[发明专利]一种纳米精度的电化学刻蚀加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学纳米加工技术，尤其是对金属、合金和半导体表面进行纳米精度的大面积及批量化电化学刻蚀加工方法。

技术背景

微系统包括微电子、微机电、微光学和微光机电等系统，在国防军事和国计民生的诸多领域有着不言而喻的重要性。近年来，各应用领域的飞速发展对微系统性能的要求也日益增高，而进一步减小微系统中器件的特征尺寸并改善器件的表面质量已被业界公认为是提升微系统性能的关键共性问题。然而，随着微系统中器件的特征尺寸缩减至亚微米和纳米量级，各种基于材料去除途径的传统加工技术的缺陷和局限也随之彰显，最为突出的是难以在不损伤加工面的前提下，实现纳米平整精度的大面积表面平坦化和纳米尺度的复杂三维结构的批量加工。

电化学刻蚀加工技术具有可控性高、设备低廉、工艺简单以及可一步完成整个加工过程等独特的优点，尤其是其无应力的材料去除过程不会损伤加工面，是微加工领域中不可或缺的重要手段之一。然而，基于阳极腐蚀原理的传统电化学刻蚀加工技术发展至今仍难以达到优于亚微米级的加工精度，进一步提高加工精度长期以来一直是发展电化学刻蚀加工技术的首要问题。

在微加工领域，厦门大学田昭武院士于上世纪90年代首先提出了约束刻蚀剂层技术(confined etchant layer technique，CELT)的新思想，即：通过压缩在模板工具表面原位产生的刻蚀剂扩散层来提高化学刻蚀加工的精度。当约束刻蚀剂层技术应用于发展电化学超精密刻蚀加工时，其应用原理和方法简介如下：在工作溶液中预先加入刻蚀剂前驱体和捕捉剂；采用电化学方法在模板电极表面电化学原位产生刻蚀剂；新生的刻蚀剂与捕捉剂发生均相化学反应被再转化成前驱体，并且反应速度愈快，刻蚀剂的存活寿命越短，刻蚀剂在模板电极表面所形成的扩散层越薄，其外轮廓愈能精细地反映出模板电极表面的三维微结构；采用高精密的距离控制系统，驱动模板电极向工件表面靠近，约束刻蚀剂层外轮廓的最突出部分首先与工件表面接触对其进行限域的化学刻蚀，随着工件表面被刻蚀部分消融，再将模板电极向工件表面进一步趋近，约束刻蚀剂层外轮廓的其余部分依次与工件表面接触方可对其刻蚀，因此刻蚀加工具有距离敏感性，并最终可按约束刻蚀剂层的外轮廓，将模板电极表面的互补结构化学刻蚀在工件表面，如采用超光滑表面的模板电极，则可以对工件表面实现高精度的刻蚀整平和抛光。

基于约束刻蚀层技术的电化学刻蚀加工迄今已可广泛地应用于金属、合金和半导体表面的微加工；对不同材质的表面，只要采用合适的刻蚀剂和捕捉剂体系，相应的刻蚀加工精度均可达到或超过亚微米量级(CN 03101271.X)。然而，进一步提高加工精度至纳米量级面临两个主要难题，一是对模板电极和工件表面之间的间距及平行度必须能达到纳米尺度和精度的控制，另一是在模板电极和工件表面所形成的大面积的纳米间隙内仍能保证足量的捕捉剂供给。尽管通过设计和制备超高精度的距离控制系统可一并解决上述问题(CN 101880907)，但是此类设备的制造难度较高且费用昂贵，同时刻蚀加工的工艺步骤也相应增加。因此亟需另辟途径提高加工精度至纳米量级。

在多年发展约束刻蚀层技术的实践中，随着经验的积累和理论研究的深入，我们逐渐认识到其更深层次的核心应归结于通过调控刻蚀剂的扩散行为实现距离敏感的化学刻蚀加工；理论上来讲，不采用捕捉剂仍可利用其它物理化学方法高精度地调控刻蚀剂的扩散行为，实现纳米量级的距离敏感的化学刻蚀加工，同时能够解决上述的两个主要难题。本发明正是遵循着这一方向，对约束刻蚀层技术应用于电化学超精密加工的原理和方法进行再创新，旨在发展以宏观尺度的简单设备制造纳米精度的高质表面的新方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种以宏观尺度的简单设备制造纳米精度的高质表面的新方法，在加工过程中工件表面不产生机械应力和内伤，并且加工的过程和终点容易控制，同时又可以对金属、合金和半导体等不同材质的表面进行大面积批量化的刻蚀加工。

本发明所述的纳米精度的电化学刻蚀加工方法包括如下步骤：

1、在模板电极表面或工件表面固定一层含有电化学活性基团的软质水合凝胶聚合物超薄膜；

2、将模板电极和工件浸入工作溶液，叠放于容器底部，利用模板电极或工件的自重，使模板电极表面和工件表面分别与软质水合凝胶聚合物超薄膜的两面保持自然紧密接触；