兆声调控电铸微结构内应力与均匀性的机理及方法

On the basis of our previous study, in order to solve the problems of high internal stress and poor uniformity in micro-electroforming layers during the fabrication of metal micro structures, a new method, which can improve the internal stress and uniformity in micro- electroforming layers by changing power of megasonic, is proposed. This method,which is on the basis of the theory of electrochemistry and vibtation, has simple,efficient and economic advantages. Meanwhile, megasonic stress relief mechanism in micro- electroforming layers is presented from the view of hydrogen librated rapidly by megasonic during eletroforming and dislocation decreasing in micro-electroforming layers. Based on the Faraday's law, mass transfer equation,continuity Equation and Navier-Stokes equation,the concentration field model near cathode surface is improved, and a theoretical analysis model is proposed, by which the mechanism of diffusion-layer thickness decreased and micro structure uniformity improved by megasonic can be derived. For the application, four kinds of electroforming metal micro devices with multilayers, large area and large thickness are fabricated. However, to our knowledge, there is no study on relieving the internal stress and improving the uniformity in elecroforming micro structures by megasonic. The expected research achievements of this project will not only help to optimize the process of micromachining, but also accumulate the basis theory of micro electroforming characteristics. It will have important academic values in the aspects of micro-eletroforming process technology and theory research, and promote the application and development of megasonic micro-electroforming technology in our country.

项目组在前期研究工作基础上,针对电铸微结构制造中存在的微电铸层内应力高与厚度均匀性差的问题，以振动理论和电化学理论为基础，提出通过优化兆声振动功率以改善微电铸层内应力和厚度均匀性的新方法。该方法具有简单、高效、经济的优点。同时，从兆声振动加快微电铸过程中氢气的析出、减少铸层中位错的角度，揭示兆声减小微电铸层内应力的机理。基于法拉第定律、物质传递方程、连续性方程以及Navier-Stokes 方程，修正阴极表面浓度场分布模型，建立受兆声影响的微电铸均匀性的理论分析模型，明确兆声提高电铸微结构均匀性的机理。作为应用研究，研发出具有多层、大面积和大厚度的四种典型金属微器件。目前国内外尚未见本项目提出的同类研究报道。本项目的预期研究成果不但有助于优化微加工工艺，而且能够积累关于微电铸特征的基础理论，将在微电铸的工艺技术和理论研究方面具有重要学术参考价值，推动兆声微电铸技术在我国的应用和发展。

MEMS技术的快速发展，给微电铸技术带来了前所未有的活力。目前利用微电铸技术制作的金属微器件已经应用到航空航天、精密模具、兵器制造、核工业等领域。但是，微电铸技术在应用中遇到了一些难题, 如: 微铸层内应力控制问题、铸层厚度均匀性问题等。本项目旨在研究改善电铸微器件内应力和均匀性的机理及方法。项目研究的主要内容包括: (1)兆声辅助微电铸的新方法。即在微电铸过程中，通过引入兆声振动并优化兆声功率，使得微电铸层的内应力减小、均匀性得到提高。该方法具有简单、高效、经济的优点。目前该方法已在金属微电铸器件的制作中得到应用，效果良好。(2) 研制兆声微电铸装置。该装置的频率为1MHz，具有电流、占空比、振动功率连续可调，并可产生双向兆声波的功能。 (3)针对特征尺寸为微米量级的金属微器件，本项目利用将β-SiC颗粒与金属基材进行复合沉积的方法解决了金属材料本身不具有拉曼活性的问题。提出基于微拉曼光谱法的内应力测量方法。该方法保持了微拉曼光谱法高精度测量的特点，为金属微器件的内应力测量提供了一种新途径。（4）明晰兆声去除铸层内应力、提高铸层均匀性的机理。兆声作用促进晶体内位错运动，增强微观塑性变形，进而释放内应力；兆声产生的声流和稳态空化作用减小了扩散层的厚度，提高了离子在微结构内的传输能力。同时兆声波产生的声流对新沉积的软质铸层产生推积作用，从而将不均匀铸层削平，改善了微电铸铸层的均匀性。（5）为了验证兆声辅助微电铸方法的效果，本项目研制多层可动、大面积、大厚度微电铸金属器件四种，这些器件已在中国总装备部预研、中央军委装备预研、国家自然科学基金委面上项目中得到应用。.本项目发表研究论文29篇，其中SCI检索13篇（其中JCR一区3篇、二区3篇）、EI检索19篇、ISTP检索3篇。申请发明专利共计5项，授权3项。培养博士、硕士研究生共计15名。其中博士研究生毕业2名、硕士研究生毕业8名。硕士研究生杨彤的学位论文获得大连理工大学优秀硕士论文。