CN114703536B - 一种微区电镀装置及其在制备声表面波声子晶体中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微区电镀装置及其在制备声表面波声子晶体中的应用。该装置包括直流恒流源、电镀槽、阳极板、电镀液、温控系统、搅拌系统、夹具及电镀片。电镀片上包括一个声表面波声子晶体区域及至少两个陪镀区域；陪镀区域对称分布在声表面波声子晶体区域的两侧。本发明采用电化学沉积(电镀)法，可以精确制备基于多类单晶、多晶及非晶基底(如铌酸锂、钽酸锂、硅、二氧化硅、氮化铝、氮化镓、玻璃等)的金属材料(如镍、铜、金等)基的声表面波声子晶体。

Description

一种微区电镀装置及其在制备声表面波声子晶体中的应用

技术领域

本发明涉及一种微区电镀装置，特别涉及一种微区电镀装置及其在制备声表面波声子晶体中的应用。

背景技术

在固体中传播的声波主要分为体声波和声表面波，声表面波是一种集中于固体表面，沿固体表面传播的弹性波。声表面波由英国的瑞利爵士于1985年首先发现。根据边界条件和传播介质的不同，所激发的声表面波也有所不同。瑞丽爵士发现的声表面波称为瑞利波，还有在半无限基片上存在的漏波和水平剪切波，在薄板上传播的兰姆波，在固体和固体界面上传播的斯通利波，在固体和液体界面上传播的思科尔特波，在层状结构上传播的乐甫波，还有西沙瓦波等等。声表面波相较于电磁波有很多优点：声表面波的传播速度较低，这使得制造同一频率范围的信号处理器件，使用声表面波作为信号波得信号处理器件比使用电磁波作为信号波的信号处理器件尺寸小很多，可以大大提升器件的可集成化；作为信号波时，声表面波的信号更易于处理；声表面波的传播损耗很低；声表面波的传播与基底无关，不会导致基底材料内部的电子迁移，这使得声表面波器件相较于电磁波器件具有更好的抗辐射性能。

声子晶体是一种人工带隙材料，这种材料的密度和弹性常数呈周期性分布。1993年日本科学家M.S.Kushwaha等人首次提出声子晶体的概念，他们通过计算在铝合金基体上放置镍柱的复合材料结构，证实了这种结构具有弹性波带隙。根据声子晶体周期性所存在的维度不同，声子晶体可以分为一维、二维、三维声子晶体。因为声子晶体具有带隙的特性，声子晶体已经广泛应用于传感、波导、滤波、声学聚焦以及拓扑声子学等不同的领域。

声表面波声子晶体的概念在2010年才被正式提出，目前声表面波声子晶体已经被广泛应用于不同的领域之中。声表面波器件中的金属反射栅可以用声表面波声子晶体代替，这样可以减小尺寸，还能改善中心频率性能；声表面波声子晶体还可以用于细胞的溶解；声表面波声子晶体还可以实现不同位置的能量单独控制和小液滴的塑形和雾化。

目前声表面波声子晶体的主要制备工艺有等离子体干法刻蚀工艺、化学湿法腐蚀工艺和电化学沉积(即电镀)制备工艺。

发明内容

本发明提供了一种微区电镀装置，包括直流恒流源、电镀槽、阳极板、温控系统、搅拌系统、夹具及电镀片；所述电镀片包括一个声表面波声子晶体区域及至少两个陪镀区域，所述声表面波声子晶体区域和陪镀区域位于电镀液面之下。当所述电镀装置在通电之后，电镀槽内盛装的电镀液中的待镀金属离子还原为金属沉积在所述声表面波声子晶体区域，制备得到所需要的声表面波声子晶体微纳结构。

根据本发明的实施方案，所述陪镀区域对称分布在所述声表面波声子晶体区域的两侧。示例性地，所述陪镀区域的数量为两个或更多个。陪镀区域用于分担声表面波声子晶体区的电流，使得声表面波声子晶体区上电镀的金属高度更均匀。

根据本发明的实施方案，将每个陪镀区域与声表面波声子晶体区域的垂直距离记为d，d＝0.1mm～6mm。

根据本发明的实施方案，所述声表面波声子晶体区域的尺寸可以根据实际的声表面波声子晶体来决定。

根据本发明的实施方案，所述陪镀区域的形状为矩形，尺寸介于1mm×0.5mm至6mm×3mm之间。

根据本发明的实施方案，所述声表面波声子晶体区域和陪镀区域底部均设置种子层。进一步地，所述种子层的材质为金、铜和/或镍；优选地，所述种子层的厚度大于0且不超过20nm。

根据本发明的实施方案，所述电镀片还包括导电区，所述导电区与夹具连接，将所述电镀片固定在所述微区电镀装置中。进一步地，所述导电区位于电镀液面之上。

根据本发明的实施方案，所述电镀片上除导电区、声表面波声子晶体区域和陪镀区域外的其他区域涂覆有光刻胶。利用图形化过后的光刻胶(如SU-8、AZXXX等)对微区电镀微结构进行图形化约束。

根据本发明的实施方案，所述电镀片位于电镀槽的中心位置，且与阳极板平行。

根据本发明的实施方案，将所述电镀片与阳极板之间的垂直距离记为L，L＝30mm～70mm。

根据本发明的实施方案，所述电镀槽的形状为直四棱柱，底面为长方形或者直角梯形。进一步地，所述电镀槽的尺寸介于200mL至1000mL之间。

根据本发明的实施方案，所述阳极板和电镀片通过夹具分别与直流恒流源的正负极相连。

根据本发明的实施方案，所述阳极的材质为待需要电镀的金属材料，例如镍、铜、金等。优选地，所述阳极板为长方体薄板，厚度介于1mm至5mm之间，长和宽与电镀槽侧面尺寸相近。

根据本发明的实施方案，所述温控系统由水浴加热装置和温度反馈装置组成，使温度控制在0℃至60℃之间。

根据本发明的实施方案，所述搅拌系统采用磁力搅拌器。

本发明还提供上述微区电镀装置在制备声表面波声子晶体中的应用。例如，所述声表面波声子晶体为基于多类单晶、多晶及非晶基底(如铌酸锂、钽酸锂、硅、二氧化硅、氮化铝、氮化镓、玻璃等)的金属材料(如镍、铜、金等)基的声表面波声子晶体。

有益效果：

本发明提供的微区电镀装置，能够精确制备基于多类单晶、多晶及非晶基底(如铌酸锂、钽酸锂、硅、二氧化硅、氮化铝、氮化镓、玻璃等)的金属材料(如镍、铜、金等)基的声表面波声子晶体，且声表面波声子晶体区域电镀后表面高度分布较为均匀，不会出现明显高度差。

附图说明

图1为本发明的微区电镀装置的结构示意图；

图2(a)为本发明的微区电镀装置的正视图；

图2(b)为本发明的微区电镀装置的俯视图；

图2(c)为本发明的微区电镀装置的左视图；

图3为本发明的微区电镀装置中的电镀片结构示意图；

图4(a)为数值仿真得到的采用两侧对称陪镀区域及不采用陪镀区域声表面波声子晶体区域表面归一化电压强度的对比。

图4(b)为实施例1装置制备样品的表面高度分布图。

图4(c)为数值仿真得到的采用两侧对称陪镀区域及单侧陪镀区域声表面波声子晶体区域表面归一化电压强度的对比。

图4(d)为对比装置制备样品的表面高度分布图。

图5为本发明装置制备的样品的SEM照片。

附图标记：1-直流恒流源、2-电镀槽、3-阳极板、4-温控系统、5-搅拌系统、6-夹具、7-电镀片，8-电镀液、9-导电区、10-声表面波声子晶体区域、11-陪镀区域。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

如图1所示的声表面波声子晶体微区电镀装置的结构示意图，微区电镀装置主要由直流恒流源1、电镀槽2、阳极板3、温控系统4、搅拌系统5、夹具6及电镀片7组成，电镀槽2内盛装电镀液8。

电镀槽2为直四棱柱，底面为长方形或直角梯形。阳极板3的材质与实际电镀的金属材质相同，电镀液也需要根据实际的电镀方案进行选择。

电镀片7分为导电区9、声表面波声子晶体区域10和陪镀区域11，电镀片7通过与导电区连接的夹具6固定在装置中，使得电镀片上的声表面波声子晶体区域和陪镀区域浸入到电镀液中，而使位于电镀片顶端的导电区处于电镀液液面之上。

阳极板3和电镀片7通过夹具6分别与直流恒流源1的正负极相连。装置中的温控系统4由水浴加热装置和温度反馈装置组成，可以将温度控制在0℃至60℃之间。装置中的搅拌系统5使用的是磁力搅拌器，磁力转子的转速介于0至1500r/min之间。

图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为声表面波声子晶体微区电镀装置的三视图。图中实线表示从画图视角可见的表面结构，虚线表示不可见的内部结构，点划线表示对称轴。图中x、y、z、h取值范围分别为100mm-200mm、40mm-150mm、50mm-80mm、40mm-80mm。电镀槽中添加的电镀液深度介于25mm至50mm之间。电镀片处于电镀槽的中心位置，且与阳极板平行，电镀片与阳极板之间的距离为L，L介于30mm至70mm，电镀片的竖直位置需使电镀液的液面没过电镀片上的声表面波声子晶体区域和陪镀区域，而不会碰到顶端的导电区。

图3为上述微区电镀装置中的电镀片结构尺寸图。图中的阴影区为涂有光刻胶的区域，图中的空白区域为电极区域。电镀片尺寸为A×B，A×B取值介于10mm×20mm至20mm×40mm之间，厚度介于0.5mm至1mm之间。从图中可以看出，电镀片上有四个电极区，最上面的一块电极区(即导电区9)直接与夹具接触，在实际电镀时，此电极区域处于电镀液的液面之上，不参与电镀过程，只起到导电的作用。图中最小的电极区为声表面波声子晶体区10，声表面波声子晶体区的具体尺寸和结构根据实际的声表面波声子晶体设计来决定。剩下的两个电极区域为陪镀区域11，两个陪镀区域的尺寸均为a×b，a×b取值介于1mm×0.5mm至6mm×3mm之间，陪镀区域与声表面波声子晶体区域的距离为d，d取值介于0.1mm至6mm之间，陪镀区域的个数为2个。本领域技术人员可以根据实际需要，设置更多个陪镀区域。陪镀区域的作用是分担声表面波声子晶体区的电流，使得声表面波声子晶体区上电镀的金属高度更均匀。

图4(a)为数值仿真得到的采用两侧对称陪镀区域及不采用陪镀区域声表面波声子晶体表面厚度分布的对比。本次数值仿真使用的软件为COMSOL Multiphysics，仿真结果为微区电镀范围内的归一化电压强度分布，图中微区电度范围为声表面波声子晶体区域竖直方向中线。从图中可以看出采用陪镀区域相较于不采用陪镀区域在微区电镀范围内的归一化电压强度分布更均匀，电压强度差值较小，在电镀的过程中，电压强度高的位置厚度更大，所以采用两侧对称陪镀区域后电镀更加均匀。

图4(b)为采用两侧对称陪镀区域的表面高度分布图。本样品电镀的材料为镍，测量仪器为Veeco台阶仪，测量位置与数值模拟所计算的位置一致，图中测量范围180μm至620μm之间为声表面波声子晶体区域。从图中可以看出，采用两侧对称陪镀区域后的声表面波声子晶体区域电镀后表面高度分布较为均匀，不会出现明显高度差。

图4(c)为数值仿真得到的采用两侧对称陪镀区域及单侧陪镀区域声表面波声子晶体表面厚度分布的对比。从图中可以看出，采用两侧对称陪镀区域后的声表面波声子晶体区域电镀后表面高度分布较为均匀，不会出现明显高度差。

图4(d)为对比装置制备样品的表面高度分布图，对比装置与实施例1装置的区别在于，仅具有单侧陪镀区域(即仅有一个陪镀区域)。测量方法以及位置与前者一致。从图中可以看出对比装置制备的声表面波声子晶体样品上下会出现较为明显的高度差。

使用本发明的声表面波声子晶体微区电镀装置进行电镀的时候，需要根据实际情况选择合适的电镀槽、阳极板、电镀液，同时需要根据实际情况设计电镀片上的声表面波声子晶体区域和陪镀区域。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种微区电镀装置，其特征在于，所述微区电镀装置包括直流恒流源、电镀槽、阳极板、温控系统、搅拌系统、夹具及电镀片；所述电镀片包括一个声表面波声子晶体区域及至少两个陪镀区域，所述声表面波声子晶体区域和陪镀区域位于电镀液面之下。

2.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，所述陪镀区域对称分布在所述声表面波声子晶体区域的两侧。

3.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，所述陪镀区域的数量为两个或更多个。

4.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，将每个陪镀区域与声表面波声子晶体区域的垂直距离记为d，d＝0.1mm～6mm。

5.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，所述陪镀区域的形状为矩形，尺寸介于1mm×0.5mm至6mm×3mm之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微区电镀装置，其特征在于，所述声表面波声子晶体区域和陪镀区域底部均设置种子层。

7.根据权利要求6所述的微区电镀装置，其特征在于，所述种子层的材质为金、铜和/或镍；和/或，所述种子层的厚度大于0且不超过20nm。

8.根据权利要求6所述的微区电镀装置，其特征在于，所述电镀片还包括导电区，所述导电区与夹具连接，将所述电镀片固定在所述微区电镀装置中，所述导电区位于电镀液面之上。

9.根据权利要求8所述的微区电镀装置，其特征在于，所述电镀片上除导电区、声表面波声子晶体区域和陪镀区域外的其他区域涂覆有光刻胶。

10.根据权利要求1或8所述的微区电镀装置，其特征在于，所述电镀片位于电镀槽的中心位置，且与阳极板平行。

11.根据权利要求10所述的微区电镀装置，其特征在于，将所述电镀片与阳极板之间的垂直距离记为L，L＝30mm～70mm。

12.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，所述电镀槽的形状为直四棱柱，底面为长方形或者直角梯形。

13.根据权利要求10所述的微区电镀装置，其特征在于，所述阳极板和电镀片通过夹具分别与直流恒流源的正负极相连。

14.根据权利要求1所述的微区电镀装置，其特征在于，阳极的材质为待需要电镀的金属材料；和/或，所述阳极板为长方体薄板，厚度介于1mm至5mm之间，长和宽与电镀槽侧面尺寸相近。

15.根据权利要求1述的微区电镀装置，其特征在于，所述温控系统由水浴加热装置和温度反馈装置组成；和/或，所述搅拌系统采用磁力搅拌器。

16.权利要求1-15任一项所述微区电镀装置在制备声表面波声子晶体中的应用。