铝表面微凹槽制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于机械制备

技术介绍
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°C 下烘烤1小时，从而获得微凹槽。(郝秀清，王莉，丁玉成，叶广辉，何仲赞，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。
技术实现思路
为克服已有不可控和精度、效率低的不足，本专利技术提出一 种新的铝表面微凹槽的制备方法。本专利技术的技术方案是—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。本专利技术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专利技术进一步说明。 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。具体实施例方式实施例一第一种，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120Χ120μπι 的黑色正方形，排成6X2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200 μ m。考虑到光刻机的有效曝光面积，光刻图形基本排列在50X50mm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°C温度下沸煮 30分钟；然后在75°C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°C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Iym的氮化硅，作为 微结构湿法刻蚀掩模层；旋涂厚度为Iym的光刻胶，作为光刻图形转移层。如图2(b)所7J\ ο4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°C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，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 150 μ m的黑色圆形，排成4X4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200 μ m。考虑到光刻机的有效曝光面积，光刻图形基本排列在50X 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°C的氧化炉中下生长一层厚度为2μπι的二氧化硅，作为 微结构湿法刻蚀掩模层；旋涂厚度为1.2μπι的光刻胶，作为光刻图形转移层；如图6(b)所7J\ ο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7J\ ο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°C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。步骤八在硅微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何洋，刘振亚，任森，陈俊，田梦君，乔大勇，苑伟政，姜澄宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]