CN101913052A - 铝表面微凹槽制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的一种铝表面微凹槽制备方法，属于机械制备技术领域。本发明通过光刻和湿法刻蚀制备硅微结构，通过硅微结构压印铝表面获得微凹槽，从而实现铝表面微凹槽的可控制备。光刻刻蚀可以控制硅微结构的形状和周期，具有很好的精度，并可批量制备硅微结构，从而大大提高效率，因此克服了现有方法不可控或精度低、效率低的不足。该方法可用于船舶及水下航行器减阻。

Description

铝表面微凹槽制备方法

技术领域：

本发明涉及一种铝表面微凹槽制备方法，属于机械制备技术领域。

背景技术：

船舶及水下航行器减阻技术一直备受关注。现有研究表明，通过在船舶及水下航行器表面制作微米尺度的微凹槽，是减少航行阻力的有效途径。微凹槽的形状、周期是影响减阻性能的重要因素。铝表面是船舶及水下航行器的典型表面，在铝表面可控制备微凹槽是船舶及水下航行器减阻的关键技术。

目前在铝表面制备微凹槽主要包括电化学方法、位错腐蚀法、机械加工法等。K.Tsujii等提出电化学方法，通过电化学阳极氧化，对铝片表面进行粗糙处理，得到具有分形结构的粗糙表面，然后再用不同类型的氟硅烷修饰这种表面，获得微凹槽，达到减阻效果(K.Tsujii，T.Yamamoto，T.Onda，S.Shibuichi.Super Water and Oil-Repellent Surfaces Resulting from Fractal Structure.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1997，36(9)：1011-1012)。郝秀清等提出位错腐蚀法，制备过程主要包括化学刻蚀和表面氟化，具体过程是将加工好的铝板浸入配制好的试剂中在室温下反应15秒，超声清洗5分钟，将清洗后的铝板放入制备好的氟硅烷溶胶中室温下浸泡1小时，然后在电热恒温鼓风干燥箱中130℃下烘烤1小时，从而获得微凹槽。(郝秀清，王莉，丁玉成，叶广辉，何仲赟，卢秉恒.超疏水表面的减阻研究.润滑与密封.2009，9，：25-28)。任露泉等提出机械加工法，通过数控机床、铣床等在铝表面直接机械加工，然后进行抛光处理来制备微凹槽。(任露泉，张成春，田丽梅.仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究.吉林大学学报(工学版)。2005，35(4)：431-436)。

以上方法的不足是：电化学方法和位错腐蚀法制备微凹槽形状、周期不可控；机械加工方法制备微凹槽形状、周期可控，但加工精度和效率低。

发明内容：

为克服已有铝表面微凹槽制备方法不可控和精度、效率低的不足，本发明提出一种新的铝表面微凹槽的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种铝表面微凹槽的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：设计制作掩模。

步骤二：选用<100>晶向，单面抛光的硅片，并清洗硅片。

步骤三：在硅片上沉积氮化硅或者二氧化硅牺牲层，作为微结构湿法刻蚀掩模层；涂覆光刻胶，作为光刻图形转移层。

步骤四：光刻，曝光，显影，将掩模上的图形转移到光刻胶上。

步骤五：将硅片放入牺牲层刻蚀液中，刻蚀掉暴露的牺牲层，使图形转移到牺牲层上。

步骤六：将硅片放入刻蚀液中进行刻蚀。

步骤七：清洗残余牺牲层和光刻胶，获得具有不同形状和周期的硅微结构。

步骤八：在硅微结构上溅射银膜或铬膜，以提高微凹槽的强度和硬度。

步骤九：将硅微结构朝下，置于铝表面上，在硅微结构上施加120N-500N的压力，在铝表面形成微凹槽。可以通过放置砝码施加压力，也可以通过机械装置如万能试验机施加压力。

本发明的优点是：通过光刻刻蚀制备硅微结构，通过硅微结构压印铝表面，从而实现铝表面微凹槽的可控制备；光刻刻蚀可以控制硅微结构的形状和周期，具有很好的精度，并可批量制备硅微结构，从而大大提高效率，因此克服了现有方法不可控或精度低、效率低的不足。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1是实施例一制备硅微结构的掩模图形示意图；

图2是实施例一制备硅微结构的流程示意图；

图3是实施例一制备出的硅微结构三维示意图；

图4是实施例一制备出的铝表面微凹槽三维示意图；

图5是实施例二制备硅微结构的掩模图形示意图；

图6是实施例二制备硅微结构的流程示意图；

图7是实施例二制备出的硅微结构三维示意图；

图8是实施例二制备出的铝表面微凹槽三维示意图。

具体实施方式：

实施例一：

第一种铝表面微凹槽制备方法，包括以下步骤：

步骤一：设计掩模图形，通过电子束光刻制作掩模。设计掩膜图形为120×120μm的黑色正方形，排成6×2的阵列，为了保证掩膜之间不相互干扰，设计两个正方形之间相邻边间隔200μm。考虑到光刻机的有效曝光面积，光刻图形基本排列在50×50mm的范围内。设计掩模图形如图1所示。

步骤二：选用<100>晶向、单面抛光的硅片。清洗硅片，在体积比为4∶1，质量百分比浓度分别为98％的浓硫酸和30％的过氧化氢溶液的混合溶液中120℃温度下沸煮30分钟；然后在75℃放在体积比为1∶1∶5，质量百分比浓度分别为28％的氨水、30％的过氧化氢以及水配成的碱性过氧化氢溶液中浸泡10分钟；然后在75℃放在体积比为1∶1∶5，质量百分比浓度分别为36％的盐酸、30％的过氧化氢以及水配成的酸性过氧化氢溶液中浸泡10分钟，最后用去离子水将硅片冲洗干净并烘干。清洗后的硅片如图2(a)所示。

步骤三：采用低压化学气相沉积技术在硅片沉积一层厚度为1μm的氮化硅，作为微结构湿法刻蚀掩模层；旋涂厚度为1μm的光刻胶，作为光刻图形转移层。如图2(b)所示。

步骤四：光刻，曝光20秒，显影，将掩模上的图形转移到光刻胶上，如图2(c)所示。

步骤五：在160℃将硅片放入质量百分比浓度为85％的磷酸溶液，该溶液的溶剂为去离子水，刻蚀掉暴露的氮化硅，使图形转移到氮化硅层上，如图2(d)所示。

步骤六：将硅片放入质量百分比浓度为30％的氢氧化钾溶液中，刻蚀150分钟。如图2(e)所示。

步骤七：清洗残余氮化硅和光刻胶，获得相应的硅微结构，如图2(f)所示。该硅微结构三维示意图如图3所示。

步骤八：在硅微结构上磁控溅射200nm厚的银膜，以提高微结构的强度和硬度。如图2(g)所示。

步骤九：将硅微结构朝下，置于铝表面上，通过万能试验机施加压力，在硅微结构上施加500N的压力，在铝表面形成微凹槽。该铝表面微凹槽三维示意图参阅图4。

实施例二：

第二种铝表面微凹槽制备方法，包括以下步骤：

步骤一：设计掩模图形，通过电子束光刻制作掩模。设计掩膜图形为直径为150μm的黑色圆形，排成4×4的阵列，为了保证掩膜之间不相互干扰，设计两个圆点之间相邻边间隔200μm。考虑到光刻机的有效曝光面积，光刻图形基本排列在50×50mm的范围内。设计掩模图形如图5所示。

步骤二：选用<100>晶向、单面抛光的硅片。清洗硅片。清洗后的硅片如图6(a)所示。

步骤三：将硅片放在1150℃的氧化炉中下生长一层厚度为2μm的二氧化硅，作为微结构湿法刻蚀掩模层；旋涂厚度为1.2μm的光刻胶，作为光刻图形转移层；如图6(b)所示。

步骤四：光刻，曝光15秒，显影，将掩模版上的图形转移到光刻胶上，如图6(c)所示。

步骤五：将硅片放入体积比为1∶5，质量百分比浓度为40％的氢氟酸与水的二氧化硅刻蚀液中，恒温45℃浸泡12分钟，刻蚀掉暴露的二氧化硅，使图形转移到二氧化硅层上，如图6(d)所示。

步骤六：将硅片放入体积比为3∶9∶4，质量百分比浓度分别为40％的氢氟酸，68％的硝酸，20％的醋酸的混合溶液中刻蚀30分钟，如图6(e)所示。

步骤七：清洗残余二氧化硅和光刻胶，光刻胶采用丙酮和酒精反复清洗，二氧化硅用体积比为1∶5，质量百分比浓度为40％的氢氟酸与水的刻蚀液去除，获得本实施例的硅微结构，如图6(f)所示。该硅微结构三维示意图如图7所示。

步骤八：在硅微结构上磁控溅射100nm厚的铬膜，以提高微结构的强度和硬度。如图6(g)所示。

步骤九：将硅微结构朝下，置于铝表面上，通过放置砝码施加压力，在硅微结构上施加120N的压力，在铝表面形成微凹槽。该铝表面微凹槽三维示意图参阅图8。

Claims (4)

1.一种铝表面微凹槽的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：设计制作掩模；

步骤二：选用<100>晶向，单面抛光的硅片，并清洗硅片；

步骤三：在硅片上沉积氮化硅或者二氧化硅牺牲层，作为微结构湿法刻蚀掩模层；涂覆光刻胶，作为光刻图形转移层；

步骤四：光刻，曝光，显影，将掩模上的图形转移到光刻胶上；

步骤五：将硅片放入牺牲层刻蚀液中，刻蚀掉暴露的牺牲层，使图形转移到牺牲层上；

步骤六：将硅片放入刻蚀液中进行刻蚀；

步骤七：清洗残余牺牲层和光刻胶，获得具有不同形状和周期的硅微结构；

步骤八：在硅微结构上溅射银膜或铬膜；

步骤九：将硅微结构朝下，置于铝表面上，在硅微结构上施加120N-500N的压力，在铝表面形成微凹槽。

2.一种如权利要求1所述的铝表面微凹槽的制备方法，其特征在于，所述步骤九中，在硅微结构上施加压力的方法为通过放置砝码施加压力。

3.一种如权利要求1所述的铝表面微凹槽的制备方法，其特征在于，所述步骤九中，在硅微结构上施加压力的方法为通过机械装置施加压力。

4.一种如权利要求3所述的铝表面微凹槽的制备方法，其特征在于，所述步骤九中，所述施加压力的机械装置为万能试验机。

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