微细硅工具电极的制备及其微细电解加工实验

刘国栋 ，李 勇 ，孔全存 ，佟 浩 ，钟 昊

（1.清华大学机械工程系，精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室，北京100084；2.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192）

微细硅工具电极的制备及其微细电解加工实验

刘国栋1，李 勇1，孔全存2，佟 浩1，钟 昊1

（1.清华大学机械工程系，精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室，北京100084；2.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192）

提出了一种采用重掺杂单晶硅作为工具电极基体、二氧化硅/氮化硅作为绝缘层的硅工具电极用于微细电解加工。设计了利用体硅湿法腐蚀实现电极基体成形，化学气相沉积制备绝缘层的微细硅工具电极制备工艺。初步实验得到电极加工部尺寸约为100 μm，绝缘层厚度为800 nm的硅工具电极。利用高速旋转的微细硅工具电极在18CrNi8材料上加工出了微细沟槽结构和微细通孔。实验结果验证了侧壁绝缘层对杂散腐蚀抑制作用的有效性。经过96 min的持续加工实验，电极绝缘层保持了可靠的绝缘效果。

微细电解加工；微细硅工具电极；侧壁绝缘层；体硅湿法腐蚀

尺寸在200 μm以下微结构的机械零件在汽车、生物医疗和精密仪器等领域具有广泛应用，如发动机喷油嘴上的微喷孔和微流控芯片模具上的微结构等，其尺寸形状精度、表面质量的要求越来越高。常用的加工方法有微细电火花加工、微细电解加工、激光加工等，其中，微细电解加工将合金材料以离子形式溶解，可得到表面光滑的微结构，保证零件材料的表面完整性，在微结构加工中具有潜在优势[1-2]。

在微细电解加工中，通过对微细工具电极及其侧壁绝缘层的制备以达到对加工材料蚀除区域的定域约束是首先需要解决的问题。现有研究中，采用电火花线电极放电磨削、电化学腐蚀和光刻-电铸组合工艺等方法，可得到直径尺寸为50～200 μm的金属电极和阵列电极[3-4]。在金属电极侧壁制备绝缘层的研究方面，利用化学气相沉积技术（CVD）在微细电极表面制得厚度为13.4 μm的碳化硅/氮化硅组合绝缘层，可避免对微结构的侧壁腐蚀作用[5]。采用CVD技术将碳化硅沉积在钨电极表面，可抑制侧壁杂散电流的作用[6]。此外，利用滴涂法制作侧壁绝缘层，在电极侧壁上涂覆一层瓷釉，制作出厚度为3 μm的绝缘层[7]；利用硅胶树脂旋涂法制作侧壁绝缘层，通过电极高速旋转的离心力形成绝缘薄膜，制作出厚度为5～10 μm的绝缘层[8]；采用厚度为15 μm的聚酰亚胺绝缘管直接嵌套在电极上作为绝缘层，实现了微细倒锥孔的加工[9]。

考虑到减小杂散电流、保证加工效率和提高电极寿命等要求，侧壁绝缘层需具备绝缘性能好、壁厚小且均匀、绝缘层不易脱落等特点。瓷釉滴涂法、硅胶旋涂法和绝缘套管法分别采用陶瓷和高分子材料作为绝缘层，由于涂覆、嵌套等方法无法实现金属基体与绝缘层间的有机结合，在电解液的冲刷和气泡撕裂的作用下极易损坏，且其厚度均匀性难以保证。采用CVD制备的绝缘层虽然厚度很小，但需在高温条件下沉积，由于金属材料和氮化硅、碳化硅的热膨胀系数差异很大，在室温下二者间的结合力不强，易脱落。在微细电解加工过程中，电极和工件间的侧壁间隙一般小于20 μm，工具电极的绝缘层厚度为微米量级较理想，而上述方法很难在金属电极基体上制备得到厚度小且均匀、使用可靠的侧壁绝缘层。

为了解决上述问题，本文提出采用重掺杂单晶硅作为工具电极基体、在其表面沉积二氧化硅/氮化硅作为绝缘层的硅工具电极用于微细电解加工。经过重掺杂的单晶硅具有优良的导电性，二氧化硅/氮化硅材料的绝缘性能好且结构致密，可作为可靠的绝缘层。采用化学气相沉积可保证二者间的紧密结合性能，其厚度一般小于1 μm，将解决在金属电极表面制备可靠的绝缘层困难的问题。并且，在集成电路和MEMS制造领域，硅和硅基薄膜材料的微细加工工艺相当成熟，可得到微细工具电极及其性能优良的侧壁绝缘层。

1 硅工具电极的设计和可行性研究

1.1 硅工具电极的尺寸和形状设计

本研究初步设计的采用体硅湿法腐蚀和化学气相沉积工艺结合制备的硅工具电极如图1所示。工具电极由电极夹持部和电极加工部组成，电极夹持部的尺寸为毫米量级，便于工具电极的精确安装和夹持。工具电极拟安装在高速旋转的主轴上，实现电极加工部端面的圆形轮廓包络。电极夹持部有二个安装定位槽，实现其与旋转轴中心线的精确定位。电极夹持部上覆盖有图形化的金属层，作为与脉冲电源的通电连接，减小电极和导线间的接触电阻。电极加工部的尺寸（a×h）为 90 μm×50 μm（旋转直径约102 μm），长度为2 mm，直接参与电解加工。工具电极的端面为裸露的高浓度掺杂的单晶硅，其他表面被二氧化硅和氮化硅层覆盖，实现非加工表面的绝缘处理。

图1 硅工具电极设计

图2是高速旋转的硅工具电极在微细电解加工中应用的示意图。本文设计的硅工具电极加工部分端面形状为等腰梯形。与采用圆柱电极电解加工相比，硅工具电极在旋转过程中，相对于电解液流动方向的侧面加工间隙在 Δ1~Δ2（Δ1=Δ2+40 μm）之间变化，电解液处于周期性的扰动状态，便于不溶性的电解产物和气泡顺利排出，有利于提高高深宽比微细结构的加工稳定性。

图2 硅工具电极在电解加工中的应用

1.2 硅工具电极用于电解加工的可行性

工具电极的导电性是加工间隙内形成电势梯度的重要因素。单晶硅的掺杂工艺可使其电阻率降低至10-3Ω·cm。通过软件仿真得到具有不同电阻率的工具电极在电解加工中的加工特性，以形成的电流密度为衡量标准，验证其可行性。本文利用COMSOL Multiphysics软件建立电解加工模型，在相同的工艺条件下，分别以金属（1.9×107S/m）、重掺杂硅（5×104S/m）和低浓度掺杂硅（4×10-4S/m）作为工具电极。

当电压为10 V、电解液电导率为7.42 S/m时，采用金属电极在加工区域内形成的最大电流密度约为45 A/cm2（图3a）。在相同条件下，采用重掺杂硅作为阴极时的仿真结果见图3b，电流密度的最大值为35 A/cm2，与前者相差22%，但在同一数量级内。采用低浓度掺杂硅电极时，电流密度的最大值为2.5 A/cm2（图3c），与前二者相差94%。提取工具电极正下方区域内的电流密度，结果见图3d。可见，采用低浓度掺杂的硅电极时，平均电流密度低于采用前二者电极加工电流密度的最小值。根据电流密度与电流效率间的关系，此时工件材料溶解的电流效率小于8%[10]。仿真结果说明了高浓度掺杂硅电极作为电极的可行性；而当掺杂浓度较低时，单晶硅作为电极时对材料的蚀除效率很低。

图3 不同工具电极材料的电解加工仿真结果

2 硅工具电极制备工艺

光刻技术实现工具电极形状在硅片上的图形化，体硅湿法腐蚀实现电极基体成形，化学气相沉积制备绝缘层，金属溅射工艺制备金属层是本文制备硅工具电极的基本工艺。在加工设计上，考虑到硅片厚度限制和所需尺寸量级为100 μm、长径比为20的硅工具电极，故采用硅工具电极横向布置方式，制定的硅工具电极制备工艺见图4。单晶硅材料选用经重掺杂的（100）晶面的N型硅片，尺寸为4"，双面抛光，硅片厚度为300 μm，电阻率为0.002 Ω·cm。

图4 硅工具电极制备工艺示意图

硅工具电极制备工艺过程的具体步骤如下：

步骤1：制备掩膜层工序。对硅片进行热氧化，在其表面生成二氧化硅层，再在二氧化硅层上沉积一层氮化硅。二氧化硅/氮化硅层将作为后续进行湿法腐蚀的掩膜（图4a）。

步骤2：硅片局部减薄工序。在硅片背面得到图形化的光刻胶窗口。光刻胶显影固化后，利用反应离子刻蚀去除掩膜层。除胶后，将硅片放入湿法腐蚀液中进行刻蚀，使其背面刻蚀深度约为100 μm（图 4b）。

步骤3：工具电极的特征结构刻蚀工序。利用对硅片正面的光刻工艺，在正面刻蚀形成硅电极夹持部和加工部的特征形状，再对硅片进行双面刻蚀。控制刻蚀时间使其刻蚀深度约为125 μm，贯穿工具电极的加工部图形（图4c）。

步骤4：制备绝缘层工序。将上述掩膜层腐蚀掉后，在已形成工具电极轮廓的硅基体上沉积一层二氧化硅，厚度为500 nm；再在二氧化硅层上沉积一层氮化硅，厚度为300 nm（图4d）。

步骤5：制备金属层工序。在硅片背面的绝缘层上制备一层窗口化的掩膜层（图4e）。然后去除其上的绝缘层，并溅射厚度为400 nm的金属铝，得到图形化的金属层（图4f）。

步骤6：硅工具电极脱离工序。利用超短脉冲激光切割机将二个对称的硅工具电极切割开，得到侧壁绝缘的硅工具电极（图4g）。

利用上述工具电极制备工艺得到的硅片整体和硅工具电极照片见图5a，在4英寸的硅片上共分布硅工具电极80个。图5b、图5d分别是微细硅工具电极的背面、正面显微照片。电极加工部的尺寸为 90 μm×52 μm， 电极夹持部的尺寸为 8000 μm×6000 μm。图5c、图5e分别是电极夹持部、电极加工部的局部放大图。由于电解加工在机理上没有工具电极损耗，故硅工具电极的使用寿命较长，且该工艺可实现硅工具电极的批量制作。

图5 硅工具电极显微照片

3 采用硅工具电极的微细电解加工实验

3.1 实验装置及电极夹具

在实验装置中，硅工具电极的Z向精密进给运动由伺服电机带动滚珠丝杠实现，工件的横向运动由步进电机带动滚珠丝杠的XY工作台实现。硅工具电极高速旋转由旋转轴（C轴）带动，转速可实现0~3000 r/min范围内在线调整。工具电极和工件间的电势差由高频脉冲电源提供，其电压可在0~32 V内在线调节[11]。硅工具电极与工件间的初始间隙调整及加工状态的实时观测通过基于CCD的高放大倍率测量设备实现。

为了保证微细硅工具电极的几何中心与C轴电机旋转中心的对准（图2），设计的硅工具电极夹具结构见图6。电极夹具由电极支撑部分、夹紧部分、中心线调整部分和定位板组成。电极通过二个安装槽与定位板定位，保证其轴线与C轴轴线平行或重合。通过调整垫片的厚度和螺纹调整机构，可实现电极的对中和轴线位置的调整。

图6 工具电极的夹具设计

3.2 实验结果分析与讨论

3.2.1 微沟槽电解加工实验

为了验证硅工具电极侧壁绝缘层对杂散腐蚀抑制作用的有效性，在18CrNi8合金材料工件上进行微沟槽加工实验。电解液采用浓度分别为1.0 mol/L的NaClO3和0.01 mol/L的柠檬酸钠的复合电解液。实验采用的加工轨迹见图7a，二条折返轨迹间距为60 μm，加工脉冲电压幅值为22 V，脉冲频率为100 kHz，占空比为0.5。硅工具电极的旋转直径为134 μm，转速为800 r/min，横向扫描速度为150 μm/s。

加工得到的微沟槽SEM照片见图7b。经测量其宽度为302 μm，内部凸起结构宽度为118 μm，长度为1950 μm，边沿形状规则。微沟槽深度约为160 μm，底面光滑，无明显的加工缺陷，证明了二氧化硅/氮化硅绝缘层对杂散腐蚀的抑制作用。微沟槽结构的总体加工时间为32 min。经过超过96 min持续加工使用后，其侧壁绝缘效果保持一致，实验结果表明制备的绝缘层使用性能可靠。

图7 加工得到的微沟槽SEM照片

图8a是微沟槽的三维轮廓扫描照片。截取其X方向的横截面形状（图8b），可计算得到微沟槽各侧壁面与竖直面间的锥角均小于5.5°，说明电极侧壁的杂散电流腐蚀作用很小。截取其底面（Y方向）的轮廓数据 （图8c），可知微沟槽底面的粗糙度值为Ra0.49 μm，说明底面较光滑。

图8 微沟槽三维轮廓扫描照片

3.2.2 微细孔电解加工实验

为了进一步验证硅工具电极侧壁绝缘层对杂散电流的抑制作用，进行了微细孔加工实验。加工电压为16 V，硅工具电极的旋转直径为125 μm，转速为800 r/min，电极的向下进给速率为0.5 μm/s。

图9是加工得到的微细孔。可见，孔的侧壁面较光滑，其入口直径为146.2 μm，入口边沿轮廓形状规则，圆度较高，入口边沿的杂散腐蚀量＜2 μm（图9b）。微细孔的出口直径为148.64 μm，出口边沿轮廓清晰，且有一定的倒角（图9c），其圆角直径约为8 μm，尺寸一致性较高。微细孔侧壁轮廓与竖直方向的夹角约为0.58°，验证了微细硅工具电极侧壁面上绝缘层的有效性。

图9 微细孔加工结果显微照片

4 结论

为了得到具有微细尺寸和可靠的侧壁绝缘层的工具电极，本文提出一种微细电解加工用的硅工具电极制备方法，通过在18CrNi8材料上的微沟槽和微细孔的加工实验，验证了硅工具电极在电解加工中应用的可行性和侧壁绝缘层的有效性，并得到以下主要结论：（1）提出了用于微细电解加工的微细硅工具电极及其制备工艺。采用重掺杂单晶硅作为工具电极基体、二氧化硅/氮化硅作为绝缘层的硅工具电极用于微细电解加工。设计了利用体硅湿法腐蚀实现电极基体成形，化学气相沉积制备绝缘层的硅工具电极制备工艺。

（2）制备得到了电极加工部尺寸约为100 μm、长度为2 mm、二氧化硅/氮化硅绝缘层厚度800 nm的微细硅工具电极。硅工具电极的端面形状为等腰梯形，在高速旋转主轴的带动下，实现其端面的圆形包络面，同时顺利排出间隙内的固态产物。

（3）在18CrNi8材料上加工得到了微沟槽结构和微细通孔。微沟槽深度为160 μm，其侧壁与竖直方向锥角小于5.5°。微细孔直径约为145 μm，其锥角为0.58°。验证了侧壁绝缘层对杂散腐蚀的抑制作用。

此外，经过持续96 min使用后，其绝缘效果保持一致，实验结果表明了二氧化硅/氮化硅绝缘层的可靠性。

[1]RAJURKAR K P，SUNDARAM M M，MALSHE A P.Review of electrochemical and electrodischarge machining[C]//The Seventeenth CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining(ISEM).Leuven，2013：431-434.

[2]MECOMBER J S，HURD D，LIMBACH P A.Enhanced machining of micron-scale features in microchip molding masters by CNC milling [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45：1542-1550.

[3]LI Yong，MA Xiaoyu，LIU Gaihong，et al.Research on micro ECM using micro array electrode[C]//Proceedings of the 16th International Symposium on Electro-machining.Shanghai，2010：335-340.

[4]YANG I，PARK M S，CHU C N.Micro ECM with ultrasonic vibrations using a semi-cylindrical tool[J].International Journal of Engineering and Manufacturing，2009，10：5-10.

[5]VAN OSENBRUGGEN C. Electrochemical micromachining [J].Electrochemical and Solid-State Letters，2006，9（8）：B35.

[6]LI Yong，ZHENG Yunfei，YANG Guang，et al.Localized electrochemicalmicromachining with gap control[J].Sensors and Actuators A:Physical，2003，108：144-148.

[7]PARK B J，KIM B H，CHU C N.The effects of tool electrode size on characteristics of micro electrochemical machining[J].Annals of the CIRP，2006，55：197-200.

[8]刘改红，李勇，陈旭鹏，等.微细电解加工用电极的侧壁绝缘及应用实验[J].电加工与模具，2009（4）：28-39.

[9]LIU Guodong，LI Yong，KONG Quancun，et al.Research on ECM process of micro holes with internal features[J].Precision Engineering，2017，47：508-515.

[10]HINDUJA S，KUNIEDA M.Modelling of ECM and EDM processes[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2013，62：775-797.

[11]孔全存，李勇，刘国栋，等.三电极微细电解加工脉冲电源[J].清华大学学报，2015，55：266-272.

Fabrication Technology and Investigation of Silicon-based Tool Electrodes for Micro ECM

LIU Guodong1，LI Yong1，KONG Quancun2，TONG Hao1，ZHONG Hao1
（1.Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China ）

A method of silicon-based tool electrode is presented.Heavily doped monocrystalline silicon is used as the electrode body，and silicon dioxide and silicon nitride are deposited as insulating films.A fabrication process of the silicon-based tool electrode is proposed.The electrode body is fabricated by wet etching process and insulation films are produced by low pressure chemical vapour deposition process.Micro silicon-based tool electrodes with dimensions of about 100 μm width and 800 nm thick insulating film are obtained.The silicon-based tool electrode is installed to a rotating head in ECM use，then micro grooves and micro holes are machined on 18CrNi8.The experimental results indicate the feasibility of silicon-based tool electrodes and the effectiveness of the insulating films.After a continuous processing time of 96 minutes，the insulation effect of the insulating film stays the same.

micro ECM；silicon-based electrode；insulating film；wet etching

TG662

A

1009－279X（2017）05－0026-05

2017-08-24

国家自然科学基金资助项目（51775302，51675054）

刘国栋，男，1990年生，博士研究生。