活化与细密的微电铸层界面结合理论与控制方法

项目组在前期研究工作基础上,针对微电铸金属器件LIGA/准LIGA制造中存在的微电铸层结合强度低的问题，以电化学的理论和方法为基础，结合微电铸电极过程的特点，建立微电铸层界面结合的新理论。即在微电铸的初始阶段，电流密度和超声振动决定阴极表面自动由钝态向活态转化的活化理论以及超声振动显著细化晶粒、形成致密微电铸层的晶粒细化理论。同时，基于断裂力学和后屈曲理论，建立适用于压痕测量法的、定量描述微电铸层界面结合强度的理论模型。在界面结合机理研究的基础上，提出一种通过调节电流密度和超声功率来提高微电铸层界面结合强度的新方法。该方法具有简单、高效、经济的优点。作为应用研究，研发出具有厚电铸层的两种以上微电铸金属器件。目前国内外尚未见本文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。

本项目在三年的执行期间，按任务书中的计划进行，取得了预期的研究成果。主要研究成果如下：1）建立了基于划痕法的电铸层界面结合性能的测量方法，从而实现了铸层界面结合性能的定量描述。2）在划痕法测量电铸层界面结合强度的基础上，提出并验证了通过优化微电铸电流密度以增强微电铸层界面结合强度的新方法。该方法具有简单、高效、经济的优点。目前该方法已在微纳米技术与系统辽宁省重点实验室推广应用，效果良好。3）基于电流密度对还原阴极表面氧化层的氢气析出量和有效电化学活化面积的影响研究，建立了阴极表面的电化学活化模型，并通过实验加以验证。从阴极表面电化学活化的角度，明确了本课题提出的通过优化微电铸电流密度以增强微电铸层界面结合强度新方法的机理。4）基于Griffith断裂能量平衡准则、表面张力模型和米德马半经验电子模型推导了一次晶粒尺寸与实际界面结合强度的关系式，建立了铸层界面结合强度的一次晶粒模型。从铸层一次晶粒的角度，明确了本课题提出的通过优化微电铸电流密度以增强微电铸层界面结合强度新方法的机理。5）对微电铸层中的内应力开展研究，实验研究了电流密度与压应力关系、超声辅助振动对铸层压应力的去除作用。明确了添加剂使铸层产生压应力以及超声减小铸层压应力的机理。6）搭建了一套超声微电铸实验装置，开展了超声微电铸的实验研究。7）在电铸层内应力研究的基础上，提出并验证了通过辅助超声以增强微电铸层界面结合强度的新方法，并明确了其作用机理。8）作为应用研究，为了验证通过改变微电铸电流密度以提高铸层界面结合强度新方法在提高微电铸层界面结合强度方面的实际应用效果，制作了四种单层和多层可动微金属器件。包括高深宽比金属光栅、微模具、微线圈和六层微金属惯性开关。这些器件已经在相关单位的科研项目中得到应用。. 本项目发表学术论文19篇，录用2篇，其中SCI检索论文7篇、EI检索论文11篇、ISTP检索2篇。申请中国发明专利6项，其中2项授权。培养博士、硕士研究生共计15名，其中11名毕业、4名在读，其中1名硕士生获得国家奖学金、1名硕士生毕业论文获得校级优秀硕士论文。本项目的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铸层界面结合特征的基础理论，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和实际应用价值，将为微电铸技术的应用和发展提供新的理论支持。