开缝矩形波导的分层电铸方法与流程

所属技术领域

本发明的一种开缝矩形波导的分层电铸方法主要涉及电铸加工，属于电加工技术领域。

背景技术：

太赫兹波是指频率在0.1thz到10thz范围、波长在0.03mm到3mm范围的电磁波。太赫兹波的独特性能给宽带通信、雷达成像、电子对抗、电磁武器、安全检查、无损检测等领域带来了深远的影响，在国家安全领域有着广阔的应用前景。例如：太赫兹雷达相对于微波雷达，具有分辨率高、保密性强、抗干扰能力突出、离子体穿透能力强等优势。

金属波导是thz低频段常用的传输线，其中金属矩形波导因能有效降低吸收损耗，在传输性能方面有着显著的优越性，而受到广泛关注和重视。thz频段金属矩形波导具有较小的端面尺寸和较大的传输长度，是典型的大长径比微型器件。例如：1thz的矩形波导腔尺寸为127µm×254µm，公差要求在±5µm，波导腔表面粗糙度ra≤0.4µm，最小圆角半径r≤50µm；1.7thz的矩形波导端面尺寸为83µm×165µm，圆角半径r≤20µm。太赫兹金属矩形波导的精密制造极具挑战性，一直是制约太赫兹应用系统研发的关键问题和瓶颈技术。

近年来，国内外研究机构提出了诸多工艺来解决金属矩形波导精密制造难题。

但是受加工方法的限制，目前封闭的太赫兹矩形波导通常被剖分为半封闭的u型腔和覆盖面板分开加工，u型腔和覆盖面板分别加工成型后再组装成矩形波导器件。国外，英国c.e.collins等利用光刻微加工技术成功加工出组合式矩形金属波导。美国g.narayanan等在集成式高精度数控平台上通过数控铣削在金属块上加工出0.345thz波导腔。美国a.rowen等采用多层金属堆叠法制造出内部尺寸几十微米的3thz的金矩形波导。国内，许延峰等利用光刻电铸技术加工出矩形金属波导腔，波导腔表面光滑平直，基本无加工圆角。孙玉洁等采用牺牲层光刻工艺，制备出侧壁垂直度很高的矩形波导腔结构。

开缝矩形波导作为一种特殊的矩形波导，在表面加工有阵列排布的微小方孔。随着波导工作频率的不断提高，开缝矩形波导表面微小方孔尺寸相应减小，使得其加工的难度越来越高。同时，高频率矩形波导对最小圆角半径和表面粗糙度的要求也越来越高，这使得一些加工手段无法使用。例如电火花线切割、电火花、激光加工等，都因工具固有圆角过大而不能采用。因此，现有加工技术难于满足未来太赫兹波传输对开缝矩形波导的加工需求，必须发展其它加工技术。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种加工精度高，工艺适应性强的开缝矩形波导电铸方法。

一种开缝矩形波导的分层电铸方法，开缝矩形波导的开缝结构高度为l2,矩形槽结构高度为l3,其特征在于包括以下过程：步骤1.制备芯模，芯模由下层结构和上层结构两部分组成，其中下层结构是厚度为l2的微小长方体柱阵列结构，上层结构是厚度是l3为长方体结构，具体制备方法如下：步骤1-1：在基片表面涂覆一层厚度为l1的第一层光刻胶；步骤1-2：将步骤1-1中经过第一次覆膜的基片放置在光刻机载物台上，用第一次曝光掩模板进行第一次曝光；步骤1-3：将步骤1-2中经过第一次曝光后的基片放入显影液中进行第一次显影，显影后清洗并干燥，得到芯模下层初步结构，其高度为l1；步骤1-4：在步骤1-3中经过第一次显影后的基片表面电铸一层厚度为l1的第一层铜；步骤1-5：对步骤1-4所得结构表面进行精密抛磨，保证第一层铜和芯模下层结构的厚度为l2；步骤1-6：在步骤1-5所得结构表面涂覆一层厚度为l3的第二层光刻胶；步骤1-7：将步骤1-6中经过第二次覆膜的基片放置在光刻机载物台上，用第二次曝光掩模板进行第二次曝光；步骤1-8：将步骤1-7中经过第二次曝光后的基片放入显影液中进行第二次显影，显影后清洗并干燥，得到芯模上层结构；步骤1-9：在步骤1-8中经过第二次显影的基片表面盖上掩膜，对芯模上层结构上表面进行表面导电化处理形成一层导电膜；步骤1-10：对第一层铜上表面进行微量电解，去除表面的氧化膜；步骤1-11：在步骤1-10中去除了氧化膜的第一层铜基础上电铸第二层铜，第一层铜和第二层铜共同组成电铸体，芯模位于电铸体中；步骤2：溶解掉多余的光刻胶，从基片上取下电铸体，对表面进行精密抛磨，得到所需外部尺寸；步骤3：清洗电铸体，得到的即为所需的开缝矩形波导。

上述一个基片上可以同时加工多个开缝矩形波导。开缝矩形波导通过分层电铸两层铜直接得到。

发明优点

1、目前，金属矩形波导u型腔的加工一般采用微细铣削加工。但随着工作频率的不断提高，矩形波导端面尺寸相应减小，对应的尺寸精度已经突破传统机械加工极限。另一方面，由于传统加工方法是将矩形波导上下分腔分开加工，必须保证上下分腔的结合面有很高的平面度，否则极易出现零件相互装夹、结合不紧密等问题。此外，传统机械加工中产生的加工应力和材料应力都会引起微结构的加工变形，微铣削加工时的机床振动、零件材料成份和均匀性、刀具磨损等因素都会影响加工精度及精度保持性。而本方法采用的是通过电铸两层铜直接得到开缝矩形波导，整个过程在同一个基片上完成，简化了工艺过程，不需要考虑装配精度的影响。并且电铸加工的方法均匀性好，无加工应力，避免了传统加工存在的毛刺多，易变形的缺点，保证了开缝矩形波导的结构和精度要求。

2、由于开缝矩形波导具有高深径比的特征，且在一侧有微小方孔阵列，很难一次加工成型，所以本发明中将开缝矩形波导分成两层来加工，第一次光刻用光刻胶形成对应微小方孔阵列的微小方柱阵列，然后电铸一层铜完成开缝矩形波导开缝一侧的加工。第二次光刻用光刻胶形成开缝矩形波导的高深径比内腔，然后再电铸一层铜形成完整的开缝矩形波导。光刻的优点可以高精度地把掩模板上的图形复制到光刻胶上。同时，采用覆膜方式涂覆光刻胶，省去了旋涂、前烘等步骤，节省了加工时间。此外，由于光刻胶是非金属材料，可以用有机溶剂溶解，不会对其他金属材料产生影响。

3、由于光刻胶不导电，如果在第二次显影后直接电铸，就不能形成一个封闭的矩形波导内腔。因此本方法在第二次显影后先对光刻胶表面进行表面导电化处理，在光刻胶面表形成一层亚微米级别的导电膜，既不影响内腔的尺寸，又能使得电铸第二层铜后直接形成封闭的矩形波导内腔。

4、由于在电铸第一层铜之后还需经过其他几个步骤才能电铸第二层铜，在第一层铜表面可能会产生氧化膜。如果直接电铸第二层铜，会影响两层铜的之间的结合力，甚至影响开缝矩形波导的传输性能。因此本方法在电铸第二层同之前，先对第一层铜进行微量电解，去除氧化膜，从而提高两层铜之间的结合力，使它们形成一个完整的波导腔。

5、在生产中，开缝矩形波导的尺寸可能会有随实际应用的需求变化而变化。此时，只需要改变掩模板上的图形以及光刻胶的厚度即可，简单快速，工艺适应性强。同时，一个基片上可以同时加工多个开缝矩形波导，提高了加工效率。

附图说明

图1第一次涂覆光刻胶剖面图;

图2第一次曝光剖面图;

图3第一次显影剖面图;

图4电铸第一层铜剖面图;

图5第二次涂覆光刻胶剖面图;

图6第二次曝光剖面图;

图7第二次显影剖面图;

图8表面导电化处理剖面图;

图9电铸第二层铜剖面图;

图10清洗后得到的开缝矩形波导示意图;

图中标号名称：1、基片，2、第一层光刻胶，3、第一次曝光掩模板，4、第一层铜，5、第二层光刻胶，6、第二次曝光掩模板，7、掩膜，8、第二层铜，

9、电铸体；10、开缝矩形波导。

具体实施方式

所需制备的开缝矩形波导如图10所示，采用以下制备过程：

步骤1：在基片1表面涂覆一层厚度为l1的光刻胶2；

步骤2：将步骤1中经过第一次覆膜的基片1放置在光刻机载物台上，用第一次曝光掩模板3进行第一次曝光；

步骤3：将步骤2中经过第一次曝光后的基片1放入显影液中进行第一次显影，显影后清洗并干燥；

步骤4：在步骤3中经过第一次显影后的基片1表面电铸一层厚度为l1的

铜4；

步骤5：对步骤4中电铸铜4的表面进行精密抛磨，保证第一层铜4的厚度为l2；

步骤6：在步骤5中经过精密抛磨的铜4表面涂覆一层厚度为l3的光刻

胶5；

步骤7：将步骤6中经过第二次覆膜的基片1放置在光刻机载物台上，用第二次曝光掩模板6进行第二次曝光；

步骤8：将步骤7中经过第二次曝光后的基片1放入显影液中进行第二次显影，显影后清洗并干燥；

步骤9：在步骤8中经过第二次显影的基片1表面盖上掩膜7进行表面导电化处理如化学气相沉积，物理气相沉积，化学镀等，形成一层导电膜;

步骤10：对第一层铜4进行微量电解，去除表面的氧化膜；

步骤11：在步骤10中去除了氧化膜的第一层铜4基础上电铸第二层铜8，得到电铸体9；

步骤12：溶解掉多余的光刻胶，从基片1上取下电铸体9，对表面进行精密抛磨，得到所需尺寸；

步骤13：清洗电铸体9，得到的即为所需的开缝矩形波导10。