（机械电子工程专业论文）微细群孔电解加工技术研究.pdf

微细群孑l 电解加工技术研究 学科：机械电子工程 研究生签字： 指导教师签字： 摘要 近年来，随着尖端技术的发展，高新产品越来越趋于集成化、超精密化、外形小型 化方向发展，因此其零部件也越来越趋于小型化，这就需要加工精度能达到微米级、亚 微米级甚至纳米级。掩膜微细电解加工( e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g ，e m m ) 是一项 新型的微细加工方法，是将光刻技术与电化学加工技术相结合，得到一种高效率、低成 本、低污染的加工方法。 本文在系统地分析了e m m 的加工原理、加工条件的基础上，对光刻过程中的涂胶 方法、甩胶速度、旋转时间、曝光参数、显影参数等参数对光刻结果的影响进行了试验 研究，结果表明：涂胶方法对胶膜厚度和均匀性有较大的影响；膜厚随甩胶机转速的提 高而减小；获得均匀胶膜的最低转速为1 2 7 0 r m i n ，最小甩胶时间为l o s ；试验所用光刻 胶曝光时间和显影时间的许可范围较大。 采用自制试验装置在静止电解液中对光刻胶膜厚度、加工电压、电极间距、电解液 浓度和种类等参数对加工结果的影响进行了试验研究。试验表明：在试验过程中，光刻 胶膜越薄、电解液浓度越高、加工电压越高侧向腐蚀越严重，小孔的形状精度和尺寸精 度越差；电极间距越小，加工结果的表面质量越好。各工艺参数对加工结果质量有着显 著的作用，优化参数对e m m 有着重要的意义。 关键词：微细加工；微细电解加工：电化学加工；光刻 m i c r o h o i em a c h i n i n gb y e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e a d v a n c e d t e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p i n g t e n d e n c i e so ft h en e wa n dh i 曲t e c h n o l o g yp r o d u c t sa r em o r ea n dm o r e i n t e g r a t e d 、 u l t r a p r e c i s i o n l ya n dm i n i a t u r i z a t i o n s oi t sp a r t sb e c o m em o r ea n dm o r es m a l l ，m a c h i n i n g a c c u r a c y s h o u l dr e a c hm i c r o n 、s u b m i c me v e nn a n o m c t e r t h r o u g h m a s ke l e c t r o c h e m i c a l m i c r o m a c h i n i n g ( e m m ) i s a l e a d i n gm i c r o m a c h i n i n gm e t h o d ，b yc o m b i n i n gl i t h o g r a p h m e t h o d 耐me c m i ti sa h i 曲e f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dl o wp o l l u t i o nm e t h o d o nt h eb a s i so f p r i n c i p l eo fe m m a n dl i t h o g r a p h t h i st h e s i sh a sm a d ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h ee f f e c t ，w h i c hr e s u l tf r o mr e l a t e dp a r a m e t e r si np r o c e s s ，s u c ha sm e t h o do f c o a t i n gp h o t o r e s i s t ，r o t a t i o n a ls p e e d ，e x p o s u r et i m ea n dd e v e l o p m e n tt i m e t h er e s u l ts h o w s t h a tt h et h i c k n e s sa n du n i f o r m i t yo f p h o t o r e s i s tw o u l d b eg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h em e t h o do f c o a t i n gp h o t o r e s i s ta n d t h et h i c k n e s so f p h o t o r e s i sr e d u c ew i t hi n c r e a s eo f t h er o t a t i o n a ls p e e d t h e r a n g eo f t i m ef o re x p o s u r ea n dd e v e l o p m e n t i sr e l a t i v l yw i d ci nt h i sp h o t o r e s i s t u s e ds e l f - m a d ee x p e r i m e n t a ls e t u pt os t u d yt h ei n f l u e n c e s ，w h i c hr e s u l t sf r o mf o l l o w i n g p a r a m e t e r s ，s u c ha st h i c k n e s so fp h o t o r e s i s t ，a p p l i e dv o l t a g e ，e l e c t r o d eg a pa n dc o n c e n t r a t i o n o fe l e c t r o l y t e t h er e s u l ts h o w st h a ti ft h et h i n n e rt h i c k n e s so fp h o t o r e s i s ti s 、t h eh i g h e r e l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o na n dv o l t a g ea r e ，t h em o r es e r i o u su n d e r c u t t i n gi s i ft h ee l e c t r o d eg a p i sk e p ta tav e r ys m a l lv a l u e ，t h e nt h er e s u l t i n gm a c h i n i n gs h a p ew i l lb eb e t t e r o p t i m i z i n g m a c h i n i n gp a r a m e t e r i so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r o c e s so f e m m k e yw o r d s ：m i c r o f a b r i c a t i o n ；e m m ；e c m ；l i t h o g r a p h 1 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 粗略地讲，微细加工技术可以理解为加工尺度在帅级以下的、针对微小尺寸器件或 薄膜图形的一种加工制造方法。微细加工技术是人类迄今所能达到的精度最高的加工技 术，其加工尺寸已达亚微米、百纳米、甚至纳米级，该技术不仅涉及物理、化学和精密 机械等方面，而且需要研究材料和器件的微观性质。另外，微细加工对加工环境、制造 设备、选用材料、测量方法与仪器等有特殊需要。目前，微细加工已成为世界制造业所 关注的一个重要发展方向。 早在上个世纪中期，电解加工技术就已经作为一种加工工艺用于印刷电路板的制造， 今天，随着科学研究和国防尖端工业的发展，高新技术产品向功能集成化、超精密化和 外形小型化方向发展，使零部件的尺寸闩趋微小化，电解加工技术被广泛应用于先进电 子器件的制造，包括芯片、薄膜磁头和微机电系统( m e m s ) 等。 微细电化学加工( e m m ) 就是将电化学加工工艺应用于薄膜和微观结构的一种加工 方法。相对于化学蚀刻，微细电化学加工有着更好的可控性和柔性，并且在监控方面投 入较少，安全可靠、对环境污染较小，另外，微细电化学加工能对各种硬度的金属和合 金进行加工。现在，e m m 在电子和其他高科技工业中已经受到了足够的重视，特别是 在金属加工中，e m m 已经成为一种替代其他加工方法的更加环保的加工方法“”1 。 1 ，1 2 微细电化学j j n - r 的分类 微细电化学制造技术按原理可以分为两大类如图1 1 所示，一类是基于阳极溶解原 理的减材技术：如电解加工、电抛光等，另一类是基于阴极沉积原理的增材技术，如精 密电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点，无论材料的去除还是增加，过程都是以离 子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小，故这种微去除方式使得电化学制造技 术在微细制造领域、以至于纳米制造领域的前景存有着想象的空间。 实际上，徼细电铸技术已经在微细制造领域得到了重要的应用。微细电铸是l i g a 技术。个重要的、不可替代的组成部分。此外，微缨电铸已经涉足纳米尺寸的微细制造 中，激光防伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用”3 。 与其相比，电化学去除技术所能达到的精度和微细程度目前远不能与电铸技术卡目比。 西安i ：业学院硕十学位论文 微细电化学加工 厂j _ 电化学沉积 电铸电镀 电化学去除 厂- 有掩膜无掩膜 图1 1 微细电化学 j i - 1 2 分类示意图 1 2 微细电解加工技术研究现状 1 2 1 微细电解加工的发展 电抛光 微细电解加工技术是在9 0 年代末开始研究的。1 9 9 8 年m m 公司以专集的形式发表 了其研究成果，包括在1 2 5 9 m 厚的不锈钢板上加工密集的直径为5 0 9 m 的高速喷墨打印 机喷嘴板，在2 5 0 m m 2 5 0 m m 的大面积钼板上加工童径为2 0 9 m 的1 2 0 0 0 0 个均匀分布 的显示器用光栅罩等，其直径的最大误差不超过1 0 。并成功的将这项技术用于高速打 印机的喷嘴、微型锥接触器、印刷电路板、微小孔金属网筛、磁记录装置的滑车悬架等 产品的大批量生产中。2 0 0 0 年7 月德国f r i t zh a b e r i n s t i t u t eo f m a xp l a n ks o c i e t y 以r o l f s c h u s t e r 和g e r h a r de r t l 为首的研究小组，基于电化学反应基本原理，采用1 0 9 m 的金属 电极和o 5 9 m 的加工间隙，在纳秒级脉冲电压作用下进行三维微结构的加工研究，成功 地在铜和硅板上加工出2 5 9 m x1 0 9 m 1 5 9 m 和1 5 9 m 1 5 9 m 1 0 9 m 的叠加三维结构， 加工精度达1 0 1 l m “”。厦门大学田昭武等提出的约束刻蚀剂层技术( c o n f i n e de t c h a n t l a y e r t e c h n i q u e ，简称c e l t ) ，可用于三维超微( 纳米) 图形复制。c e l t 的最大特点是 能在半导体及金属等多种材料上实现立体微结构的加工和复制。基于c e l t 的思想，德 国r o l fs c h u s t e r 和g e r t l 等提出了一种基于约束刻蚀思想的双电层约束刻蚀加工超微立 体图形的电化学微加工法，其加工用的电解槽安装在一个压电陶瓷驱动的具有x 、y 、z 三个自由度的微定位平台上，通过微定位平台的空间运动，在硅片上加工出超微三维立 体图形。1 。在国内，微细电解加工方面的研究还没有受到足够的重视，有待于进一步的 研究。 目前，微细电解加工技术研究正朝着进一步研究电化学反应的机理以提高加工精度 和三维微结构的一次成型制造两个方面发展。 电解加工在微细加工领域已初露端倪，但有许多技术问题必须加以解决，例如工具 结构、电解液流动、杂散腐蚀。虽然其研究已经获得了很好的结果，但是它们所涉及的 尺寸范围要远大于硅片技术、l i g a 等微细加工技术可达到的微小尺寸1 。 西安l 业学院硕士学位论文 1 2 2 微细电解d n - r 机理 微细电解加工主要是利用金属阳极溶解原理来去除材料的加工技术，这种加工原理 使得电化学加：l ：具有微细加工的可能。 微细电解加工间隙的微小变化，在工件表面上产生微观的凹、凸不平，都可能超出 工件微细加工的精度范围，因此，必须保证加工间隙微观上的一致性，即问隙必须具有 “自我愈合”使间隙在微观上具有一致性的能力，间隙具有对工件上微观凹、凸不平， 具有自我整平的能力。要使间隙具有这种自我愈合的能力，必须增强阳极溶解去除量的 变化的显著性，即增强阳极溶解去除量的相对变化对工件表面微观凹、凸不平引起间隙 变化的敏感性，亦即增强对各点电流密度的敏感性，电流密度的微小不同，引起的去除 量不同要明显。 根据法拉第定律可以得到。： w = ( i t 9 6 5 0 0 ) ( m n ) ( 曲( 1 1 ) v = ( it 9 6 5 0 0 ) ( m ( n p ) ) ( i t u t i )( 1 2 ) 式中：w 一阳极上溶解下来的金属重量( g ) ，即加工去除量； v 一阳极上溶解下来的盒属的体积( m m 3 ) ； i 一电解电流，即电化学阳极溶解电源电流( a ) ； t 一电解时间，即电化学阳极溶解时间( h ) ； m 一金属的原子量； 一金属原子的化合价； p 一金属的密度。 对于特定的金属，m 、r l 、p 均为常数，由此，式( 1 1 ) 、式( 1 2 ) 变为 w = _ k i t v = w i t k = ( 1 9 6 5 0 0 ) ( m n ) 为被溶解金属的重量电化当量( g a h ) t d = k p 为被溶解金属的体积电化当量( m m 3 a h ) 。 1 2 3 电流分布与成形精度 ( 1 _ 3 ) ( 1 4 1 根据法拉第定律，电极表面给定区域的溶解速度和局部电流密度是成比例的。然而， 工件成型依靠的是阳极表面的电流分布，其主要依赖于电压分布和电极表面的形状特征。 在阳极材料溶解过程中电流分布也涉及到了许多不同的范围。1 。 电解加工过程中，工件表面宏观的电流分布决定了阳极溶解的最终形状。在加工过 程中使用较高的电流密度，往往会使得w a g n e r 参数变得非常低，由于反应过程中电极间 产生的气泡和焦耳热导致的局部电导率的变化会产生许多复杂因素，此外，系统中电流 效率会随着电流密度的变化而变化。 在掩膜微细电解加工中，工具的合理设计能够控制阳极表面的电流分布。在掩膜图 案区域内，电流分布决定了临近区域内溶解的相对深度，典型的来说，在刁i 规则图形区 域内，由于电压的不规则分布使得相互距离较大的区域要比距离小的区域中电流分配的 两安l ：业学院硕十学位论文 多。图1 2 ”1 所示为传质控制下阳极电流分布导致的单个孔成形过程的2 d 仿真，在局部 电流密度下由法拉第定律计算出每个点的溶解深度，从图1 2 中可以看出反应初始阶段 不均匀的电流分布导致图形中心区域的隆起，随着溶解过程的进行，溶解速度变得越来 图1 2 单个孔成形过程的2 d 仿真 越均匀，图形逐渐接近于半圆；从仿真的结果也可看出在掩膜刻蚀中的侧向腐蚀导致了 孔开口尺寸的扩大h 2 “。 1 2 4 加工电源与电参数 电源是电解加工设备的核心部分，机床和电解液系统的规格都取决于电源的输出电 流。电源随着电子工业的发展而发展。加工电源从6 0 年代的直流发电机组和硅整流器发 展到7 0 年代的可控调压、稳压的直流电源；8 0 年代出现了可控硅斩波的脉冲电源：9 0 年代随着现代功率电子器件的发展和广泛应用，又出现了高频、窄脉冲电流电解加工电 源0 1 。电源的每一次变革都引起加工工艺的新的发展。 提高加工精度，一直是国内外电解加工试验研究的主要目标和热点，虽然也取得了 一定的进展，但至今仍未能很好的解决。近年来，随着电子工业的发展，出现了脉冲电 解加工，与直流电解加工相比，脉冲电源加工能较大的提高加工精度，有效地改善加工 表面状况川。 在加工过程中，减小加工间隙可以提高加工的形状精度并且能够增加微细电解加：【： 过程继续进行下去的可能性。往往通过降低电压和电解液的浓度来减小加工间隙，其值 甚至可以降至几微米。但是加工过程中，微小加工间隙中的电解液在高度集中的电流的 作用下很容易沸腾，加工过程中产生的废渣也容易粘附在工件和工具电极表面，使得加 ：i ：精度变低，严重时会使加工无法进行下去“”1 。然而，如果使用脉冲电压来代替持续 电压，这些问题将得到解决，因为与直流电源相比有了脉冲间歇，为电解液温度下降和 电解产物的排除提供了时间，使电极表面浓差极化减小。因此使用脉冲电压进行加工在 很大程度上能改善加工精度和表面质量。脉冲加工系统示意框图如图1 3 “1 所示。 在试验和生产应用中发现高频电流相对于低频电流，其加工效果更好，整平效果更 明显，其原因是高频脉冲电流在加工中，除了电化学本身的作用外，高频电流作用产生 的振荡冲击使电解液的更新加快，改善了极窄小的加工间隙中电解液的充填状态，解决 西安j f ：业学院硕 学位论文 图1 3 脉冲电化学加工系统示意框图 了“小间隙加工工艺”中的电解液容易滞流、加工热量不易排出、废渣难于清除的问题， 使小间隙加工的优越性得到了更好的发挥。”。因此，在光刻胶遮蔽微细电解加工中应 根据需要选择脉冲电源。目前的最高频率只有几千h z ，最高电流仅为5 0 a “1 。 基础的试验研究表明频率、脉宽和占空比是影响间隙过程的理、化特性变化的最重 要的脉冲参数，它直接影响电化学阳极溶解的集中蚀除能力、散蚀能力以及极问间隙大 小及分布的状况，从而影响加工精度、表面质量和加工效率。试验研究还表明在不同的 频段和脉宽范围，间隙理、化特性的变化状况不尽相同，一般说来，频率越高，脉宽越 窄，占空比越小，脉冲效应就越强，理、化特性的变化就越大。 德国科学家研究以超短脉冲电解加工新技术，成功地在纳米尺度上去除金属材料、 加工微型机械，加工精度可以达到几百纳米。荷兰飞利浦公司充分应用脉冲电流电解加 工的特点，创建了计算机控制的全自动电解加工剃须刀静片的生产线，达到高质量、高 效率加工的目的。“。 1 2 5 间隙特性 加工间隙是电解加工核心的工艺要素，是决定加工精度的主要因素，直接影响n j j n 工效率、表面质量，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。加工间隙受到电场、 流场及电化学特性三方面的多种复杂因素的影响，如图1 4 “1 所示。 采用较大的加工间隙是传统电解加工精度受到限制的重要因素之一。如果加工间隙 能够大幅度减小，加工质量就会显著提高，利用电解进行微细加工的可能性也将增大。 一项研究从减小间隙入手来尝试微细电解加工，通过降低加工电压和电解液浓度，成功 的将加工间隙控制在1 0 9 m 以下。采用微动进给和金属微管电极，在o 2 m m 的镍板i - 自h 工出了0 1 7 m m 的, j q l 。 西安i 业学院硕士学位论文 图1 4 加工间隙与影响因素 1 2 6 微细电解加工用电解液 电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。其主要作用如 下： 1 与工件阳极及工具阴极组成成进行电化学反应的电极体系，实现所要求的电化学 加工过程，同时也是电解池中传送电流的介质； 2 排除电化学产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行； 3 带走电化学加工过程所产生的热量，使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，以确 保f 常的加工。 对电解液总的要求是加工效率高、精度高、表面质量好和实用性强。但随着电化学 加工的发展，对电解液又不断提出新的要求，且加工要求和出发点不同，对电解液又有 不同的甚至相互矛盾的要求。 早期，在电解加工中为了达到较高的加工效率，电解液浓度均偏高，从总体上来看 其加工精度较差，对某些合金例如钛合金、铸造耐热合金，其加工表面质量办不理想。 西安工业学院硕十学位论文 为了解决这些问题，近年来便发展了低浓度的复合电解液”1 。在微细电解加工中，其目 的主要是实现小间隙加工，高浓度的电解液在流动性上差于低浓度的电解液，当电解液 的流动性较差时会阻碍其在小加工间隙中的流动，无法及时进行间隙中电解液的更新和 带走电解产物及热量，而在加工过程中氢氧化物( 电解泥) 也会导致粘度增大，当粘度 大予5 0 时，电解液流动就十分困难，严重影响了反应的继续进行。采用低浓度、低粘 度的电解液因其流动性好，有利于小间隙的填充性，易于实现小间隙加工。 无论电解液是酸、碱还是盐，只要选择合适的加工条件，都可以进行微细加工。 1 2 7 掩膜与光刻 我国的光掩模制作始于6 0 年代中期，比国外晚5 6 年。当时采用传统的照相术及 手摇光刻机开展工作，硅片材料只有1 英寸2 英寸，制版光刻精度和特征尺寸为几十 微米。利用当时的掩模制作工艺，先后成功地研制出硅平面晶体管和硅数字集成电路m 1 。 7 0 年代，我国开始引进一批大型绘图机、大型照相机和可在超微粒干版上曝光的e 线分步重复精缩机。这时采用的硅片材料为2 英寸3 英寸，制版光刻精度为1 微米、 特征尺寸为l o 微米。在此期间成功研制出1 k 、4 k 、1 6 kd r a m 大规模集成电路，这 标志着我国进入了大规模集成电路时代。 8 0 年代初，国家在长沙和西安分别建成了两个铬板生产线，并于8 0 年代中期陆续 由美国引进了一批高精度光学制版设备，包括g c a 3 6 0 0 f 图形发生器和3 6 9 6 分步重复 精缩机，它们的分辨率高于1 2 5 微米，以计算机辅助设计制版为主。这时，我国的光掩 模制造业已经初步形成了规模。1 9 8 6 年6 4 kd r a m 研制成功，标志着我国也进入了超 大规模集成电路和微米级微细加工技术时代。 9 0 年代以来，我国开展了对亚微米集成电路和亚微米加工技术的研究，引进了一批 以a s m2 5 0 0 为代表的投影光刻机和以m e b e s i i i 为代表的电子束曝光制版系统，它们 的极限曝光特征尺寸接近0 5 微米，图形邻接精度优于0 1 微米。这样，我国也逐渐进入 了以电子束曝光和投影光刻技术为主的高精度光刻时代“”o ”o 。 国际上主要的掩模制作厂商有美国的p h o t r o n i c s 公司，它可以提供o 2 5 微米的掩模 和ps m 产品；日本印刷株式会杜( d n p ) ，是亚洲地区最大的掩模提供商，可以生产达到 0 1 8 微米的产品；杜邦光掩模公司( d p i ) ，可以提供0 1 3 微米的掩模，它在上海建有分公 司“1 。 目前，我国的光掩模制造业能够满足国内中低档产品市场的需求，而高档光掩模则 由国外公司直接提供。国际上普遍采用电子束曝光设备进行规模化生产，而我国只有2 3 家单位拥有电子束曝光设备，其他单位还在使用光学曝光设备。 上海杜邦光掩模公司是国内同行中技术较为领先的掩模制作企业。拥有m e m e si i i 电子束制版系统和完善的质量控制系统，主要针对国外市场和国内的合资企业。掩模的 特征尺寸为0 5 微米。2 0 0 2 年光掩模月产量为1 5 0 0 - - 2 0 0 0 片。据悉，明年公司将购置 新设备，向0 2 5 微米工艺迈进。 p h o t r o n i c s ( 上海1 有限公司成立于今年3 月，由国际著名的掩模专业制造厂美国 p h o t r o n i c s 公司投资建设，建成后将为国内用户提供0 2 5 微米的掩模制作服务。在公司 两安t 业学院硕士学位论文 即将建设的1 8 0 0 0 平方米的新厂房中，净化厂房的面积将超过3 0 0 0 平方米。在制版生 产线中，将采用应用材料公司的a l ta 3 5 0 0 与3 7 0 0 图形发生器、日立公司的电子束刻 蚀机、k l a t e n c o r 公司的检测系统以及其他先进的制版设备。中芯国际掩模制造厂主要 服务于中芯国际自身，产品的特征尺寸在o 2 5 微米- - 0 1 8 微米”“。 中国科学院微电子中心光掩模及微细加工试验室是我国最早从事光掩模技术研究的 单位之一，它拥有n m 级束斑的j b x5 0 0 0 l s 电子束光刻系统、j b x6 ai i 电子束制版系 统和光学制版设备”1 。 1 2 8 阴极和夹具 不同于传统的机械加工，电化学加工是利用电化学阳极溶解的原理将工件加工成形 的一种非接触式的特种加工方法。为了保证电极间隙内电化学反应的正常进行。需引入 直流电流和电解液( 强电解质溶液) 。可见加工是在一种特殊条件下进行的，因此央具和 阴极的设计就有其特殊要求* ，。 1 夹具的设计要求 夹具设计有以下要求： ( 1 ) 引导电解液进入加工区，保证电解液在各截面流动通畅，流速均匀； ( 2 ) 夹具与机床、阴极绝缘可靠； ( 3 ) 导电安全可靠，接触良好，不导致发热； ( 4 ) 防腐性能强，使用寿命长。 2 朋极的设计要求 加工过程中的的工具阴极相当于切削加工中的“刀具”，它直接影响着加工尺寸精度 和加工质量，是电化学加工工艺装备中的重要一环。 概括起来，工具阴极应满足如下设计要求： ( 1 ) 阴极在试验中能模拟实际的加工状态； ( 2 ) 与阴极对应的试件加工后的形状，应便于尺寸的测量因为工艺试验的目的就是要 根据试件的形状和尺寸来评价加工精度的高低，因而试件的有关尺寸必须易于测量； ( 3 ) 阴极的形状对加工精度的变化“敏感”。当加工精度发生变化时，应能在试件上 有明显反映，即有关尺寸对精度的变化具有较高的分辨率； ( 4 ) 阴极的定位与安装准确、可靠，调整拆卸方便； ( 5 ) 阴极导电可靠，以便于加工中将电源的负电通过阴极导入； ( 6 ) 阴极流道布局合理，确保加工间隙区流场均匀稳定，并能提供充分的流速。 微细电解加工过程的发展需要仔细设计和制造工具，所设计的工具应当能提供溶解 表面需要的电流分布和传质条件。设计精加工工具时，应当首先考虑电解液传输系统。 在微细电化学加工中可以应用不同的电解液传输系统，包括管道流通、电解液喷流、开 槽喷流和多喷嘴系统。试样的定位、电接触和过滤设备也是一些重要的设计方面，应当 引起足够的重视。 图1 5 。1 所示是微细电解单侧加工的工具。加工所用工具由以下几部分组成，转仪装 置( 三坐标转盘) 、多喷嘴的电解液传输系统、电解液储备池以及泵和过滤装置。喷嘴也 西安1 业学院硕十学位论文 作为阴极使用。试样固定在三坐标转盘上以恒定的速度通过喷嘴阴极。电极间距在l m m 到3 m m 之间。1 英寸宽的多喷嘴喷流装置将电解液高速喷至加：r 表面，可以带走电解产 物和加工产生的热量。这个工具可以用于不同尺寸试样的微细电解加工。电极剧缺口内， 多喷嘴阴极向工件喷洒电解液，电解液在加工间隙中流动。工件上接触电解液的部分产 生不均匀的电流分布。因此，电流和金属蚀除速率在反应区域达到很高的值，而远离反 应区的电流逐渐下降导致在这些区域的会属蚀除速率下降。 图1 5 微细加工工具 板材 极) 双面微细电化学加工工具如图1 6 。1 所示。在电解液流动的条件下，通过阴极扫描引 出了全新的局部溶解的概念。高质量的局部溶解通过使用较小的阴极宽度、非常小的电 极问距以决定金属蚀除方向并且可以得到均匀的电流分布。电解液以0 8 至3 9 p m 的速度 流经阴极，然后从阴极和遮蔽阳极间流过阴极表面。通过实验研究了两种流动方式：顶 部到底部的截流和向遮蔽阳极的喷流。垂直固定的遮蔽阳极使用a n o r a d 线性运动工兵以 0 5 7 c m j s 的速度来回扫描阴极。同其他多数加压喷雾的系统不同的是，微细电解加工 工具是利用电解液向下流动的无压力系统，有着极好的柔性，能加工不同尺寸的试样并 且适用于不同的电极间隙和电解液流动方式。“w 。 矾安ii ：业学院硕士学位论文 电解信 1 3 本课题主要研究内容 图1 6 双面微细电化学加【一j 二具 在微细电化学加工过程中，得到高精度的微细加工零件的关键在于减小或消除在微 细空隙中的侧面凹蚀，因此必须研究由光刻胶、加工工件、电解液、加工电源及加工装 置等所组成的复杂系统中各个方面对加工品质的影响，对系统进行合理设计，得到最优 的加工系统。具体内容为： ( 1 1 光刻胶的成分、胶膜厚度对加工工件形状精度的影响，以期达到最优的匹配，提 高加工件的形状精度； r 2 1 电参数对阳极溶解速度, n 自n i 零件尺寸精度的影响，确定最佳的加工参数； f 3 1 电解液的成分和浓度对小孔尺寸精度的影响： ( 4 1 研究加工装置的运动和定位精度、运动形式、电解液的供液方式、工件的夹持方 式及加工间隙等，设计加工工装，得到稳定的加工过程和较高的精度a o 2 掩膜微细电解加t 机理 2 掩膜微细电解力d - i - 机理 2 1 光刻原理工艺与影响因素分析 2 1 1 光刻原理 光刻是一种图象复印同刻蚀( 化学的、物理的、或两者兼而有之的) 相结合的综合 性技术，它先用照相复印的方法，将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻蚀材料( s i 0 2 、 a l 、多晶硅等薄层) 表面地光致抗蚀剂( 亦称光刻胶) 上面，然后在抗蚀剂的保护下对 待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所需要的图形”“1 。 光刻胶的性能取决于它的组分及组分之间的相互作用，受到光照后其发生分解反应， 转变为可溶于显影液。邻一叠氮醌类光刻胶曝光、显影机理反应过程可表示为： 型国 当光刻胶经紫外光照射后，分解放出氮气，同时分子结构进行重排，产生环的收缩 作用，形成相应的五员环烯酮佬合物，再经水解生成茚羧酸衍生物。在显影液( 碱性水 溶液) 中又能反应生成可溶性羧酸盐而被溶解掉，从而显出图形”3 。 2 1 2 光刻工艺 光刻基本工艺有基底表面处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶八个 工序。光刻工艺示意图如图2 1 ”1 所示。 1 基底表面处理 基底表面处理的目的是使片子表面清洁干燥，能和抗蚀剂很好地粘附，这是影响光 刻质量的重要因素。一般，在 目r j s i j 取出的氧化或蒸发片上立即涂胶，效果比较理想。对 已经玷污的氧化片，必须进行清理处理。可用硫酸清洗，冷热去离子水冲洗，最后烘干 即r 叮。对于沾有油污金属表面，则可用有机溶剂( 如丙酮) 擦，然后在红外灯下烘干。 2 涂胶 9 * 一 9 砉 。 一 西安1 ：业学院硕十学位论文 涂胶是在基片表面涂敷上一层光刻胶膜。 涂胶要求是：粘附良好、均匀、厚薄适当。涂 胶方法有浸涂法、喷涂法和旋转法等。最常用 的方法是旋转法。甩胶机是光刻工艺中的必要 装置，它利用离心原理产生厚度均匀的感光胶 膜，以便随后的曝光顺利进行，获得精确的几 何图案。为了对应不同浓度的胶液，获得匀质 胶膜，通常甩胶机设计成速度和时间可调型， 使用时可按使用说明调节参数。 3 前烘 ，匝固、 严警署刁f 霸泽翠 l 圣丘丛堡ll兰旦! 竺 l 剖业趣 i壁毡 l i竖式 e 窆 4 对准与曝光图2 1 光刻工艺流程示意图 曝光的光源一般采用发射紫外光的水银灯，并尽量形成平行光束垂直照射到基片上。 曝光时间要求严格控制。由于光的衍射、反射和散射作用，曝光时间越长，分辨率越低。 但曝光不足，光反应不充分，显影时部分胶被溶解。胶面发黑呈桔皮状，抗蚀性大大降 低。 5 显影 显影是把曝光后的基片放在显影液里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得所需 要的抗蚀剂的图形。 6 颦膜 坚膜就是在一定的温度下将显影后的片子进行烘烤，除去显影时胶膜所吸收的显影 液和残留水分，改善胶膜与基片间的粘附性，增加胶膜的抗蚀能力，以及消除显影时所 引起的图形变形。 7 腐蚀 腐蚀就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的基片部分进行腐蚀，得到完整的图形 光刻胶，它是影响光刻精度的重要环节。 8 去胶 当腐蚀成型完毕以后，起刻蚀掩蔽作用的光刻胶膜的使命就告完毕，因此，应用去 胶液将光刻胶去除干净给下一步操作留下一个干净清洁的表面。去胶液主要是一些有机 或无机试剂。 2 1 3 影晌掩膜质量的因素分析 光刻的质量，可以由分辨率、光刻精度( 包括线宽尺寸及套刻精度) 以及缺陷密度 莆 羞生 懈辅榭坪州引膜对既曝一燃黼删斟加曝硼燥燃一一一嘴嫩峭雌_ 量腑 一礁黜匦 西安i 业学院硕七学位论文 ( 包括图形完整性、针孔、小岛等) 等来衡量，影响光刻质量的主要因素是：光刻胶、 曝光方式( 曝光系统) 等。影响掩膜质量的各因素如图2 2 所示。 显影时间 膜厚 曝光时间 基片表面清洁度 膜厚 显影时问 曝光时间 光刻质量 图2 2 影啊掩膜质量的因素 光刻技术是一种图形的复印技术，基片上图形的形状是根据掩膜板上图形所决定的， 但是其尺寸精度可能会因为曝光及显影参数的不同而发生变化，为了减小电化学腐蚀过 程中的侧向腐蚀对加工结果的影响需要尽可能提高基片上掩膜图形的尺寸精度，选择合 适的曝光及显影参数，包括对曝光许可范围、最佳曝光量、显影时间等光刻参数进行研 究，研究结果表明： 1 清洁、干燥的基片表面是保证光刻质量的重要条件，基片表面的油污和颗粒沾污 会使光刻胶和掩膜接触不良，并在对准与曝光过程中损伤胶膜和掩膜板，引起分辨率下 降，造成针孔、小岛等图形缺陷； 2 掩膜微细电解加工过程中，光刻胶膜厚度及均匀性尤为重要，胶膜厚度及均匀性 与针孔密度和对腐蚀液的抗蚀性能力都有关，还影响着工件表面的电流分布从而对加工 结果会造成一定的影响，在用甩胶机进行甩胶时，理论上转速越高，基片表面的光刻胶 所受离心力越大，胶膜越薄，但是在同一转速下不同的甩胶方式可以得到不同的胶膜厚 度，为了得到合适的胶膜厚度需要选择适当的甩胶方式和甩胶机转速，同时，转速、旋 转时间等参数都可能对胶膜均匀性造成影响； 3 曝光过程和显影过程直接关系到光刻的分辨率和光刻精度，掩膜板与光刻胶膜接 触不良、曝光光线的平行度不良等这些人为的因素都会对光刻质量造成影响，因此应尽 量减小；曝光量过大、显影时间的过长或曝光量过小、显影时间的过短都会影响图形边 缘的质量，从而影响光刻精度。 西安1 一业学院硕士学位论文 2 2 微细电解加工机理及影响加工质量的因素分析 2 2 1 微细电解加工的材料去除机理 如图2 3 【4 1 所示，用两片金属作为电极浸入电解液中，接通直流电源后，电极、导线 和电解液中就有电流通过。但金属导线和电解质溶液是两类不同性质的导体，前者是靠 “自由电子”在外电场作用下沿一定方向移动而导电，是电子导体：而后者是靠溶液中 正负离子的定向移动而导电的，是离子导体。 当上述两类导体构成通路时，在金属片( 电极) 和溶液的界面上产生交换电子的反 应，即电化学反应，溶液中的离子便作定向移动，正离子移向阴极并在阴极上得到电子 进行还原反应；负离予移向阳极并在阳极表面失掉电子进行氧化反应( 也可能是阳极金 属原子失去电子而成为正离子进入溶液) 。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移”。 阳极：一2 e 一m e ” 阴极：2 t 1 2 0 + 2 e 一+ 2 0 h 一十h 2 工件 电解液 工具 图2 3 电化学反应示意圈 由于电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极的过 程，因此，在理论上有离子尺度的加工精度。只要精确控制电流密度和电化学反应发生 区域，就能实现微细电化学溶解或微细电化学沉积，即可达到对金属表面进行“去除” 或“生长”的目的。 掩膜法微细电解加工主要是利用掩膜使电流集中在待加工区域进行微细加工，周围 区域由于掩膜的遮蔽并不发生反应，而未受掩膜保护的部分参与反应被蚀除得到所需形 状，阳极上参加反应区域的反应机理和电化学反应机理是相同的。 由此可知，只要控制电流的大小和时间，就可控制工件的去除量和去除速度，由于 反应过程没有宏观作用力，而且不产生表面应力，因而可以实现电化学微细加工“”。“”3 。 在微细电解加工中，间隙必须具有“自我愈合”使间隙在微观上具有一致性的能力， 即间隙具有自我平整的能力。要使间隙具有这种能力，必须增强阳极溶解去除量的变化 的显著性，即增强对各点电流密度的敏感性( di i ) ，电流密度的微小不同，引起的去除 量不同要明显。 由式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 得 d w w = - k t d i ，k t i ) - d i i( 2 1 ) d v v = otd i i t ) = d i i ( 2 2 ) 4 西安i = 业学院硕士学位论文 式中：a 一微细加工面积； w 一阳极上溶解下来的金属重量( g ) ，即加工去除量 v 一阳极上溶解下来的金属的体积( m m 3 ) ； i 一电解电流，即电化学阳极溶解电源电流( a ) ； t 电解时间，即电化学阳极溶解时间( h ) ； i 一电流密度。 要使d i i 大，必须i 小。 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可知，要 提高加工间隙的一致性，微细电解加工 i 的电流密度要小，另外，根据图2 4 。” ( 不同类型电解液中阳极极化曲线示 意图) 可知，不同类型电解液其阳极极 化曲线不同，对于钝化型电解液的阳极 极化曲线，a b 段为溶解区，b c 段为不 完全氧化钝化区，c d 段为完全钝化区， d 以后为超钝化区。对于不完全氧化钝 化区和完全钝化区，在工件表面将被氧 化而形成钝化膜，使工件性能发生变 从 化，对于超钝化区，金属的溶解过快，图2 4 不同类型电解液中阳极极化曲线示意图 因此，微细电解加工应控制在溶解区内，i 一阳极极化电流中一阳极极化过电位 即电解槽压要小。对于非钝化型电解液，1 钝化型电解液的阳极极化曲线 在b 点以后，将在工件表面产生吸氧或2 非钝化型电解液的刚极极化曲线 其它离子放电，不利于精度控制，微细电解加工也应该控制在a b 段内。出此可知，要 进行微细电解加工，其电流密度要低，槽压降要低。另外为了提高其加工精度，电化学 杂散腐蚀要小，电解液的导电性要低，即电解液的浓度要低，由于工件的尺寸小刚度低， 因此电解液的流速和压力要低。工件材料的金相组织要微细均匀，工件才能微量均匀溶 解。综上所述，进行微细电解加工的条件是： 1 加工电流要小，电流密度要低； 2 加工电压要低，电解液槽压降要低； 3 电解液的浓度应低； 4 电解液的流动速度和压力要低。 2 2 2 微细电解加工的材料去除规律 微细电解加工作为一种加工工艺方法，人们所关心的不仅是其加工原理，而且在实 践上更关心其加工过程中工件尺寸、形状以及被加工表面质量的变化规律。而既能够定 性分析、又能够定量计算，可以深刻揭示加工工艺规律的基本定律就是法拉第定律。 由法拉第电解定律可知，电化学反应的量必然和电子得失的数量( 即电量) 成难比， 那么，在电解加工过程中理论的蚀除量为”1 ： 西安| _ 业学院硕士学位论文 v = ( ) i t f 2 - 3 、 式中：v 一阳极上溶解或析出的金属的体积( m m 3 ) ； i 一电解电流，即电化学阳极溶解电源电流( a ) ； t 电解时间，即电化学阳极溶解时间( h ) 。 考虑到实际的电流效率( ) ，则v = y e 0 i t 从微观角度出发，如果阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有其他物质析出，则 根据法拉第第一定律，阳极溶解的金属质量为： w = k o = k i t( 2 4 ) 式中： w 为阳极溶解的金属质量( g ) ； k 为单位电量溶解的元素质量，称为元素的质量电化当量( g a * s 或g a - m i n ) ； q 为通过两相界面的电量( a s 或a m i n ) ； i 为电流强度( a ) ： t 为电流通过的时间( s 或m i n ) 。 根据法拉第常数的定义，即阳极溶解l m o l 金属的电量为f ；而对于原子价为i 2 ( 更 确切地讲，应该是参与电极反应的离子价，或在电极反应中得失电子数) 、相对原子质量 为a 的元素，其l m o l 质量为a n ( g ) ；根据式( 2 4 ) 可写作 a ：= k f h j 可以得到k = ( 2 5 ) 柙， 电流密度i 是加工过程中的一个重要参数，直接影响加工效率、加工粗糙度，也间 接影响加工精度。由欧姆定律可以得出电流密度。 i = 一k v 西( 2 6 ) 在微细电解加工中，金属蚀除速率依靠的是金属电解液系统的特殊的电化学反应， 并且根据电流密度在法拉第定律中的应用可以确定金属蚀除速率。金属蚀除速率r ( c m s ) ，公式如下“1 ，= i m n f a p ( 2 7 ) 式中：i 为电流( a ) ； m 为溶解金属的分子重量( g m 0 1 ) ； n 为溶解离子所显的化合价； f 为法拉第常数； a 为表面面积( c m 2 ) ； p 为金属密度( g c m 3 ) ； n 的值可通过减轻的重量出公式( 2 1 0 ) 求出。 n = i t mf w ft 2 8 ) 式中：t 为溶解时间( s ) ； z k w 为阳极