專利名稱：鋁表面微凹槽制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁表面微凹槽制備方法，屬于機械制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
船舶及水下航行器減阻技術(shù)一直備受關(guān)注?，F(xiàn)有研究表明，通過在船舶及水下航 行器表面制作微米尺度的微凹槽，是減少航行阻力的有效途徑。微凹槽的形狀、周期是影響 減阻性能的重要因素。鋁表面是船舶及水下航行器的典型表面，在鋁表面可控制備微凹槽 是船舶及水下航行器減阻的關(guān)鍵技術(shù)。目前在鋁表面制備微凹槽主要包括電化學方法、位錯腐蝕法、機械加工法等。 K. Tsujii等提出電化學方法，通過電化學陽極氧化，對鋁片表面進行粗糙處理，得到具有 分形結(jié)構(gòu)的粗糙表面，然后再用不同類型的氟硅烷修飾這種表面，獲得微凹槽，達到減阻 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)。郝秀清等提出位錯腐蝕法，制備過程主要包括化學刻蝕和表面氟化，具體過程 是將加工好的鋁板浸入配制好的試劑中在室溫下反應15秒，超聲清洗5分鐘，將清洗后的 鋁板放入制備好的氟硅烷溶膠中室溫下浸泡1小時，然后在電熱恒溫鼓風干燥箱中130°C 下烘烤1小時，從而獲得微凹槽。(郝秀清，王莉，丁玉成，葉廣輝，何仲贊，盧秉恒.超疏水 表面的減阻研究.潤滑與密封.2009，9，25-28)。任露泉等提出機械加工法，通過數(shù)控機 床、銑床等在鋁表面直接機械加工，然后進行拋光處理來制備微凹槽。(任露泉，張成春，田 麗梅.仿生非光滑用于旋成體減阻的試驗研究.吉林大學學報(工學版)。2005,35(4) 431-436)。以上方法的不足是電化學方法和位錯腐蝕法制備微凹槽形狀、周期不可控；機 械加工方法制備微凹槽形狀、周期可控，但加工精度和效率低。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有鋁表面微凹槽制備方法不可控和精度、效率低的不足，本發(fā)明提出一 種新的鋁表面微凹槽的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種鋁表面微凹槽的制備方法，具體包括以下步驟步驟一設計制作掩模。步驟二 選用<100>晶向，單面拋光的硅片，并清洗硅片。步驟三在硅片上沉積氮化硅或者二氧化硅犧牲層，作為微結(jié)構(gòu)濕法刻蝕掩模層； 涂覆光刻膠，作為光刻圖形轉(zhuǎn)移層。步驟四光刻，曝光，顯影，將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。步驟五將硅片放入犧牲層刻蝕液中，刻蝕掉暴露的犧牲層，使圖形轉(zhuǎn)移到犧牲層 上。
步驟六將硅片放入刻蝕液中進行刻蝕。步驟七清洗殘余犧牲層和光刻膠，獲得具有不同形狀和周期的硅微結(jié)構(gòu)。步驟八在硅微結(jié)構(gòu)上濺射銀膜或鉻膜，以提高微凹槽的強度和硬度。步驟九將硅微結(jié)構(gòu)朝下，置于鋁表面上，在硅微結(jié)構(gòu)上施加120N-500N的壓力， 在鋁表面形成微凹槽?？梢酝ㄟ^放置砝碼施加壓力，也可以通過機械裝置如萬能試驗機施 加壓力。本發(fā)明的優(yōu)點是通過光刻刻蝕制備硅微結(jié)構(gòu)，通過硅微結(jié)構(gòu)壓印鋁表面，從而實 現(xiàn)鋁表面微凹槽的可控制備；光刻刻蝕可以控制硅微結(jié)構(gòu)的形狀和周期，具有很好的精度， 并可批量制備硅微結(jié)構(gòu)，從而大大提高效率，因此克服了現(xiàn)有方法不可控或精度低、效率低 的不足。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是實施例一制備硅微結(jié)構(gòu)的掩模圖形示意圖；圖2是實施例一制備硅微結(jié)構(gòu)的流程示意圖；圖3是實施例一制備出的硅微結(jié)構(gòu)三維示意圖；圖4是實施例一制備出的鋁表面微凹槽三維示意圖；圖5是實施例二制備硅微結(jié)構(gòu)的掩模圖形示意圖；圖6是實施例二制備硅微結(jié)構(gòu)的流程示意圖；圖7是實施例二制備出的硅微結(jié)構(gòu)三維示意圖；圖8是實施例二制備出的鋁表面微凹槽三維示意圖。
具體實施例方式實施例一第一種鋁表面微凹槽制備方法，包括以下步驟步驟一設計掩模圖形，通過電子束光刻制作掩模。設計掩膜圖形為120Χ120μπι 的黑色正方形，排成6X2的陣列，為了保證掩膜之間不相互干擾，設計兩個正方形之間相 鄰邊間隔200 μ m?？紤]到光刻機的有效曝光面積，光刻圖形基本排列在50X50mm的范圍 內(nèi)。設計掩模圖形如圖1所示。步驟二 選用<100>晶向、單面拋光的硅片。清洗硅片，在體積比為4 1，質(zhì)量 百分比濃度分別為98%的濃硫酸和30%的過氧化氫溶液的混合溶液中120°C溫度下沸煮 30分鐘；然后在75°C放在體積比為1 1 5，質(zhì)量百分比濃度分別為28%的氨水、30% 的過氧化氫以及水配成的堿性過氧化氫溶液中浸泡10分鐘；然后在75°C放在體積比為 1:1: 5，質(zhì)量百分比濃度分別為36%的鹽酸、30%的過氧化氫以及水配成的酸性過氧化 氫溶液中浸泡10分鐘，最后用去離子水將硅片沖洗干凈并烘干。清洗后的硅片如圖2(a) 所示。步驟三采用低壓化學氣相沉積技術(shù)在硅片沉積一層厚度為Iym的氮化硅，作為 微結(jié)構(gòu)濕法刻蝕掩模層；旋涂厚度為Iym的光刻膠，作為光刻圖形轉(zhuǎn)移層。如圖2(b)所
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步驟四光刻，曝光20秒，顯影，將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，如圖2(c)所示。步驟五在160°C將硅片放入質(zhì)量百分比濃度為85%的磷酸溶液，該溶液的溶劑 為去離子水，刻蝕掉暴露的氮化硅，使圖形轉(zhuǎn)移到氮化硅層上，如圖2(d)所示。步驟六將硅片放入質(zhì)量百分比濃度為30%的氫氧化鉀溶液中，刻蝕150分鐘。如 圖2(e)所示。步驟七清洗殘余氮化硅和光刻膠，獲得相應的硅微結(jié)構(gòu)，如圖2 (f)所示。該硅微 結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖3所示。步驟八在硅微結(jié)構(gòu)上磁控濺射200nm厚的銀膜，以提高微結(jié)構(gòu)的強度和硬度。如 圖2(g)所示。步驟九將硅微結(jié)構(gòu)朝下，置于鋁表面上，通過萬能試驗機施加壓力，在硅微結(jié)構(gòu) 上施加500N的壓力，在鋁表面形成微凹槽。該鋁表面微凹槽三維示意圖參閱圖4。實施例二 第二種鋁表面微凹槽制備方法，包括以下步驟步驟一設計掩模圖形，通過電子束光刻制作掩模。設計掩膜圖形為直徑為 150 μ m的黑色圓形，排成4X4的陣列，為了保證掩膜之間不相互干擾，設計兩個圓點之間 相鄰邊間隔200 μ m?？紤]到光刻機的有效曝光面積，光刻圖形基本排列在50X 50mm的范圍 內(nèi)。設計掩模圖形如圖5所示。步驟二 選用<100>晶向、單面拋光的硅片。清洗硅片。清洗后的硅片如圖6(a) 所示。步驟三將硅片放在1150°C的氧化爐中下生長一層厚度為2μπι的二氧化硅，作為 微結(jié)構(gòu)濕法刻蝕掩模層；旋涂厚度為1.2μπι的光刻膠，作為光刻圖形轉(zhuǎn)移層；如圖6(b)所
7J\ ο步驟四光刻，曝光15秒，顯影，將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，如圖6(c)所
7J\ ο步驟五將硅片放入體積比為1 5，質(zhì)量百分比濃度為40%的氫氟酸與水的二氧 化硅刻蝕液中，恒溫45°C浸泡12分鐘，刻蝕掉暴露的二氧化硅，使圖形轉(zhuǎn)移到二氧化硅層 上，如圖6(d)所示。步驟六將硅片放入體積比為3 9 4，質(zhì)量百分比濃度分別為40%的氫氟酸， 68%的硝酸，20%的醋酸的混合溶液中刻蝕30分鐘，如圖6 (e)所示。步驟七清洗殘余二氧化硅和光刻膠，光刻膠采用丙酮和酒精反復清洗，二氧化硅 用體積比為1 5，質(zhì)量百分比濃度為40%的氫氟酸與水的刻蝕液去除，獲得本實施例的硅 微結(jié)構(gòu)，如圖6(f)所示。該硅微結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖7所示。步驟八在硅微結(jié)構(gòu)上磁控濺射IOOnm厚的鉻膜，以提高微結(jié)構(gòu)的強度和硬度。如 圖6(g)所示。步驟九將硅微結(jié)構(gòu)朝下，置于鋁表面上，通過放置砝碼施加壓力，在硅微結(jié)構(gòu)上 施加120N的壓力，在鋁表面形成微凹槽。該鋁表面微凹槽三維示意圖參閱圖8。
權(quán)利要求
一種鋁表面微凹槽的制備方法，其特征在于包括以下步驟步驟一設計制作掩模；步驟二選用<100>晶向，單面拋光的硅片，并清洗硅片；步驟三在硅片上沉積氮化硅或者二氧化硅犧牲層，作為微結(jié)構(gòu)濕法刻蝕掩模層；涂覆光刻膠，作為光刻圖形轉(zhuǎn)移層；步驟四光刻，曝光，顯影，將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；步驟五將硅片放入犧牲層刻蝕液中，刻蝕掉暴露的犧牲層，使圖形轉(zhuǎn)移到犧牲層上；步驟六將硅片放入刻蝕液中進行刻蝕；步驟七清洗殘余犧牲層和光刻膠，獲得具有不同形狀和周期的硅微結(jié)構(gòu)；步驟八在硅微結(jié)構(gòu)上濺射銀膜或鉻膜；步驟九將硅微結(jié)構(gòu)朝下，置于鋁表面上，在硅微結(jié)構(gòu)上施加120N 500N的壓力，在鋁表面形成微凹槽。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鋁表面微凹槽的制備方法，其特征在于，所述步驟九中，在 硅微結(jié)構(gòu)上施加壓力的方法為通過放置砝碼施加壓力。
3.—種如權(quán)利要求1所述的鋁表面微凹槽的制備方法，其特征在于，所述步驟九中，在 硅微結(jié)構(gòu)上施加壓力的方法為通過機械裝置施加壓力。
4.一種如權(quán)利要求3所述的鋁表面微凹槽的制備方法，其特征在于，所述步驟九中，所 述施加壓力的機械裝置為萬能試驗機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的一種鋁表面微凹槽制備方法，屬于機械制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過光刻和濕法刻蝕制備硅微結(jié)構(gòu)，通過硅微結(jié)構(gòu)壓印鋁表面獲得微凹槽，從而實現(xiàn)鋁表面微凹槽的可控制備。光刻刻蝕可以控制硅微結(jié)構(gòu)的形狀和周期，具有很好的精度，并可批量制備硅微結(jié)構(gòu)，從而大大提高效率，因此克服了現(xiàn)有方法不可控或精度低、效率低的不足。該方法可用于船舶及水下航行器減阻。
文檔編號C23F1/02GK101913052SQ20101022185
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者喬大勇, 任森, 何洋, 劉振亞, 姜澄宇, 田夢君, 苑偉政, 陳俊 申請人:西北工業(yè)大學