[发明专利]一种三维微纳结构器件的制备装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维微纳结构器件的制备装置及方法，属于三维微纳结构器件制备技术领域。

背景技术

如今许多设备逐渐走向微型化，而设备微型化离不开其中零部件的微型化，传统的材料制备成型方法诸如切削、冲压等加工方法无法从精度和尺寸上达到微纳结构，显然已经逐渐不适合用于微型化零部件的加工成型。

超精密切削加工技术是一种可以实现微米级别加工的技术，它基于传统切削加工方法发展起来的，又与传统的切削有很大不同。首先，超精密切削加工过程需要克服待加工材料原子之间的结合力，这会在刀刃产生很大的应力和温度，目前只有单晶金刚石刀具可以满足这一要求。其次，超精密切削加工需要用到微米级别的金刚石刀具，刀具本身的尺寸限制了此工艺的加工尺寸，也导致此工艺无法进一步微细化。

相比起传统的加工工艺，在电沉积制造过程中，材料的制备成型均是以离子的尺度进行的，金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电沉积制造技术这种加工方法使得它在微纳米结构材料制备领域有着极其大的潜能。

电化学制造中基于阴极沉积的增材制造技术被称为电铸，在电铸过程中，电镀液中的金属离子不断向阴极迁移，并沉积在阴极衬底上，直到达到所需要的厚度。然后，沉积层可以被机械等方法剥离，即获得所需的金属制品。电铸具有无损耗、表面无应力、加工表面质量好、与零件材料硬度无关等优点。

虽然电铸技术理论上在微纳结构材料加工上具有极大的优势，但是传统电化学加工的加工定域性很差，这限制了它的微纳尺度加工能力。加工定域性是指加工区和非加工区材料去除量的比值。在电沉积过程中，对于有电镀液的阴极表面，只要有电流通过，就会发生金属沉积，这些沉积的区域可能不仅仅只有期望加工的区域，这会导致工件的形状出现一些细微的畸变。光刻胶镂空模板屏蔽法可以提高其定域能力，目前最成熟且最具代表性技术是LIGA和准LIGA。LIGA利用同步辐射X射线源通过特制的图形化掩模板对感光胶进行照射，然后用显影液对曝光后的感光胶进行冲洗，得到与掩模板上图形相对应的镂空感光胶膜，接着用电沉积方法对这些孔洞进行填充，得到的金属结构既可以作为最终产品也可以作为模具进行批量化生产。然而LIGA使用的同步辐射X射线源极为稀缺昂贵，这成为其大规模应用的主要障碍。准LIGA技术指的是用紫外线、激光、质子束等代替同步辐射X射线的技术，这些准LIGA技术在分辨率、深宽比方面均比LIGA技术逊色，加工尺寸也无法过于精细。并且，由于曝光光源和掩模板的限制，采用光刻胶镂空屏蔽模板方式的LIGA和准LIGA技术目前无法获得特征尺寸在纳米尺度的电铸制品。

近年来发展起来了一种诱导电沉积(localized electro-deposition,LED)。它利用电化学原理在阴极上有选择地逐步堆积金属层而形成任意三维微纳结构。该技术采用毛细玻璃管作为电镀液盛放装置，并且通过毛细玻璃管与阴极所在平台之间的相对移动来控制电沉积位置，并最终得到所需三维结构。该技术成本较低，也大大提高了定域性，但是此方法中还是存在因为电镀液本身较强流动性导致定域性不好的问题，所以并不能制成复杂、精细的三维微纳结构。

Jie Hu和Min-Feng Yu在SCIENCE上报道了一种用电沉积制造类拱桥状纳米导线的方法。该方法基于上述的诱导电沉积方法，用一个口径大约在3微米的微型管作为电镀液释放装置，同时用聚焦离子束在管口一侧切一口，然后用此管口在适当的移动速度下释放电镀液并沉积出了类拱桥状的纳米导线。但是此方法依然存在上述所说的定域能力不强的缺点，无法进一步制造出更复杂或者是更精细的三维微纳结构。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，提供了一种三维微纳结构的制备装置，该装置可以限制电镀液的流动性，提高电沉积定域性。

本发明的另一目的在于提供一种三维微纳结构的制备方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种三维微纳结构的制备装置，包括微型电镀管、容器、待镀三维微纳结构生长的衬底、三轴移动装置、电源以及控制系统；

所述微型电镀管内装有电镀液，所述容器内装有与电镀液不相溶的液体，所述衬底放置在容器内的底部，所述电镀液为待镀三维微纳结构器件的电镀液，所述微型电镀管浸入在容器内的液体中；

所述电镀液和衬底分别与电源连接，通过电镀液在衬底上实现三维微纳结构的电镀；所述三轴移动装置与控制系统连接，用于控制微型电镀管与衬底之间的相对位置以及移动速度。