编辑推荐：
电化学微加工技术中，通过引入调节电极形成平行等势体，有效抑制了电场边缘效应导致的加工不均匀问题。实验表明，在35.8×19mm大尺寸加工范围内，新型RE-IETMEMM方法使微流道芯片模具、菱形阵列和齿轮模具的深度均匀性分别提升75.0%、66.6%和71.9%，线宽均匀性提高73.3%-97.2%，显著优于传统TMEMM和IETMEMM工艺。
杨晓晨|李萌|尚冰泽|邱慧峰|刘炳楠|杜立群
中国大连理工大学机械工程学院，辽宁省微纳技术与系统重点实验室，大连 116024
摘要
透罩电化学微加工（TMEMM）是制造金属微结构的关键技术。然而，由于光刻胶图案边缘的几何不连续性导致的电场边缘效应是一个长期存在的挑战，它显著降低了加工的均匀性。为了解决这个问题，本文首次引入了调节电极到感应电极TMEMM（IETMEMM）中，并提出了一种称为调节电极辅助IETMEMM（RE-IETMEMM）的新方法。在RE-IETMEMM中，引入的调节电极形成了一个与感应工件电极平行的等势体。因此，TMEMM和IETMEMM中存在的电场边缘效应被抑制了。为了验证这种方法的实用性，进行了理论分析、仿真和实验。实验结果表明，RE-IETMEMM比TMEMM和IETMEMM实现了更均匀的加工效果，这与理论和仿真结果一致。与传统TMEMM相比，RE-IETMEMM分别将微流控芯片模具、菱形阵列和齿轮模具的深度均匀性提高了75.0％、66.6％和71.9％。同样，菱形阵列、齿轮模具和穿孔板的线宽均匀性也分别提高了97.2％、92.9％和73.3％。这些微结构的一致高均匀性证实了RE-IETMEMM适用于各种类型的微结构。这些发现展示了RE-IETMEMM在工业应用中的巨大潜力。
引言
透罩电化学微加工（TMEMM）是一种结合了光刻[1]和电化学加工[3][4]的精密微加工技术。这种组合结合了两种技术的优势，实现了无毛刺、无应力的加工，并具有精细的特征尺寸。目前，TMEMM在航空航天、机械制造和汽车行业引起了广泛关注，用于制造微柱[5]、微凹坑[7]、微通道[9][10]等阵列微结构。
然而，TMEMM在大面积微结构上的应用仍然有限。本文中，大面积微结构被定义为满足以下两个条件的结构：加工区域覆盖了整体轮廓面积的50％以上，且整体轮廓尺寸超过2.5毫米×2.5毫米。在大面积微结构的加工中，均匀性是一个关键挑战，主要是因为随着加工区域的增加，电场边缘效应会被放大[11]。电场边缘效应源于光刻胶图案边缘的几何不连续性，这会在边缘产生最高的电流密度，并逐渐向中心减小。对于小面积微结构（例如直径为100微米[12]或200微米[13]的微凹坑），较短的边缘到中心距离导致电流密度变化很小，通常呈现出碗形轮廓。相比之下，对于大面积微结构，较长的边缘到中心距离会导致电流向中心显著衰减，从而导致材料去除不均匀和明显的岛屿状轮廓。在相同的加工深度和掩模厚度下，加工区域越大，均匀性越差。目前，关于大面积微结构制造的研究仍然很少，现有的有限报告一致指出存在严重的均匀性问题。例如，Jakob[14]报告了印刷电路板上金属层的岛屿形成现象。在5×20毫米2的加工区域内，形成了一个15微米高的金属岛屿，导致深度均匀性降低了50％。Ferri[15]制造了一种用于生物医学应用的钛结构。制造的4毫米直径的腔体达到了10微米的深度，而通道达到了20微米，导致深度均匀性降低了50％。尽管这些研究展示了TMEMM制造大面积微结构的潜力，但观察到的不均匀性突显了其较低的加工精度。随着对大面积金属微结构需求的增加，较差的加工均匀性已成为一个关键瓶颈。
大多数现有文献专注于小面积或阵列结构的制造，以提高加工均匀性[16]。例如，Chen[17]通过增加掩模厚度来抑制电场边缘效应。当使用200微米厚的掩模制造100微米直径的坑时，有效地消除了岛屿形成。Zhang[8][18]证明夹心式电化学微加工能够提高微凹坑阵列的均匀性。在这种方法中，阴极与工件上的光刻胶图案保持紧密接触，从而均匀了电场分布。Chen[19]和Ming[20]通过用多孔阴极覆盖工件来提高加工均匀性。当加工单元关闭时，电场在加工表面上均匀分布，从而提高了加工均匀性。Wu[21]研究了鸭嘴喷嘴长度对均匀性的影响。他们建议狭缝长度应至少是加工区域的两倍，以提高电流密度均匀性。Zhai[22]提出了一种移动阴极TMEMM方法。由于阴极附近的电流密度较高，这种方法通过移动阴极使加工表面上的时间平均电流密度保持一致。Chen[23]在TMEMM中引入了辅助阳极。这种方法通过在边缘吸收电流来减少电场边缘效应。Yang[24]提出了一种感应电极TMEMM（IETMEMM）方法，其中感应工件电极放置在阳极和阴极之间。在加工穿孔结构时，侧壁的电流密度降低，因为大部分电流直接从阳极通过通孔流向阴极，从而提高了加工均匀性。
上述改进策略可以分为五类：（1）增加掩模厚度[25][26]，（2）减少阳极和阴极之间的距离[12][27]，（3）优化阴极形状或移动[28][29]，（4）使用辅助阳极[30]，以及（5）使用感应工件电极。尽管这些方法提高了阵列结构的加工均匀性，但它们对大面积微结构的有效性仍然有限。对于大面积结构来说，增加掩模厚度是不切实际的，因为掩模厚度必须达到特征宽度的约0.8倍[31]，使得掩模过于厚重。减少电极之间的距离会妨碍大面积结构中电解产物的去除[19]。优化阴极形状的结构适应性较差，因为每个微结构都需要特定的设计[21]。使用辅助阳极会增加能耗。IETMEMM仅限于穿孔结构。因此，需要一种新的、更合适的方法来提高大面积加工的均匀性。
总之，不均匀的电场分布——特别是由光刻胶图案边缘的几何不连续性引起的电场边缘效应——仍然是一个长期存在的挑战，限制了加工均匀性。大面积微结构中的不均匀加工问题尚未得到解决。为了从根本上克服这个问题，本文首次将调节电极引入IETMEMM，并提出了一种称为调节电极辅助IETMEMM（RE-IETMEMM）的新方法。在RE-IETMEMM中，调节电极和感应工件电极作为两个平行等势体在有限的空间内实现。这一创新最小化了几何不连续性，并有效抑制了电场边缘效应。实验验证表明，RE-IETMEMM在35.8毫米×19毫米的区域内实现了均匀加工，远远超过了近期研究报道的规模。此外，RE-IETMEMM在各种结构（大面积、阵列、圆形和穿孔）上始终提供了更好的均匀性，展示了其在工业应用中的巨大潜力。
RE-IETMEMM的结构
图1将提出的RE-IETMEMM方法与传统的TMEMM进行了比较。传统的TMEMM系统由阴极、阳极和电解质组成，如图1a所示。阳极同时也作为工件，在加工表面上具有光刻胶图案，并在非加工表面上进行绝缘处理。电源将其正极连接到工件上，负极连接到阴极上。
RE-IETMEMM系统由阴极、阳极、绝缘板和感应电极组成
仿真模型
为了验证RE-IETMEMM在提高大面积加工均匀性方面的有效性，对微流控芯片模具的加工过程中的电场分布进行了仿真。该模具具有较大的加工区域，最外层轮廓区域为20毫米×10毫米。它还包含复杂的凸起线条，使其成为大面积、复杂微结构的代表性示例。用于光刻的掩模显示在补充图A1中。
的三维几何模型
实验设置和材料
图7显示了RE-IETMEMM的实验设置，图7a显示了整体视图。电解浴中的电化学反应由电源驱动。信号发生器和功率放大器用于驱动电解浴中的声学换能器。
图7b显示了电解浴的3D图。顶部安装了一个电机单元，包括电机支架、伸缩电机和传动机构。伸缩电机的一端固定在电机上
使用微流控芯片模具验证加工均匀性
为了验证第2.2节中的原理和第3.3节中的仿真结果，分别使用TMEMM、IETMEMM和RE-IETMEMM制造了三个微流控芯片模具，并进行了比较实验。结果如图8所示。
图8a显示了使用传统TMEMM制造的样品。角落的最大深度为183微米，而中心的最小深度仅为33微米，导致深度均匀性降低了82.0％。这种较差的均匀性与
结论
为了提高透罩电化学微加工（TMEMM）中大面积微结构的均匀性，本文首次将调节电极引入感应电极TMEMM（IETMEMM），并提出了一种称为调节电极辅助IETMEMM（RE-IETMEMM）的新方法。其有效性通过理论分析、仿真和实验得到了验证。主要结论如下：
1.电场边缘效应严重降低了加工均匀性
CRediT作者贡献声明
李萌：撰写——审稿与编辑。
杨晓晨：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。
杜立群：监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
刘炳楠：撰写——审稿与编辑、可视化。
邱慧峰：撰写——审稿与编辑、验证。
尚冰泽：撰写——审稿与编辑、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52375561）的支持。
