亞微米電解加工的試驗研究

吳修娟 曲寧松 曾永彬 王玉峰 朱 荻

(南京航空航天大學機電學院,南京 210016)

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展,功能結(jié)構(gòu)的微型化已成為光學、電子、生物、航空航天等各個領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)減少到微米量級,甚至是納米量級,因此微納加工技術(shù)成為國內(nèi)外學者研究的熱點．目前,微納加工技術(shù)主要包括微細切削、微細磨削、微細銑削、LIGA/準LIGA、微細電火花、微細電解、飛秒激光等[1-3]．其中,微細電解加工技術(shù)將工件陽極在加工過程中以離子形式蝕除,具有離子尺度的加工能力,是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓{加工技術(shù)．2000年,Schuster等[4-5]首次采用納秒脈寬脈沖電源,成功加工出特征尺寸為數(shù)微米的微細零件;2003年,Trimmer等[6]利用成形電極及2ns脈寬脈沖電源,在鎳片上成功加工出槽寬約90nm的結(jié)構(gòu),充分展示了微細電解加工技術(shù)在微納制造領(lǐng)域的加工潛力．

在微納電解加工中,微結(jié)構(gòu)的尺寸很大程度上取決于電極的特征尺寸．常見的亞微米/納米電極主要有尖錐狀和棒狀2種．亞微米/納米尖錐狀電極的制備方法主要有電化學刻蝕[7-9]、機械剪切、受控爆裂、火焰磨削等．制備出的電極針尖圓弧半徑一般在10～100nm范圍內(nèi),電極尖端為尖錐狀且錐度大,若采用該電極進行電解加工,加工出的結(jié)構(gòu)側(cè)壁有很大的錐度．亞微米/納米棒狀電極可采用聚焦離子銑削、自組裝技術(shù)等方法獲得．Trimmer等[6]運用聚焦粒子束銑削技術(shù)加工工具電極,在原有直徑為100μm的鎢絲端面上銑削出2×2陣列的柱狀電極．然而,聚焦離子銑削設(shè)備昂貴,制備電極成本高．自組裝技術(shù)是用來制備微納米級結(jié)構(gòu)的主要手段,組裝過程是自動自發(fā)的,不需要昂貴的加工設(shè)備,因此具有成本低的特點[10]．隨著科學技術(shù)的發(fā)展,將納米線自組裝在AFM或者STM探針尖端的技術(shù)已發(fā)展得較為成熟,其中一個典型范例是自組裝了Ag的單晶金屬納米線的STM探針．該探針長徑比大、導電性好,具有作為亞微米電解加工工具電極的潛力,但目前尚無人將其應(yīng)用于電解加工．

本文將針尖尖端自組裝了Ag金屬納米線的STM探針作為工具電極,進行亞微米電解加工試驗探索．

1 亞微米電解加工系統(tǒng)

采用如圖1所示的亞微米電解加工試驗平臺進行試驗研究．該試驗平臺主要由運動控制系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)及電流信號監(jiān)測系統(tǒng)組成．工具電極通過電極夾具與Z軸相連接．工件固定在電解液槽內(nèi),電解液槽放置于X/Y運動臺上．該裝置的運動控制系統(tǒng)由德國PI公司生產(chǎn)的X/Y/Z微納移動臺和C843運動控制卡組成,后者用于控制X/Y/Z運動軸的運動軌跡．X/Y/Z運動軸采用直流伺服電機-精密滾珠絲杠進給方案和光電編碼器反饋位置信息的半閉環(huán)控制,可以實現(xiàn)0.1μm/步的進給分辨率和0.2μm的單向運動精度．視頻采集系統(tǒng)由光學鏡筒、CCD及視頻采集卡組成．利用視頻采集系統(tǒng),在陰極和工件距離較遠時,實現(xiàn)陰極向工件的快速進給,縮短進給時間;在加工過程中,還可以通過視覺直觀觀測加工情況．電流信號監(jiān)測系統(tǒng)主要負責加工過程中的信號監(jiān)測,通過泰克示波器和數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn),電流信號表明加工狀態(tài),并根據(jù)情況給出相應(yīng)的控制策略,從而保證加工的穩(wěn)定性．

圖1 亞微米電解加工平臺

2 Ag納米線工具電極的穩(wěn)定性

2.1 Ag納米線工具電極

試驗中采用的Ag納米線直徑約為100nm,長度約8～10μm,電阻率約為1.00×10-7～1.01×10-7Ω·m．在亞微米電解加工平臺上,將Ag納米線電極裝在機床夾具上．室溫條件下,電解液采用濃度為0.1mol/L的H2SO4溶液,納秒脈沖電源的電壓為4V,脈沖周期為50,100ns,脈沖脈寬為6ns．

Ag納米線電極在電解液中浸泡30min后的形貌見圖2(a),在電解液中通電后的形貌見圖2(b)．由圖可知,在不通電的情況下,Ag納米線沒有發(fā)生溶解．通電后,當脈沖周期為50,100ns時,Ag納米線均產(chǎn)生了溶解,而且在較短時間內(nèi),Ag納米線已完全溶解．

在Ag納米線電極中,w(Ag)=70%,w(Ga)=30%．Ag和Ga在常溫空氣環(huán)境下化學性質(zhì)比較穩(wěn)定．Ag易溶于稀硝酸、熱的濃硫酸和鹽酸以及熔融的氫氧化堿中,不與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)．Ga加熱后可溶于酸和堿,與沸水反應(yīng)劇烈．作為亞微米電解加工的工具電極,Ag和Ga在室溫條件下的低濃度酸溶液中不發(fā)生反應(yīng)．但是在接通電源的情況下,電化學過程中產(chǎn)生的焦耳熱及反應(yīng)熱使其周圍電解液溫度升高,從而導致Ga與電解液發(fā)生如下反應(yīng):

圖2 Ag納米線電極形貌變化

(1)

(2)

為了防止納米線電極在亞微米電解加工中溶解,必須對其進行表面處理．

2.2 濺射時間對Ag納米線穩(wěn)定性的影響

Au的化學性質(zhì)不活潑,只能溶于王水等腐蝕性較強的溶液中．故可以在Ag納米線電極上濺射一層Au,使Ag,Ga不與電解液接觸,從而保證納米線電極不被溶解．試驗中采用BALTEC SCD005型離子濺射儀進行濺射Au處理,真空度為1×10-1～1×10-2Pa,電流為33mA．

圖3為納米線尺寸隨著噴金時間的變化圖．由圖可知,當濺射時間為80s時,濺射層厚度約55nm,納米線直徑約210nm．隨著濺射時間的增加,濺射層厚度不斷增加,納米線尺寸不斷增大．當濺射時間為240s時,濺射層厚度增至310nm,納米線直徑為720nm．

圖3 納米線直徑隨濺射時間的變化

將濺射處理后的電極分別置于電解液中并通電．脈沖電源電壓為4V,脈沖周期為50ns,脈沖脈寬為6ns．圖4(a)為濺射處理80s后Ag納米線電極的形貌照片,通電后其形貌見圖4(b),可見此納米線在通電過程中仍產(chǎn)生溶解．圖4(c) 為濺射處理120s后電極的形貌照片,該電極通電后不發(fā)生溶解(見圖4(d))．圖4(e)為濺射處理240s后Ag納米線電極的形貌照片,由圖可知,過厚的濺射層所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使Ag納米線發(fā)生彎曲,故不適用于電解加工．

圖4 濺射后的Ag納米線工具電極及通電后形貌

由此可見,濺射層的厚度對Ag納米線工具電極的穩(wěn)定性至關(guān)重要．若膜層太薄,工具電極表面的Au不夠致密,不能完全包裹納米線,通電時納米線仍會與電解液接觸產(chǎn)生反應(yīng)．若濺射層太厚,納米線電極尺寸太大,且會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力使納米線發(fā)生彎曲．因此,在本試驗中Ag納米線的濺射時間選擇以120s為宜．

3 亞微米電解加工試驗

利用濺射處理120s后的Ag納米線電極進行亞微米電解加工試驗．納米線為圓柱狀,端部直徑約400nm．工件材料選用厚度為5mm的GH4169合金,電解液選取室溫下濃度為0.1mol/L的H2SO4溶液．通過施加電壓為4V、脈沖周期為50ns、脈沖脈寬為6ns的納秒脈沖電流,依次加工出深度為25,80,120nm的亞微米溝槽．

利用原子力顯微鏡掃描得到的溝槽的三維形貌如圖5(a)所示．對加工出的溝槽的不同深度進行剖面分析,3個剖面輪廓如圖5(b)所示．由圖可知,A-A剖面深度約為25nm,B-B剖面深度約為80nm,C-C剖面深度約為120nm．加工出的溝槽入口尺寸大,底部尺寸小,側(cè)壁均有錐度．加工深度為25nm時,溝槽底部尺寸約為328nm；加工深度為80nm時,溝槽底部增加到450nm;加工深度增加到120nm時,溝槽底部尺寸反而減小到125nm．

圖5 溝槽及其剖面曲線

在陰、陽電極之間施加納秒脈寬時,電極電位并未立刻達到峰值電位,而是經(jīng)過一個表面雙電層充電的暫態(tài)過程,工具電極表面與工件表面均存在雙電層(見圖6)．

圖6 納秒脈沖加工模型

隨著時間的推移,雙電層不斷被充電,陽極電極電位逐漸增大,達到工件的分解電位時,工件開始溶解．雙電層充放電速度與雙電層的充放電時間常數(shù)τ相關(guān)．雙電層的充放電時間常數(shù)為

τ=CR

(3)

式中,C為雙電層電容；R為電極等效電路電阻．

[11-12]的研究結(jié)果,試驗中雙電層電容C的取值范圍選取為125.6～ 251.2fF．電極等效電路電阻R包括電化學反應(yīng)法拉第電阻Rf和電解液等效電阻Re．其中,電解液等效電阻可表示為

(4)

式中,σ為電解液電導率;d為工具電極與工件之間的距離．電解液等效電阻隨著電解液電導率σ及距離d的變化而變化．

本試驗采用靜液加工,加工區(qū)電解產(chǎn)物與新鮮電解液的交換主要依靠離子擴散．靠近工件表面的離子擴散比較容易,溝槽內(nèi)部的離子擴散比較困難,故電解液電導率σ在沿工具電極軸向的間隙內(nèi)存在差異．由式(3)和(4)可知,σ的差異會導致雙電層充放電常數(shù)τ的差異．因此,在脈寬為6ns的加工條件下,工具電極在軸向方向上具有不同的蝕除量,使得加工出的溝槽入口尺寸大于底部,側(cè)壁有錐度．當加工深度大于80nm時,溝槽底部離子擴散困難,充放電時間常數(shù)τ變大,蝕除量減小．相對于深度為80nm的溝槽,深度為120nm的溝槽底部尺寸較窄．

由此可知,當加工深度為25,80nm時,加工出的溝槽底部輪廓較好;當加工深度為120nm時,加工出的溝槽底部尖銳,與尖錐狀電極加工出的輪廓相似．因此,設(shè)置加工深度為80nm,加工參數(shù)不變,加工出的溝槽長約30μm,其局部形貌圖及剖面輪廓圖見圖7．由圖可知,該溝槽底部最窄處約為450 nm,入口最寬處約為1 μm．

4 結(jié)論

1) 對自組裝的單晶Ag納米線進行表面濺射處理,以制備亞微米工具電極．試驗結(jié)果表明,處理時間為120s時的Ag納米線電極適用于亞微米電解加工．

2) 利用濺射處理后的Ag納米線依次加工出深度為25,80,120nm的亞微米溝槽．結(jié)果表明,當加工深度大于80nm時,溝槽底部電解液的電導率隨著產(chǎn)物不斷積聚而下降,溝槽底部尺寸變窄．

3) 試驗中采用的加工參數(shù)為:電解液為0.1mol/L的H2SO4溶液,電壓為4V,脈沖周期為50ns,脈沖寬度為6ns．加工出的亞微米溝槽長約30μm,深約80nm,底部最窄處約為450nm,入口最寬處約1μm．

圖7 加工出的圖形形貌及其剖面圖

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