掩模电极的光电化学微刻蚀加工方法及装置 【技术领域】
本发明涉及制造技术中的微细加工领域，特指一种掩模电极的光电化学微刻蚀加工方法及装置，适用于导电类金属材料的微细结构加工。
背景技术
随着高科技产品的不断涌现，对微小装置的功能，结构复杂程度以及可靠性等要求越来越高，使得对特征尺寸在微米级到毫米级，采用高性能材料，且具有一定形状精度和表面质量要求的精密微小零件的需求日益迫切。经过多年努力和探索，微器件的加工制造技术得到了长足的发展，已经拓展到了各种现代加工方法。其中，激光具有高能量、高的空间分辨率和高效率的特点，电化学加工是利用电化学反应以离子形式去除工件材料，两者都是非接触加工方式，不会产生接触应力和变形，具有进行复合微细加工的技术基础。激光电化学复合加工就是在电化学体系中引入激光束，利用激光所具有的高能量改变照射区域的电极状态，激发、诱导光电化学反应，提高反应电流和反应速度，由电化学和激光两种能量共同作用的加工技术。
电化学和激光的复合加工主要有两类：激光增强(或诱导)电化学沉积和激光--电化学复合刻蚀加工。根据检索到的资料，国内外对激光-电化学沉积的研究较多，而对于激光-电化学复合刻蚀加工的研究较少。其中，英国的Pajak，P.T.等研究了电解液束与激光束的复合加工技术，利用激光束的辐照作用显著提高了电化学反应的电流密度，刻蚀速度可达10μm/s。中国专利“喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置”，专利号：CN1919514A提出：在激光加工的同时复合与激光束同轴的高速喷射电解液束，激光在喷射液束的引导下利用光热效应去除材料，被阴极极化的电解液束对激光加工区进行冷却、冲刷和电化学溶解，从而在线去除激光加工的再铸层。这种复合加工方法存在电化学反应与激光能量耦合的相互影响，因为喷射液束的冲刷虽然可以减少激光加工的热影响区、去除再铸层，但同时也削弱了激光的光热效应，降低了加工效率。而且，难以实现激光能量在与电化学加工体系中的有效传输，因为当激光束穿过电解液喷射腔时，激光的部分能量会被电解液吸收，电解液中气泡的折射、散射也会影响光束的传导，不可避免地造成激光能量的损失。另外中国专利“准分子激光电化学微结构制造方法及其装置”，专利号：CN1259598C提出准分子激光与电化学复合的微细加工方法，首先利用集成电路的光刻制版工艺制作阵列微探针电极，在被加工基片和微探针电极之间加入电解液；通电后，用准分子激光从探针电极上方照射加工区域，控制电化学反应，实现基片的微结构加工。这种方法的微探针电极制作精度必将影响基片的加工，所实现的加工微细程度受到探针电极的制约；准分子激光从探针电极上方向下照射时将被电极遮挡，激光只能照射到不需要加工的阵列电极空隙处，而不能直接照在基片上正对电极的加工部位。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述电化学-激光复合微细加工中所存在的问题，提出了一种利用掩模电极使激光能量与电化学体系高效复合，加工区域可控性好，适用于金属材料的电化学-激光复合微细加工方法及装置。
上述掩模电极的光电化学微刻蚀加工方法，其特征在于：利用ITO(indiumtin oxide，氧化铟锡)导电玻璃制作具有微细图形结构的掩模电极，该掩模电极由玻璃基板、ITO氧化铟锡层以及光刻胶掩模层构成。玻璃基板主要用于掩模电极的安装固定；导电透光的氧化铟锡层作为电化学加工的工具电极并可透过激光束，保证了激光的有效传输及其与电化学反应的能量耦合；在氧化铟锡层之上利用光刻技术制作具有微细图形结构的光刻胶层，该光刻胶掩模层能够限制激光束和电化学电极的作用区域，起到光束掩模和电场掩模的双重作用。激光器所发出的激光束透过掩模电极后，在工件和电解液之间形成等离子体，产生冲击波力效应，使加工部位的钝化膜发生应力腐蚀被去除；钝化膜去除部位的工件材料在光电化学反应作用下被溶解刻蚀，最终在工件表面刻蚀加工出与掩模图形相同的微结构。
激光器所发出的激光波长为532纳米，脉冲时间为10纳秒，激光能量为0.5～5焦耳，光斑模式可以为基模或多模。
玻璃基板对所使用激光的透过率大于95％；导电透光的氧化铟锡层对激光的透过率大于90％，电阻率为1～5×10
-4Ω·cm；光刻胶层对加工用的激光束透过率低于15％。
实现上述掩模电极的光电化学微刻蚀加工方法的装置包括激光器控制装置、激光发生器及调制系统、ITO掩模电极、电化学加工部分以及过程检测部分，实现复合加工与过程检测的部分由掩模电极、电解液槽、工件、电压表、电流表、电化学加工电源组成，电化学加工电源的负极与作为阴极的掩模电极相连，它们之间串联电流表检测加工电流；电源的正极与作为阳极的工件相连，电压表与工件和掩模电极并联检测加工电压。上述装置中，激光器发生的激光束经调制传输至ITO掩模电极，透过电解液后作用在工件表面，最终具有掩模图形的激光束在工件表面成像。
加工电源的脉冲频率为10kHz～100kHz，电压幅值为5V。钝化性电解液选用NaNO
3或NaClO
3等盐性溶液，质量浓度为15％～20％。
本发明是按下述技术方案实现的：
(1)制作具有微图形结构的掩模电极。在玻璃基板表面利用化学气相沉积的方法制备透光性好、电导率高的ITO氧化铟锡膜，然后在ITO膜之上涂敷光刻胶，经过烘干、曝光、显影、去胶等工艺将所需的微图形加工部位胶膜去除，露出下部的ITO透光导电层；非加工部位光刻胶保留，从而制作出具有微细图形结构的光刻胶层，用以遮蔽光束限制电场。
(2)将被加工工件安装在电解液槽内，ITO掩模电极安装固定在工件上方。工件与电化学加工电源正极相连，掩模电极的导电层与电源负极相连，电路中加入电压表和电流表，从而构成电化学加工系统。电路连接好后，在电解液槽中充入钝化性电解液，完全浸没工件至掩模电极的玻璃基板。
(3)电化学加工电源通电，控制电源的输出电压使工件表面在钝化性电解液作用下生成钝化层，使工件的电化学反应进入停滞状态。
(4)激光器控制装置按优化参数使激光器产生脉冲激光，经调制传输光路透过掩模电极后将微图形复映在工件表面，在激光辐照能量作用下工件和电解液之间形成等离子体并迅速膨胀，产生冲击波的力效应使钝化层发生应力腐蚀被去除。
(5)在光电化学反应的腐蚀作用下，钝化层被破坏的加工区域工件材料被溶解蚀除；随着激光脉冲进入间隙期，该区域又逐渐形成钝化层。在下一个激光脉冲周期内，加工区域会再次发生钝化层的破坏和工件材料蚀除。利用多次的脉冲激光辐照和光电化学反应，最终在工件表面刻蚀加工出与掩模图形相同的微结构。
本发明的方法和装置可以实现如下有益效果：
(1)利用钝化层实现光电化学的定域微细刻蚀，加工区域内的钝化层在激光冲击波力效应的作用下被去除，工件材料发生光电化学反应；非加工区域由钝化层保护，不发生材料蚀除；从而实现微细程度高、区域可控性好、加工效率高的掩模复映加工。
(2)ITO掩模电极既可以透过高能量的激光束，又可以作为工具阴极，构成电化学反应的电流回路，从而保证了激光在复合加工系统中的有效传输和能量耦合；同时光刻胶掩模层能够限制激光束和电化学电极的作用区域，起到光束掩模和电场掩模的双重作用，保证了激光的有效传输及其与电化学反应的能量耦合。
(3)利用光刻胶的曝光、显影、去胶等工艺制作出所需加工的微细结构，再通过激光辐照将其复映在工件表面，可以实现复杂微细图形结构的刻蚀加工。
(4)激光的冲击波力效应会在电解液中产生强烈的搅拌作用，非常有利于电化学反应产物的排除，而电化学反应又可以使激光冲击产生的溅射残渣溶解到电解液中，从而得到边界清晰的微结构。电解液除了作为电化学反应的加工介质外，还作为激光冲击作用的约束层，可以带走多余的热量，降低加工过程对材料的热影响。
【附图说明】
图1是掩模电极的光电化学微刻蚀加工示意图。
图2是ITO掩模电极的分层结构图。
图1中的标号名称：1、激光器控制装置，2、激光发生器及调制系统3、激光束，4、ITO掩模电极，5、钝化性电解液，6、电解液槽，7、工件，8、电压表，9、电流表，10、电化学加工电源。
图2中的标号名称：11、玻璃基板，12、氧化铟锡透光导电层，13、具有微图形结构的光刻胶层。
【具体实施方式】
下面结合图1和图2详细说明本发明提出的方法和装置的技术细节和工作情况。实施该方法的装置包括依次相连的激光器控制装置1、激光发生器及调制系统2、和ITO掩模电极4；复合加工与检测部分由电解液槽6、工件7、电压表8、电流表9和加工电源10组成。
实施例1：本实施例为掩模电极的光电化学微刻蚀加工方法。首先是制作具有微图形结构的掩模电极。选用对激光透过率高的玻璃作为基板，或者在玻璃上表面涂光学增透膜，以使激光透过率大于95％。导电透光的氧化铟锡层对激光的透过率大于90％，电阻率为1～5×10
-4Ω/cm。光刻胶层主要由感光树脂、增感剂和溶剂组成，对加工用的激光束透过率低于15％，并利用光刻工艺加工出所需的微细结构，以起到光束掩模和电场掩模的作用。
激光器产生脉冲时间为10纳秒的激光束3，激光波长为532纳米，光斑模式可以为基模或多模，激光能量为0.5～5焦耳可调节控制。激光的主要作用是在电解液和工件之间产生冲击波使钝化膜发生应力腐蚀被去除，不需在工件上造成塑性变形，因此对激光的功率密度要求不高，可以使用中等功率的高频激光器，从而降低了激光器的设备费用，并能够提高加工的效率。
激光器控制装置1按优化参数使激光发生器2产生脉冲激光3，经均匀化调制处理后传输至ITO掩模电极4，透过电解液5后照射在工件7表面，在电极4的光刻胶掩模13作用下，工件7表面成像出与掩模相同的微细图形。
电化学加工部分的电路连接包括工件7与加工电源10的正极相连，掩模电极4的ITO氧化铟锡层12与电源10的负极相连，掩模电极4与工件7之间保持2～3mm的距离，电路中的电压表8和电流表9用于检测加工状态。加工电源为直流脉冲电源，为提高加工的定域性，电源脉冲频率为10kHz～100kHz，电压幅值为5V。钝化性电解液5选用NaNO
3或NaClO
3等盐性溶液，质量浓度为15％～20％，电解液完全浸没工件至掩模电极的玻璃基板。
激光器产生的激光束经过光束调制器系统，又透过掩模电极和电解液，作用在工件表面。被加工的金属材料表面在电解液作用下生成钝化层，在工件和电解液之间由于激光的辐照作用，形成等离子体并迅速膨胀，产生冲击波的力效应使钝化层发生应力腐蚀被去除。在电化学反应的腐蚀作用下，在钝化层被破坏的区域工件材料被溶解蚀除；随着激光脉冲的结束，这些区域又逐渐形成钝化层。在脉冲激光的多次冲击和电化学反应的复合作用下，就能够在工件表面加工出与掩模电极相同的微图形结构。