是否与工件4-6待加工表面发生接触，若已下降至全长且仍未发生接触，则收回加工电极7-4。并利用Z向直线导轨6导轨实现粗调，粗调距离应小于微调距离，以避免在粗调过程中加工电极7-4头部与工件4-6待加工表面发生碰撞。待粗调完毕后，再进行微调，直至微调过程中力传感器7-3检测到接触信号，便停止继续下降，以免损坏加工电极7-4头部，并改为向上运动，达到合适位置完成电化学加工。

该电化学微纳加工设备所有外购件型号、生产厂家以及对应零部件如下：

控制***8：Aerotech公司的A3200运动控制器；

X向直线导轨2：Aerotech公司的ABL20010；

Y向直线导轨5：Aerotech公司的ABL15010；

Z向直线导轨6：Aerotech公司的ATS100-100；

水平旋转组件3：Aerotech公司的ABRS-150MP；

水平调整部件4：西格玛光机株式会社的AIS-100B；

PZT驱动器7-1：芯明天科技有限公司的XP-633.1SL；

力传感器7-3：深圳杰英特传感仪器公司的FAB-6型平行梁式称重传感器。

Claims (8)

1.一种电化学微纳加工设备，其特征是：它包括隔振基座(1)、X向直线导轨(2)、水平旋转组件(3)、水平调整部件(4)、Y向直线导轨(5)、Z向直线导轨(6)、电极逼近组件(7)，所述的隔振基座(1)包括台面(1-1)、支架横梁(1-2)以及基座(1-3)，所述的台面(1-1)固定安装在基座(1-3)上端面，所述的台面(1-1)上可拆卸安装有支架横梁(1-2)，所述的X向直线导轨(2)固定平放于台面(1-1)上，所述的支架横梁(1-2)垂直于X向直线导轨(2)设置，所述的水平旋转组件(3)固定在X向直线导轨(2)上，所述的水平调整部件(4)固定在水平旋转组件(3)上，所述的Y向直线导轨(5)固定在支架横梁(1-2)的前侧面上，所述的Z向直线导轨(6)固定在Y向直线导轨(5)上，所述的电极逼近组件(7)固定在Z向直线导轨(6)上。

2.根据权利要求1所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的X向直线导轨(2)包括X向底板(2-1)、X向导轨(2-2)、X向工作台(2-3)，所述的台面(1-1)上设有呈矩形阵列排布的螺纹孔，所述的X向底板(2-1)通过所述的呈矩形阵列的螺纹孔与X向底板(2-1)可拆卸连接，所述的X向导轨(2-2)固定在X向底板(2-1)上，所述的X向工作台(2-3)安装在X向导轨(2-2)上，X向工作台(2-3)与X向导轨(2-2)滑动配合。

3.根据权利要求2所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的Y向直线导轨(5)包括Y向底板(5-1)、Y向导轨(5-2)、Y向工作台(5-3)，所述的Y向底板(5-1)固定在支架横梁(1-2)的前侧面上，Y向导轨(5-2)固定在Y向底板(5-1)上，Y向工作台(5-3)安装在Y向导轨(5-2)上，Y向工作台(5-3)与Y向导轨(5-2)滑动配合。

4.根据权利要求3所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的Z向直线导轨(6)包括伺服电机(6-1)、滚珠丝杠(6-2)、Z向底板(6-3)、Z向导轨(6-4)、Z向工作台(6-5)，所述的Z向底板(6-3)固定在Y向工作台(5-3)上，所述的Z向导轨(6-4)固定在Z向底板(6-3)上，所述的Z向工作台(6-5)安装在Z向导轨(6-4)上，Z向工作台(6-5)与Z向导轨(6-4)滑动配合，Z向工作台(6-5)固定于滚珠丝杠(6-2)的下端，滚珠丝杠(6-2)与伺服电机(6-1)连接，伺服电机(6-1)固定在支架横梁(1-2)的上端；当伺服电机(6-1)带动滚珠丝杠(6-2)转动时，带动Z向工作台(6-5)沿Z向导轨(6-4)运动，实现Z方向的位置调节。

5.根据权利要求1所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的水平旋转组件(3)包括旋转底板(3-1)、旋转工作台(3-2)，所述的旋转底板(3-1)固定在X向工作台(2-3)的上端面，旋转工作台(3-2)的下端通过轴承水平旋转安装在旋转底板(3-1)上。

6.根据权利要求5所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的水平调整部件(4)包括调整部件底板(4-1)、弹性支撑片(4-2)、调整旋钮(4-3)、水平工作台(4-4)、电解液容器(4-5)，所述的调整部件底板(4-1)固定在旋转工作台(3-2)的上端，所述的水平工作台(4-4)设置在调整部件底板(4-1)的正上方，所述的弹性支撑片(4-2)设置于调整部件底板(4-1)与水平工作台(4-4)之间，电解液容器(4-5)安装在水平工作台(4-4)上，调整部件底板(4-1)的上端面设有螺纹孔，所述的调整旋钮(4-3)设置在调整部件底板(4-1)与水平工作台(4-4)之间，调整旋钮(4-3)的螺纹端与调整部件底板(4-1)的螺纹孔螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的电极逼近组件(7)包括PZT驱动器(7-1)、传感器支座(7-2)、力传感器(7-3)、加工电极(7-4)，所述的PZT驱动器(7-1)安装在Z向工作台(6-5)上，所述的传感器支座(7-2)安装在PZT驱动器(7-1)上，所述的力传感器(7-3)的一端与传感器支座(7-2)固连，力传感器(7-3)的另一端设有加工电极(7-4)。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的电化学微纳加工设备，其特征是：所述的电化学微纳加工设备还包括控制***(8)，所述的控制***(8)固定在隔振基座(1)内的下方，所述的控制***(8)包括液晶触摸屏工控机(8-1)、A3200运动控制器(8-2)；所述的液晶触摸屏工控机(8-1)中装有多维联动控制软件，液晶触摸屏工控机(8-1)上的微处理器操作面板操作该软件对A3200运动控制器(8-2)进行控制及操作，所述的A3200运动控制器(8-2)分别与X向直线导轨(2)、Y向直线导轨(5)、Z向直线导轨(6)、电极逼近组件(7)、水平旋转组件(4)连接，A3200运动控制器(8-2)将控制信号分别发送给X向直线导轨(2)、Y向直线导轨(5)、Z向直线导轨(6)、电极逼近组件(7)、水平旋转组件(4)，A3200运动控制器(8-2)收集以上组件及导轨的实时信息反馈给液晶触摸屏工控机(8-1)，并通过液晶触摸屏工控机(8-1)多维联动控制软件加以显示。