CN104909335A - 一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法，其步骤包括：在钨基片的背面制作保护层、粘附层和电铸的种子层；在钨基片正面制作硬掩膜；在硬掩膜上涂覆光刻胶并曝光显影，然后刻蚀硬掩膜实现掩膜图形化的转移，并在表面涂覆光刻胶保护层；在钨基片背面利用种子层进行电铸，形成微细电极支撑结构，优选采用UV-LIGA工艺制备该支撑结构；去除钨基片正面的光刻胶保护层，采用等离子深刻蚀方法制备钨微细电极；去除钨基片正面的硬掩膜和钨基片背面多余的保护层、粘附层和种子层，得到由钨微细电极和微细电极支撑结构组成的高深宽比微细电极。本发明能够增加微细电极的实际深度，进而充分利用钨电极，提高微细电火花加工的深宽比。

Description

一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法

技术领域

本发明属于微细电火花加工技术领域，具体涉及一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法。

背景技术

微细电火花加工(Micro-EDM)具有非接触加工、无明显宏观作用力和放电能量易于控制等特点，特别适合各种高硬度、高强度、高耐磨性和抗腐蚀性的难加工导电材料(如不锈钢，硬质合金等)的微细加工，在微细轴、微细孔以及复杂微小结构的加工中发挥重要作用。

然而，微细电极的制备一直是制约微细电火花技术发展的重要因素。采用传统线电极电火花磨削加工技术(WEDG)，可以制备直径为5到300μm的微细电极。但是，这种利用单电极的串行加工方式效率很低，在电极的独立制备过程中，其一致性难以保证，因此加工精度非常有限。

针对上述问题，人们提出微细电火花批量加工技术(Batch mode micro-EDM)，其主要特点是利用阵列电极实现微细电火花并行加工，提高加工效率。其中，电火花线切割技术(WEDM)可以制备方形的阵列电极，但无法实现任意形状的电极加工，因此，该技术应用范围十分有限。而利用光刻技术的LIGA工艺，可以制备出任意形状的阵列电极，另外，同步辐射X射线的应用可以实现高深宽比电镀结构。但是，电镀加工的电极材料有限，以镍和铜为主，其熔点较低；而由于电镀工艺自身的限制和电场的非均匀分布，电镀得到的结构其材料特性相比热加工的金属体材料更为疏松，并且难以避免空洞等缺陷。在微细电火花加工过程中，电镀得到的工具电极不仅损耗很大，并且容易发生形变，严重影响加工精度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法，利用双面光刻技术，在钨基片正面采用等离子深刻蚀定义微细电极图形，在钨基片背面优选利用UV-LIGA工艺(Ultraviolet-Lithographie Galvanoformung Abformung)，制备具有高深宽比的支撑结构，以增加微细电极的实际深度，进而充分利用钨电极，提高微细电火花加工的深宽比。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法，其步骤包括：

1)在钨基片的背面依次制作保护层、粘附层和电铸的种子层；

2)在钨基片正面制作钨刻蚀的硬掩膜；

3)在硬掩膜上涂覆光刻胶并曝光显影，完成光刻胶的图形化；

4)刻蚀硬掩膜以实现掩膜图形化的转移，并在表面涂覆光刻胶作为保护层；

5)在钨基片背面利用所述种子层进行电铸，形成微细电极支撑结构；

6)去除钨基片正面的光刻胶保护层，采用等离子深刻蚀方法制备钨微细电极；

7)去除钨基片正面的硬掩膜和钨基片背面多余的保护层、粘附层和种子层，得到由钨微细电极和微细电极支撑结构组成的高深宽比微细电极。

进一步地，步骤1)中，所述保护层的材料为Al、AlN，Cr，Ni等，厚度为0.5～2μm；所述粘附层的材料为Ti、TiW、Au、Co、Ta等，厚度为50～200nm，所述种子层的材料和电铸材料一致，如Cu等，厚度为100～500nm。

进一步地，步骤2)中，所述硬掩膜的材料为Al、AlN、Cr、Ni等，厚度为2～5μm。

进一步地，步骤5)优选采用UV-LIGA工艺制备微细电极支撑结构，此外也可以采用LIGA工艺制备这种支撑结构，但LIGA工艺成本较高。采用UV-LIGA工艺制备微细电极支撑结构的步骤如下：

a)采用注射式涂胶法对钨基片涂SU-8胶，得到平整的胶膜，然后进行前烘，完成后取出钨基片，放置至室温；

b)采用双面光刻的方法，实现与钨基片正面图形的对准，曝光后利用逐渐升温的方式进行后烘，冷却至室温后进行超声显影；

c)根据电铸材料的不同采用对应的电铸液进行电铸，然后利用化学机械抛光将电铸材料表面减薄抛光，形成微细电极支撑结构。

进一步地，步骤a)中SU-8胶的厚度为0.1～1.5mm，将涂好SU-8胶的基片放在已经调平的匀胶台上，依靠SU-8胶在高于其玻璃化转变温度时具有的流动性得到平整的胶膜；所述前烘的温度为80～120℃，时间为5～20h。

进一步地，步骤b)所述利用逐渐升温的方式进行后烘，是先由室温缓慢升温至50～70℃，保持5～20min，然后升温至90～95℃，保持30～60min，然后自然冷却至室温。

进一步地，步骤c)中电铸材料可以是铜、镍、金、银、铁、铁镍合金等。对于电铸铜，常用的镀铜溶液有酸性硫酸盐镀液，氰化物镀液和焦磷酸盐镀液；对于电铸镍，常用的电铸液有氨基磺酸镍，硫酸镍，氯化镍以及其混合溶液。电铸温度设定为10～60℃，电流密度为100～500A/m²。

进一步地，利用微波等离子体方法去除步骤5)中的SU-8胶，以释放支撑结构。优选地，所述微波等离子体方法采用的反应气体为CF₄和O₂。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)利用UV-LIGA工艺为钨电极制备支撑结构，提高微细电极的实际长度，而在微细电火花加工过程中，电铸支撑结构几乎不参与脉冲放电，因此不影响加工精度。同时，在微细电极不断进给中，充分利用金属钨电极低损耗率的优势，提高微细电火花加工的深宽比；

(2)UV-LIGA制备的支撑结构尺寸可以比钨电极小一些，并且底部空间较大，有利于放电加工过程中电蚀产物的排除，从而提高微细加工的效率与精度；

(3)与金属钨直接刻蚀高深宽比微细电极相比，该方法加工效率高，并且不会出现金属掩膜粘附性和侧壁垂直度变差，以及横向钻蚀严重等问题。

附图说明

图1是钨基片背面溅射铝过刻保护层、粘附层和铜种子层的示意图。

图2是钨基片正面溅射Al的示意图。

图3是进行光刻并刻蚀铝的示意图。

图4是正面涂胶保护和背面的SU-8胶的示意图。

图5是SU-8胶曝光显影的示意图。

图6是电铸铜的示意图。

图7是正面去胶并刻蚀钨电极的示意图。

图8是湿法腐蚀去铝过刻保护层、粘附层和种子层的示意图。

图9是去除SU-8胶膜得到高深宽比微细电极的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例的高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法，具体包括如下步骤：

1.选用厚度为200μm双面抛光的4寸金属钨基片，依次经过稀盐酸、NaOH溶液、丙酮和去离子水清洗，保证钨基片表面没有杂质残留。然后放入真空烘箱烘烤，去除基片表面水分。

2.如图1所示，在钨基片1的背面溅射厚度为1μm的铝膜，作为钨过刻蚀的阻挡层(即保护层)2，之后再溅射100nm厚的Ti作为粘附层3，接着溅射300nm厚的Cu，作为电镀铜的种子层4。

3.在钨基片1的正面溅射4μm厚的Al作为钨刻蚀的硬掩膜5，满足深度200μm钨电极的要求(如图2)。之后，在铝掩膜上涂覆光刻胶，作为刻蚀铝的掩膜。接着曝光显影，完成光刻胶的图形化，然后采用干法刻蚀金属铝，实现掩膜图形化的转移，最后在表面涂覆光刻胶，作为保护层6(如图3、图4)。

4.利用UV-LIGA工艺在钨基片背面制备微细电极支撑结构，具体步骤如下：

(a)倒胶和前烘：采用注射式涂胶法获得厚度为1.2mm的SU-8胶7。然后将涂好胶的基片放在已经调平的匀胶台上，由于SU-8胶在高于其玻璃化转变温度T_g(55℃)时具有良好的流动性，依靠其自身的流动性即可得到平整的胶膜，在110℃条件下前烘12h，然后取出钨基片，放置至室温(如图4，其正面涂胶保护6，背面是SU-8胶7)。

(b)曝光，后烘和显影：采用双面光刻的方法，实现与钨基片正面图形的对准，曝光后利用逐渐升温的方式进行后烘，先由室温缓慢升温至60℃，保持10min，然后升温至90℃，保持30min，然后自然冷却至室温。采用超声显影，辅助超声振动30min，然后使用异丙醇(IPA)清洗，最后用去离子水清洗后，在150℃下坚膜15min(如图5)。

(c)微电铸：采用CuSO₄和H₂SO₄组成的电铸液进行电铸Cu，电铸温度设定为35℃，电流密度为200A/m²，然后利用化学机械抛光(CMP)将电铸Cu表面减薄抛光(如图6，其中8为电铸材料)。

5.在钨基底正面，首先利用丙酮去除铝掩膜表面的光刻胶保护层，然后利用铝作为掩膜，采用等离子深刻蚀方法制备钨微细电极9(如图7)。进行等离子体深刻蚀时，可以采用SF6作为刻蚀气体，钝化气体采用CHF3或C4F8，总流量为50～200sccm，钝化气体占50％-70％，气压≥25mTorr，RF功率≤40W，ICP功率≥1500W，采用的刻蚀速率为0.5～2μm/min。

本实施例中，钨微细电极的刻蚀深度为200μm。为避免刻蚀非均匀性的影响，过刻10min，以保证所有区域钨电极的深度均达到200μm。同时，由于背面有Al膜的保护，过刻不会对背部的电铸结构造成影响。然后湿法腐蚀去除铝掩膜，背面多余的铝过刻保护层，粘附层和种子层(如图8)。

6.由于传统物理和化学的方法去除SU-8胶会影响钨电极和铜支撑结构的结合，这里利用微波等离子体方法去除SU-8胶，释放支撑结构，得到微细电极(如图9)，这里，反应气体为CF₄和O₂，去除速率可达20μm/min。

7.利用200μm钨电极和1200μm铜支撑结构所组成的高深宽比微细电极进行微细电火花加工。这里，以钨电极微细电火花加工损耗率20％为例，如果背部没有支撑结构，200μm钨微细电极的最大加工深度为120μm，而这种高深宽比微细电极的最大可加工深度为1000μm，深宽比提高8倍以上。

与上面实施例不同的是，本发明也可以采用LIGA工艺在钨基片背面制备微细电极支撑结构。这种方法成本较高，需要使用同步X射线，光刻胶通常使用PMMA，电铸步骤与UV-LIGA工艺类似。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种高深宽比微细电火花阵列电极的制备方法，其步骤包括：

1)在钨基片的背面依次制作保护层、粘附层和电铸的种子层；

2)在钨基片正面制作钨刻蚀的硬掩膜；

3)在硬掩膜上涂覆光刻胶并曝光显影，完成光刻胶的图形化；

4)刻蚀硬掩膜以实现掩膜图形化的转移，并在表面涂覆光刻胶作为保护层；

5)在钨基片背面利用所述种子层进行电铸，形成微细电极支撑结构；

6)去除钨基片正面的光刻胶保护层，采用等离子深刻蚀方法制备钨微细电极；

7)去除钨基片正面的硬掩膜和钨基片背面多余的保护层、粘附层和种子层，得到由钨微细电极和微细电极支撑结构组成的高深宽比微细电极。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述保护层的材料为Al、AlN、Cr或Ni，厚度为0.5～2μm；所述粘附层的材料为Ti、TiW、Au、Co或Ta，厚度为50～200nm，所述种子层的材料和步骤5)中进行电铸的材料一致，厚度为100～500nm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述硬掩膜的材料为Al、AlN、Cr、或Ni，厚度为2～5μm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)采用UV-LIGA工艺制备微细电极支撑结构，包括如下步骤：

a)采用注射式涂胶法对钨基片涂SU-8胶，得到平整的胶膜，然后进行前烘，完成后取出钨基片，放置至室温；

b)采用双面光刻的方法，实现与钨基片正面图形的对准，曝光后利用逐渐升温的方式进行后烘，冷却至室温后进行超声显影；

c)根据电铸材料的不同采用对应的电铸液进行电铸，然后利用化学机械抛光将电铸材料表面减薄抛光，形成微细电极支撑结构。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤a)中SU-8胶的厚度为0.1～1.5mm，将涂好SU-8胶的基片放在已经调平的匀胶台上，依靠SU-8胶在高于其玻璃化转变温度时具有的流动性得到平整的胶膜；所述前烘的温度为80～120℃，时间为5～20h。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤b)所述利用逐渐升温的方式进行后烘，是先由室温缓慢升温至50～70℃，保持5～20min，然后升温至90～95℃，保持30～60min，然后自然冷却至室温。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤c)采用的电铸材料是铜、镍、金、银、铁、或者铁镍合金；电铸温度设定为10～60℃，电流密度为100～500A/m²。

8.如权利要求4～7中任一项所述的方法，其特征在于：在电铸之后，利用微波等离子体方法去除SU-8胶，以释放支撑结构。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)采用LIGA工艺制备微细电极支撑结构。

10.根据权利要求1～9中任一项所述方法制备的高深宽比微细电火花阵列电极。