[发明专利]一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)工艺、微细电火花加工技术领域，具体涉及一种金属钨电极的制备方法，利用制备出的钨阵列电极可以实现微细电火花并行加工。

背景技术

微细电火花加工技术(micro-EDM)是将常规电火花加工工艺微细化，用于实现微细尺度零件特征加工的特种加工技术。微细电火花技术利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔化和汽化，从而达到蚀除加工的目的。由于加工具有非接触，几乎无切削力，不受材料的强度和硬度限制等特点，微细电火花加工技术特别适合高精度、无变形的微小零件特征加工以及硬脆难加工导电材料的微细加工。因此，微细电火花加工技术已经成为微细制造领域的一个重要方向，并越来越广泛的应用于航空航天、电子信息、模具以及光学和医疗器械中关键零件的加工。

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。电镀加工的电极以镍和铜为主，熔点较低；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

针对以上微细电火花电极制备技术的问题，本发明提出一种基于等离子体深刻蚀技术(DRIE)制备金属钨电极的微细电火花加工方法，使用深刻蚀加工的电极由光刻进行图形化，可以得到任意形状；电极精度高、批量加工成本低；金属钨熔点高、硬度高、加工过程中损耗很低，电火花加工精度很好。

本发明首先提供一种用于微细电火花加工的金属钨电极，其制备方法如下：

1)在钨基片表面溅射硬掩膜；

2)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；

3)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；

4)去除硬掩膜上的光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法(DRIE)进行钨电极或钨阵列电极的深刻蚀；

5)去除硬掩膜，得到钨电极或钨阵列电极。

进一步地，所述硬掩膜为铝掩膜，此外也可以采用AlN，Cr，Ni，Cu，Ti等材质的硬掩膜。

进一步地，所述光刻胶的厚度满足其对硬掩膜的刻蚀选择比的要求。

进一步地，步骤4)所述等离子体深刻蚀方法采用六氟化硫(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，采用的刻蚀速率约为0.5～2μm/min。

本发明还提供基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法，包括如下步骤：

1)将待加工的工件固定在微细电火花加工装置的工作台上，并将该工件浸没在工作液中；

2)将钨电极固定在微细电火花加工装置的主轴头上，通过脉冲电源在钨电极和工件之间施加脉冲电压，当钨电极和工件靠近至一定距离时发生脉冲放电，进而蚀除工件材料，实现钨电极图形到工件的转移。

进一步地，所述脉冲电源的参数为：电压50～200V，电流1.0～5.0A，脉冲宽度1.0～6.0μs。

进一步地，所述钨电极为单个钨电极或者钨阵列电极。当为单个钨电极时，电极上的图形是阵列的，且可以存在多个重复单元，因此也可以实现并行加工。

进一步地，对于钨阵列电极，采用抬刀和冲油的方式，增加工作液的流动以及蚀除产物的排出，提高加工精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：