鎳磷化學鍍方法及其化學鍍溶液的製作方法

2023-04-26 14:23:41 1

專利名稱：鎳磷化學鍍方法及其化學鍍溶液的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械材料的表面處理方法及處理液，尤其涉及一種用於處理微機械摩擦表面的鎳磷化學鍍方法及其化學鍍溶液。
背景技術：
20世紀末期，微機械技術基於微電子工業中矽的微細加工技術而迅速崛起。現有研究表明，將機構及其驅動器、傳感器、控制器、電源集成於很小的晶片上，而獲得的毫米至微/納米量級別的微機械，因其具有體積小、重量輕、能耗低、集成化和智能化程度高等優點，在生物醫學、環境保護、航空航天、工農業和軍事等領域應用前景極其廣闊。尤其是具有運動件的複雜三維系統，正在發展成為集當今微電子、新材料、精密儀器、力學為一體的多學科交叉前沿熱點領域，這是關係到國家安全的關鍵技術之一。
迄今，藉助矽材料已開發出微機械臂、微泵、微齒輪、微渦輪機以及具有各種功能的微機器人等複雜產品。儘管長期以來矽作為半導體電子材料被廣泛應用著，但在微機械中其力學性能卻難以保證系統的運行，尤其是運動件的摩擦磨損和疲勞性能等，從而造成了當前微機械系統「能看不能動，能動不能用」的狀況。

發明內容
本發明提供一種鍍層均勻、鍍層形狀可控、鍍層與基體結合牢固的鎳磷化學鍍液及其化學鍍方法。
本發明採用如下技術方案一種用於微機械材料表面處理的鎳磷化學鍍方法，包括第一步在潔淨處理後的微機械材料的待處理表面上濺射一層10-100nm鎳襯底，然後塗膠並按預先設定的形狀光刻，第二步使微機械材料基體處於75℃-95℃的鎳磷化學鍍溶液中，並保溫10-90分鐘，發生氧化還原反應，使鎳磷鍍層沉積於基體的表面，第三步取出基體，並對其清洗、乾燥，放入除膠液中除去膠，在保護氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時，即得到0.5微米-5微米厚度的均質鎳磷鍍層。
一種用於微機械材料表面處理的鎳磷化學鍍溶液，其特徵在於包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300-600∶1。
目前還未見到關於化學鍍在微機械減磨方面的應用。在工藝方面，本發明具有如下優點(1)與一般的表面技術比較，本發明所採用的工藝結合微機電系統製造中採用的光刻技術，鍍層優先選擇在活性較高的金屬基體上沉積，而不易在膠層上形成，因而通過塗膠並按預先設定的形狀光刻可以控制鍍層的形狀，實現了鍍層形狀的可控操作；同時，由於化學鍍具有優越的仿形性，可以在形狀複雜的微機械上應用。
(2)本發明提供一種適用於微機械材料表面的安全快速的鎳磷化學鍍液配方及其可控化沉積的工藝，這種鎳磷鍍層具有優秀的均勻性、硬度、耐磨性等綜合物理化學性能，可以明顯的改善矽的摩擦學性能，延緩其斷裂。
(3)由於預先濺射的襯底材料具有催化作用，次磷酸鹽在具有催化性質的表面上，可生成活性氫原子，活性氫原子將鎳離子還原為金屬鎳，與此同時，活性氫原子還將次亞磷酸根還原生成單質磷，因而得到的鍍層為鎳磷合金固溶體。所沉積的鎳具有自催化作用，使氧化還原反應不斷進行，從而使鎳-磷鍍層不斷增厚。使本發明的化學鍍液能在基體表面形成鎳磷鍍層，而鎳磷鍍層為微晶或非晶態結構，剪切力小，具有優異的減摩性能。熱處理可以使鎳磷鍍層部分或完全晶化，硬度達到很高的值，可以提高摩擦表面的抗磨損性能，尤其是本發明所提供的能在基體表面形成亞微米級鎳磷鍍層，使本發明能與微機械製造工藝相結合，適合微機械使用。
(4)化學鍍鎳磷鍍層厚度可在亞微米-亞毫米級變化，鍍層均勻，表面光滑。
(5)本發明採用磁控濺射工藝在基體上預先製備一層金屬襯底(鎳、鐵等比鎳活潑或鋅、鋁等可以和鎳發生置換反應的金屬)，襯底和鍍層之間屬於金屬鍵結合，結合力非常好，鍍層和基體的結合力就取決於襯底和基體間的結合力，由於磁控濺射的特點，襯底和基體結合力明顯優於直接將鍍層沉積在基體上的物理吸附。所以這樣可以顯著改善鍍層和基體間的結合力。
(6)本發明所採用的添加劑為有機酸CxHyOz·nH2O或者其鈉鹽中的一種或幾種。加入適量的添加劑與未加本添加劑的化學鍍液相比教，可以提高化學鍍液的沉積速度，延長其使用壽命，使鍍層更加均勻，增加表面光潔度，適於在微機械材料表面沉積。也可以通過控制添加劑的含量來控制鍍層的組成。
具體實施例方式
實施例1一種用於微機械材料表面處理的鎳磷化學鍍方法是先對微機械零件的待處理表面進行潔淨處理，該潔淨處理包括進行氫氧化鈉溶液脫脂、除油、乙醇超聲振蕩除灰等，然後在基體的待處理表面上濺射一層10-100nm鎳襯底，濺射可選擇磁控濺射的方式，主要參數為工作氣壓0.1-1帕，功率10-50瓦，靶極距5-20釐米，時間5-50分鐘，工作氣壓增加，功率增加，靶極距減小，時間增加，濺射厚度增大；然後塗膠並按預先設定的形狀光刻，塗膠光刻的主要工藝參數為轉速2500-4500轉/分鐘，前烘時間10-50分鐘，溫度80℃-100℃，曝光時間20-60秒。最後置於儲有上述化學鍍液的槽中，並使待處理的基體完全浸入溶液中，加熱至75℃-95℃，例如90℃，80℃，82℃；保溫10-90分鐘，例如85分鐘，75分鐘，50分鐘，23分鐘，40分鐘，9分鐘；發生氧化還原反應，使鎳磷鍍層沉積於基體的表面，最後，取出基體，去離子水清洗後放入80～100℃的硫酸和雙氧水的溶液中進行除膠，再對其清洗，乾燥，在氮氣(或氬氣)保護氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時，本實施例中，保溫溫度可以為160℃，240℃，330℃，448℃，520℃保溫時間可以為1小時，40分鐘，1.5小時；即得到0.5微米-5微米厚度的均質鎳磷化學鍍層，保溫溫度升高，沉積時間增加，厚度增大。
實施例2一種用於微機械零件表面處理的鎳磷化學鍍溶液，包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽可以是硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳中的一種或兩種以上的混合物(混合物的配比可以是任意配比)，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，本實施例可選擇0.4∶1、0.75∶1和1.2∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，本實施例可選擇0.2∶1、0.5∶1、1.0∶1和1.5∶1，水與可溶性鎳鹽的摩爾比為300-700∶1，本實施例可選擇364∶1、421∶1、342∶1、657∶1、538∶1，本實施例還可包括添加劑，該添加劑至少包括一種有機酸CxHyOz·nH2O或其鈉鹽，其中1＜x＜7，2＜y＜10，1＜z＜9，本實施例中，該添加劑與可溶性鎳鹽摩爾比為0.15-1.50∶1，本實施例可選擇0.15∶1、0.42∶1、0.78∶1、1.22∶1和1.50∶1，上述添加劑可以是乳酸、檸檬酸鈉、丙酸、蘋果酸、丁二酸等中的一種或幾種的組合，且其組分的配比可為任意配比。
實施例3一種用於微機械錶面處理的鎳磷化學溶液，由可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和添加劑組成，可溶性鎳鹽可以是硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳中的一種或兩種以上的混合物(混合物的配比可以是任意配比)，除去水，可溶性鎳鹽所佔摩爾百分比為14-30％，本實施例中可以選擇為21％，26.5％次磷酸鈉所佔摩爾百分比為25-50％，本實施例中可以選取為26.5％，35％，46％，醋酸鈉所佔摩爾百分比為5-25％，本實施例中可以選取為12％，19.5，上述添加劑至少包括一種有機酸或鈉鹽，該添加劑所佔摩爾百分比為5-40％，上述添加劑可以是乳酸、檸檬酸鈉、丙酸、蘋果酸、丁二酸等中的一種或多種的組合，且其組分的配比可為任意配比。
實施例4用本發明的鎳磷化學鍍液配方處理微機械用N型單面拋光單晶矽片。該圓片的直徑為3英寸，晶向110，摻雜砷，電導率0.002歐姆·釐米。化學鍍液的成分及化學鍍沉積工藝如下鎳磷化學鍍液的成分主要有硫酸鎳，次磷酸鈉，醋酸鈉，檸檬酸鈉和水。硫酸鎳與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與硫酸鎳的摩爾比為0.20-1.50∶1，檸檬酸鈉與硫酸鎳摩爾比為0.15-1.50∶1。水與硫酸鎳的摩爾比為300-600∶1。
成分 濃度(Mol/L)硫酸鎳 0.05～0.2次磷酸鈉 0.1～0.5醋酸鈉 0.05～0.15檸檬酸鈉 0.01～0.5
化學鍍層製備工藝1.按比例配置好化學鍍液，放置在化學鍍槽中。
2.對矽片表面進行脫脂、除油、除灰和除氧等前處理。
3.在樣品上濺射厚度30nm的金屬鎳襯底。
4.在樣品上光刻出預定圖形的光刻膠作為掩膜。
5.將矽片放入溫度維持在85±1℃的化學鍍液中，保溫15分鐘。
6.取出基片，清洗，放入特定的溶液中除膠，同時除去多餘的襯底。
7.取出矽片，清洗，乾燥，在氮氣氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時。即得到約0.5微米～1.2微米厚度的均質化學鍍鎳磷鍍層。
實施例5用本發明的鎳磷化學鍍液配方處理微機械用N型單面拋光單晶矽片。該圓片的直徑為3英寸，晶向110，摻雜砷，電導率0.002歐姆·釐米。化學鍍液的成分及化學鍍沉積工藝如下鎳磷化學鍍液的成分主要有氯化鎳，次磷酸鈉，醋酸，檸檬酸，丁二酸和水。可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與氯化鎳的摩爾比為0.20-1.50∶1，添加劑與氯化鎳摩爾比為0.15-1.50∶1。水與氯化鎳的摩爾比為300-600∶1。
成分濃度(Mol/L)氯化鎳 0.05～0.2次磷酸鈉0.1～0.5醋酸鈉 0.05～0.15檸檬酸 0.01～0.5丁二酸 0.01～0.2化學鍍層製備工藝1.比例配置好化學鍍液，放置在化學鍍槽中。
2.對矽片表面進行脫脂、除油、除灰和除氧等前處理。
3.在樣品上濺射厚度10nm的金屬鎳襯底。
4.在樣品上光刻出預定圖形的光刻膠作為掩膜。
5.將矽片放入溫度維持在88±1℃的化學鍍液中，保溫10分鐘。
6.取出基片，清洗，放入特定的溶液中除膠，同時除去多餘的襯底。
7.取出矽片，清洗，乾燥，在氮氣氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時。即得到約0.5微米～0.8微米厚度的均質化學鍍鎳磷鍍層。
權利要求
1.一種用於微機械材料表面處理的鎳磷化學鍍方法，其特徵在於包括第一步在潔淨處理後的微機械材料基體的表面上磁控濺射一層10-100nm鎳襯底，然後塗膠並按預先設定的形狀光刻，第二步使微機械材料基體的表面處於75℃-95℃的鎳磷化學鍍溶液中，並保溫10-90分鐘，發生氧化還原反應，使鎳磷鍍層沉積於微機械材料基體的光刻後的表面上，第三步取出基體，並對其清洗、乾燥，放入除膠液中除去膠，在保護氣氛中100℃-550℃條件下保溫0.5-2小時，可得到位於光刻位置的0.5微米-5微米厚度的均質鎳磷鍍層。
2.一種根據權利要求1所述的鎳磷化學鍍方法的鎳磷化學鍍溶液，其特徵在於包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25-1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20-1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300-600∶1。
3.根據權利要求2所述的鎳磷化學鍍方法的鎳磷化學鍍溶液，其特徵在於包括添加劑，該添加劑至少包括一種有機酸CxHyOz·nH2O或其鈉鹽，該添加劑與可溶性鎳鹽摩爾比為0.15-1.50∶1，其中1＜x＜7，2＜y＜10，1＜z＜9。
全文摘要
本發明公開了一種用於微機械材料表面處理的鎳磷化學鍍溶液，包括可溶性鎳鹽，次磷酸鈉，醋酸鈉和水，可溶性鎳鹽與次磷酸鈉的摩爾比為0.25－1.20∶1，醋酸鈉與可溶性鎳鹽的摩爾比為0.20－1.50∶1，水和可溶性鎳鹽的摩爾比為300－600∶1。本發明還公開了一種利用鎳磷化學鍍溶液對微機械材料表面進行處理的化學鍍方法，包括在潔淨處理後的待處理表面上濺射一層鎳襯底，塗膠並按預先設定的形狀光刻，然後使微機械材料基體處於鎳磷化學鍍溶液中，並保溫發生氧化還原反應，最後取出基體，並對其清洗、乾燥，放入除膠液中除去膠，在保護氣氛中保溫，即得到均質鎳磷鍍層。鍍層厚度可在亞微米－亞毫米級變化，鍍層均勻，形狀可控。
文檔編號C23C18/36GK1609271SQ200410064679
公開日2005年4月27日 申請日期2004年9月20日 優先權日2004年9月20日
發明者蔣建清, 於金, 楊長勇, 張旭海 申請人:東南大學