一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 另IJ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。
[0003] 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300 μm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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 1)在钨基片表面溅射硬掩膜；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 5)去除硬掩膜，得到钨电极或钨阵列电极。
[0011] 进一步地，所述硬掩膜为铝掩膜，此外也可以采用A1N，Cr，Ni，Cu，Ti等材质的硬 掩膜。
[0012] 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。
[0013] 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，总流量为50~200sccm，钝化气体占50% -70%，气压 彡25mTorr，RF功率彡40W，ICP功率彡1500W，采用的刻蚀速率约为0. 5~2 μ m/min。
[0014] 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：
[0015] 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；
[0016] 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。
[0017] 进一步地，所述脉冲电源的参数为：电压50~200V，电流I. 0~5. 0A，脉冲宽度 I. 0 ~6· 0 μ s〇
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0021] 1)金属钨的熔点达3422°C，是熔点最高的金属，其高温强度在常用金属中也是最 高的。此外，如表1所示，在常用电极材料中，金属钨的抗损耗系数也是最高的。因此，在微 细电火花加工中，钨电极的损耗和形变都很小，是理想的工具电极材料。
[0022] 表1金属钨和其他常用电火花电极材料的特性对比
【主权项】
1. 一种金属钨电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 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。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩膜为下列材质的掩膜中的一种： Al, AIN, Cr, Ni, Cu, Ti〇
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光刻胶的厚度满足其对硬掩膜的刻 蚀选择比的要求。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述等离子体深刻蚀方法采用SF6 作为刻蚀气体，钝化气体采用〇1&或C4F8，总流量为50~200sccm，钝化气体占50 % -70 %， 气压彡25mTorr，RF功率彡40W，ICP功率彡1500W，采用的刻蚀速率为0. 5~2 y m/min。
5. 根据权利要求1~4中任一项所述方法制备的金属钨电极。
6. -种微细电火花加工装置，其特征在于，其微细电极采用权利要求1~4中任一项所 述方法制备的金属钨电极。
7. -种采用权利要求6所述装置的微细电火花加工方法，其特征在于，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。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲电源的参数为：电压50~200V，电 流I. 0~5. 0A，脉冲宽度L 0~6. 0 y s。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述钨电极为单个钨电极或者钨阵列电极。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明涉及一种基于金属钨电极的微细电火花并行加工方法。制备钨电极时，首先在钨基片表面溅射硬掩膜；然后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；然后将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；然后去除光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法进行钨电极或钨阵列电极的深刻蚀；去除硬掩膜后得到钨电极或钨阵列电极。在深刻蚀制备钨微细电极基础上，结合微细电火花加工特点，本发明能批量加工微米级复杂形状零件，而且并行批量加工的效率与精度均很高，在微细加工领域具有广泛的应用前景。
【IPC分类】B81C1-00
【公开号】CN104803344
【申请号】CN201510098307
【发明人】陈兢, 陈献, 宋璐
【申请人】苏州含光微纳科技有限公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月5日