一种微小平面零件的无切割自成型方法

摘要

一种微小平面零件的无切割自成型方法，它涉及一种用于激光惯性约束聚变实验研究用平面微小零(靶)件的无切割自成型制备方法。本发明目的是为了解决惯性约束聚变靶微小平面零件制造存在的二次精密加工技术难题。方法：一、利用预制图形的Si基片镀脱模剂，即得到镀脱模剂的模板；二、采用沉积法在镀脱模剂的模板上制备微小平面零件材料薄膜，得到沉积微小平面零件材料薄膜的模板；三、脱模：释放沉积微小平面零件材料薄膜的模板表面的微小平面零件薄膜，即得到微小平面零件。优点：规避平微小面尺寸二次加工技术难题；适用范围非常广；可批量生产，重复精度高；模板可重复使用，成本低。本发明主要用于加工微小平面零件。

权利要求

1.一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：

一、模板制备：在预制图形的Si基片上采用热蒸发镀膜技术制备厚度为90nm～110nm的CsI脱模剂，即得到镀脱模剂的模板，模板在真空或干燥环境下保存；所述预制图形的Si基片包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的平面结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°；

二、制备微小平面零件材料薄膜：采用沉积法在镀脱模剂的模板上制备微小平面零件材料薄膜，得到包含微小平面零件材料薄膜的模板；

三、脱模：释放包含微小平面零件材料薄膜模板表面的微小平面零件薄膜，即得到微小平面零件。

2.根据权利要求1所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于步骤一中所述的预制图形的Si基片是按以下方法制备的：①、基片清洗：采用厚度为250μm单晶抛光硅片作为基片，且基片的表面粗糙度Ra＜5nm，对基片进行清洗，然后吹干，得到清洗后基片；②、模板加工：采用光刻图形复制与Si深反应离子刻蚀光刻工艺将基片加工成模板，去掉光刻胶与切屑，洗净后用氮气吹干，得到预制图形的Si基片；所述模板包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的平面结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°，凹槽侧壁粗糙度峰谷极差Rt＜100nm。

3.根据权利要求1所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于步骤二中所述的沉积法为磁控溅射方法或辉光放电等离子体方法。

4.根据权利要求3所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于当采用单质金属材料制作微小平面零件时，选择磁控溅射方法进行沉积。

5.根据权利要求4所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于当采用金属化合物制作微小平面零件时，选择反应磁控溅射方法进行沉积。

6.根据权利要求3所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于当采用CH聚合物材料制作微小平面零件时，选择辉光放电等离子体方法。

7.根据权利要求1所述的一种微小平面零件的无切割自成型方法，其特征在于所述的微小平面零件选用化学活性质活泼材料制作时，将微小平面零件制成三层结构薄膜，上、下表面为防护层，中间为材料层；所述的化学活性质活泼材料为铀、镨或钚。

说明书

一种微小平面零件的无切割自成型方法

技术领域

[0001] 本发明属于惯性约束聚变研究领域，具体涉及一种用于激光惯性约束聚变实验研究用平面微小零(靶)件的无切割自成型制备方法。

背景技术

[0002] 激光惯性约束聚变研究条件苛刻，通常在以皮秒分辨的纳秒时间尺度、以微米分辨的毫米空间尺度上开展实验，使得聚变研究物理实验总体靶的平面零件尺寸非常微小：其厚度方向尺寸薄至百纳米到几微米，平面方向尺寸小至百微米到几毫米。为了保证物理实验数据的准确性，对平面零件的材料纯度、尺寸精度、测量精度都有很高的要求，比如，厚度方向精度要求达到纳米量级，平面方向尺寸精度要求达到微米量级。这种平面零件具有材料范围广、平面形状多样的特征。包括中高Z金属材料，比如Mo、Ta、Au、U等，也包括一些低Z材料，比如CH、Be、高密度炭等；平面形状涉及到圆形、方形、圆环形甚至不规则的形状。

[0003] 聚变研究靶微小平面零件传统的制造方法是薄膜制备完成后，再进行平面尺寸的二次精密加工成型。薄膜制备主要采用物理或化学气相沉积技术，二次加工主要有手工切割、电火花加工和激光加工等方法。手工切割精度、效率、重复性极差，不能满足零件精度和批量生产要求；电火花加工特征尺寸在0.2mm左右，加工更小的金属结构件极其困难，加工端面较粗糙；激光加工边缘易粘附熔渣，且成本昂贵。对于有毒有害、化学性质活泼的特殊材料(比如铀、钚等)，上述二次加工方法不仅需要花费高昂成本，建立专用的加工安全防护系统，保证工作人员、设备及环境的安全，同时需要解决加工热效应导致的活泼材料微纳零件结构热应力变形、迅速氧化甚至燃烧、切割面后期防氧化等技术难题。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了解决惯性约束聚变靶微小平面零件制造存在的二次精密加工技术难题，而发明的一种微小平面零件无切割自成型方法。

[0005] 一种微小平面零件的无切割自成型方法，具体是按以下步骤完成的：

[0006] 一、模板制备：在预制图形的Si基片上采用热蒸发镀膜技术制备厚度为90nm～110nm的CsI脱模剂，即得到镀脱模剂的模板，模板在真空或干燥环境下保存；所述预制图形的Si基片包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的平面结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°；

[0007] 二、制备微小平面零件材料薄膜：采用沉积法在镀脱模剂的模板上镀制微小平面零件材料薄膜，得到包含微小平面零件材料薄膜的模板；

[0008] 三、脱模：释放包含微小平面零件材料薄膜模板表面的微小平面零件薄膜，即得到微小平面零件。

[0009] 与传统制备方法相比，本发明的优点在于：

[0010] 一、把对微小平面零件平面尺寸的二次精密加工转换为对Si模板的加工；

[0011] 二、规避了活性材料平面尺寸二次加工的加工热效应零件结构变形与氧化、切割面后期防氧化等技术难题；

[0012] 三、规避了有毒有害材料平面尺寸二次加工的技术难题与安全防护问题；

[0013] 四、适用范围非常广，适用于采用沉积法制备绝大部分材料的微小平面零件的平面尺寸加工成型。

[0014] 五、可批量生产，重复精度高。

[0015] 六、在制备相同微小平面零件时，模板可重复使用，成本低。

附图说明

[0016] 图1是厚度为250μm单晶硅片结构示意图；

[0017] 图2是步骤一中预制图形的Si基片的结构示意图，图中1表示边缘突起部，图中2表示图形突起部，图中3表示凹槽；

[0018] 图3是图2沿A-A的放大剖视图，图中1表示边缘突起部，图中2表示图形突起部，图中3表示凹槽；

[0019] 图4是实施例1步骤一得到的镀脱模剂的模板结构示意图；

[0020] 图5是图4的仰视图；

[0021] 图6是实施例1步骤二得到的沉积微小平面零件材料薄膜的模板结构示意图；

[0022] 图7是图6的仰视图；

[0023] 图8是实施例1步骤三得到的微小平面零件结构示意图；

[0024] 图9是实施例1步骤三脱模后的框架。

具体实施方式

[0025] 具体实施方式一：本实施方式是一种微小平面零件的无切割自成型方法，具体是按以下步骤完成的：

[0026] 一、模板制备：在预制图形的Si基片上采用热蒸发镀膜技术制备厚度为90nm～110nm的CsI脱模剂，即得到镀脱模剂的模板，模板在真空或干燥环境下保存；所述预制图形的Si基片包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的平面结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°；

[0027] 二、制备微小平面零件材料薄膜：采用沉积法在镀脱模剂的模板上制备微小平面零件材料薄膜，得到包含微小平面零件材料薄膜的模板；

[0028] 三、脱模：释放包含微小平面零件材料薄膜模板表面的微小平面零件薄膜，即得到微小平面零件。

[0029] 模板凹槽的作用是用来阻碍微小平面零件材料薄膜制备过程中形成连续薄膜，其技术指标是能否实现微小零件脱模过程中完全断开、释放的关键。凹槽宽度过大、深度过浅、陡直度过缓，都会由于薄膜沉积过程中粒子绕射现象导致侧壁粘连而不能实现完全断开；而凹槽宽度过小，又会由于薄膜沉积过程中填充效果而造成薄膜粘连。同时，合适的凹槽技术指标也可以在镀上保护层时，在活性材料断面原位形成一定厚度的断面保护层，提高零件的寿命。实验证明，凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°时，脱模零件释放成功率100％。

[0030] 通过光刻图形复制与Si深反应离子刻蚀的加工精度来控制微小平面零件平面尺寸精度。在现有半导体技术背景下，光刻图形复制与Si深反应离子刻蚀工艺非常成熟，图形加工精度甚至可以达到十纳米级别，且效率极高。

[0031] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的预制图形的Si基片是按以下方法制备的：①、基片清洗：采用厚度为250μm单晶硅片作为基片，且基片的表面粗糙度Ra＜5nm，对基片进行清洗，然后吹干，得到清洗后基片；②、模板加工：采用光刻图形复制与Si深反应离子刻蚀光刻工艺将基片加工成模板，去掉光刻胶与切屑，洗净后用氮气吹干，得到预制图形的Si基片；所述模板包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm～30μm，凹槽的深宽比不小于1，凹槽的陡直度90°±5°，凹槽侧壁粗糙度峰谷极差Rt＜
100nm。其他与具体实施方式一相同。

[0032] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中所述的沉积法为磁控溅射方法、反应磁控溅射方法或辉光放电等离子体方法；当采用单质金属材料制作微小平面零件时，选择磁控溅射方法进行沉积；当采用金属化合物制作微小平面零件时，选择反应磁控溅射方法进行沉积；当采用CH聚合物材料制作微小平面零件时，选择辉光放电等离子体方法。其他与具体实施方式一或二相同。

[0033] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：当采用单质金属材料制作微小平面零件时，选择磁控溅射方法进行沉积。其他与具体实施方式三相同。

[0034] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：当采用金属化合物制作微小平面零件时，选择反应磁控溅射方法进行沉积。其他与具体实施方式三相同。

[0035] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：当采用CH聚合物材料制作微小平面零件时，选择辉光放电等离子体方法。其他与具体实施方式三相同。

[0036] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的微小平面零件选用化学活性质活泼材料制作时，将微小平面零件制成三层结构薄膜，上、下表面为防护层，中间为材料层；所述的化学活性质活泼材料为铀、镨或钚。其他与具体实施方式一至六相同。

[0037] 本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

[0038] 采用下述试验验证本发明效果

[0039] 实施例1：结合图1至9，一种微小平面零件的无切割自成型方法，具体是按以下步骤完成的：

[0040] 一、模板制备：在预制图形的Si基片上采用热蒸发镀膜技术制备厚度为100nm的CsI脱模剂，即得到镀脱模剂的模板，模板在真空或干燥环境保存；

[0041] 二、制备微小平面零件材料薄膜：采用磁控溅射方法依次在镀脱模剂的模板上制备厚度为50nm的下表面Au防护层、厚度为300nm的U层和厚度为50nm的上表面Au防护层，得到沉积微小平面零件材料薄膜的模板；

[0042] 三、脱模：将沉积微小平面零件材料薄膜的模板浸入去离子水溶剂中，浸泡20s，即得到微小平面零件。

[0043] 本实施例步骤一中所述的预制图形的Si基片是按以下方法制备的：①、基片清洗：采用厚度为250μm单晶硅片作为基片，且基片的表面粗糙度Ra＜5nm，对基片进行清洗，然后吹干，得到清洗后基片；②、模板加工：采用光刻图形复制与Si深反应离子刻蚀光刻工艺将基片加工成模板，去掉光刻胶与切屑，洗净后用氮气吹干，得到预制图形的Si基片；所述模板包括边缘突起部、图形突起部和凹槽，所述的图形突起部是根据微小平面零件的结构形状制备而成，所述凹槽的宽度为10μm，凹槽的深宽比为3，凹槽的陡直度90°±5°，凹槽侧壁粗糙度峰谷极差Rt＜100nm。

[0044] 图1是厚度为250μm单晶硅片结构示意图；图2是步骤一中预制图形的Si基片的结构示意图，图中1表示边缘突起部，图中2表示图形突起部，图中3表示凹槽；图3是图2沿A-A的放大剖视图，图中1表示边缘突起部，图中2表示图形突起部，图中3表示凹槽。

[0045] 图4是实施例1步骤一得到的镀脱模剂的模板结构示意图；图5是图4的仰视图。

[0046] 图6是实施例1步骤二得到的沉积微小平面零件材料薄膜的模板结构示意图；图7是图6的仰视图。

[0047] 图8是实施例1步骤三得到的微小平面零件结构示意图；图9是实施例1步骤三脱模后的框架。