[发明专利]一种电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极及其制备方法

说明书

本发明属于特种加工技术领域，尤其涉及一种电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极及其制备方法。本发明采用MEMS领域中的沉积工艺，在图形化牺牲层上沉积尺寸为几十‑几百纳米的图形化多晶硅层，然后对图形化多晶硅层进行掺杂，将图形化牺牲层去除后得到用于纳米电解加工的工具电极。本方法制备的多晶硅工具电极，由于硅材料硬度高，刚度大，在微细尺寸下可以保证不发生形变，加工精度优于金属电极。本发明的晶硅工具电极，加工过程成本低，可重复性好，在微加工领域具有广阔的应用前景。本方法涉及的硅微细加工工艺已经相当成熟，可以进一步缩小工具电极的特征尺寸；通过刻蚀工艺在硅片上得到电解加工用的纳米工具电极，具有大批量制作的应用潜力。

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，尤其涉及一种电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，功能结构的微型化已成为光学、电子、生物、航空航天等各个领域的发展趋势，结构尺寸也相应减少到微米量级，甚至是纳米量级。当前，纳米制造是世界科技强国技术竞争的制高点之一。纳米制造工艺将制造对象由宏观扩展到纳观，开拓了新的研究领域。基于物理/化学/生物制造的原理，目前在纳米压印、约束刻蚀剂层技术、高能束(超快激光、电子束、离子束)加工、纳米打印技术和电解加工方面取得了一定的进展。其中，纳米电解加工技术在机理上具有工具电极无损耗和成本低廉等优点，而且其在加工材料的范围、加工结构的多样性和成本方面具有明显的优势。

纳米尺度工具电极作为工具是进行纳米电解加工的必备条件，其特征尺寸直接影响纳米电解加工的尺寸和精度。目前国内外的研究人员分别采用电化学刻蚀技术、机械剪切、受控爆裂、火焰磨削、聚焦离子束铣削技术、银纳米线自组装技术和碳纳米管束焊接工艺等制备得到了尖端圆弧半径一般在10-100nm范围内，电极尖端为尖锥状且锥度大，采用该电极加工出的结构侧壁有很大的锥度，尤其是加工深度较大时，加工得到的结构尺寸精度受到严重的限制。采用聚焦离子铣削、自组装技术等方法虽然可以制备出纳米尺度电极，然而聚焦离子铣削设备昂贵，制备电极成本高，不适合批量制造。浸没电化学刻蚀法制备微电极虽然也得到了验证，但是电极的尺寸一致性不足，可重复性较差。

中国国家发明专利(公开号：CN201610909851.7)采用的“电解加工用微细单晶硅工具电极及其制备工艺”阐述了单晶硅工具电极的设计和制备工艺，可以实现微米级的工具电极的制备，制备得到的工具电极被证明是有效的、可行的。当前，采用的电子束光刻技术可以实现特征尺寸(线宽)小于50nm的刻写，因此采用硅材料制备具有纳米尺度的电解加工用的工具电极具备可行性。

发明内容

本发明的目的是提出一种电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极及其制备方法，针对现有技术的不足，以微细纳米尺度工具电极特征尺寸小于100nm为研究目标，用于满足纳米电解加工的应用需求。

本发明提出的一种电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极，包括硅基体、导电金属层和多晶硅阴极；所述的导电金属层的前部与多晶硅阴极的后部相互连接，导电金属层的后部位于硅基体上；所述的多晶硅阴极的前端部为电极工作端，多晶硅阴极的后部通过基体附着层与硅基体的前部相互连接；所述的硅基体的背面加工有定位槽，用于当多晶硅工具电极处于工作状态时，使工具电极与其它工件夹持定位。

本发明提出的电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极的制备方法，采用MEMS领域中的沉积工艺，在图形化牺牲层上沉积尺寸为几十-几百纳米的图形化多晶硅层，然后对图形化多晶硅层进行掺杂，将图形化牺牲层去除，得到直接用于纳米电解加工的工具电极。

本发明提出的电解加工用的纳米尺度多晶硅工具电极及其制备方法，具有以下特点和优点：