回轉體表面微溝槽陣列化學刻蝕加工＊

杜立群，張 希，肖海濤，于 洋，王勝羿，關發龍

（1.大連理工大學，精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024；2.大連理工大學，遼寧省微納米及系統重點實驗室，遼寧大連116024）

1 引言

表面微結構是物體表面的微小幾何結構，具有幾何特征與排列方式高度規則的特點，并由此使元器件表現出特殊的物理與化學性能[1]。目前表面微結構主要包括微溝槽、微通道和微凹坑等。其中，表面微溝槽在耐磨減摩、熱能交換、改善潤滑等方面具有良好的效果，已經應用于微型熱交換器、反應堆及冷卻器等裝置[2]。表面具有微溝槽結構的回轉體可作為壓輥模具應用于滾動壓印工藝，實現微結構的快速復制，也可應用于耐磨減摩及編碼輪制造等諸多方面[3～4]。

近年來，隨著回轉體表面微溝槽應用的日益增加，對回轉體表面微溝槽加工方法的研究備受關注。常見的加工方法包括無掩膜加工和掩膜加工，無掩膜加工方法包括電子束直寫技術、電射流加工技術和超精密機械加工技術等。Taniguchi J等通過電子束直寫技術在真空中旋轉的圓柱基底上制成了三維無縫輥模[5]，此方法雖然精度較高，但是需要電子束和旋轉裝置精確配合，操作復雜，成本高。W. Natsu等使用電射流加工方法在圓柱表面加工出了微溝槽圖案[6]，此方法可在復雜型面上加工各種微結構，但是加工效率低，且噴嘴內徑一般在100μm以上，100μm以下微小結構的加工受到了限制。范占斌建立了圓柱面微結構陣列車削加工實驗系統[7]，可對各種規則與不規則的曲面進行加工。但超精密機械加工系統成本昂貴，加工時間長，加工的結構尺寸受刀具限制，且存在刀具磨損、加工過程中容易產生毛刺等問題，表面質量較差。

掩膜加工方法主要包括電鑄加工、電解加工和化學刻蝕加工等。張瓊通過電鑄加工方法在圓柱表面加工出了鎳微溝槽[8]，溝槽線寬相對誤差較大，約為10%～40%。此方法加工速度慢，當電鑄總面積較大時會導致結構尺寸均勻性差。蔡偉偉采用電解加工方法在不銹鋼圓柱體外表面加工出了“人”字溝槽[9]，但溝槽存在明顯的側蝕現象，線寬相對誤差約為30%。電解刻蝕一般需要制備相應的象形陰極，加工速度較快，對于淺溝槽的加工來說不易控制，并且結構尺寸均勻性較差。Jiang 等通過化學刻蝕方法在銅圓柱面加工出平均線寬為229.3μm 的微溝槽陣列[10]，線寬相對誤差約為14.5%，此方法裝置簡單，成本低，均勻性好，加工速度較易控制。但是現有的化學刻蝕加工出的微溝槽線寬較大，且存在較大的側蝕問題，尺寸精度偏低。

本文采用成本低、易操作、均勻性好的化學刻蝕方法，基于干膜光刻技術在304不銹鋼回轉體側表面加工微溝槽陣列。為了減小側蝕量、提高加工精度，本文提出了一種通過優選刻蝕液成分及刻蝕溫度等參數并添加刻蝕后拋光工藝步驟的方法。結果表明，此方法有效地提高了微溝槽的尺寸精度，制得了平均線寬約60 μ m 的微溝槽陣列，且溝槽線寬相對誤差低至1.55%。

2 加工原理

化學刻蝕是利用溶液與預刻蝕材料之間的化學反應來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分從而達到刻蝕的目的。對于304不銹鋼材質，本文采用添加少許鹽酸的FeCl3刻蝕液。

3 平面刻蝕基礎實驗

回轉體表面微溝槽加工的主要工藝包括光刻和刻蝕。在回轉體表面刻蝕前，需要優選光刻和刻蝕的關鍵工藝參數：曝光時間、刻蝕液成分含量（包括FeCl3濃度、HCl含量）和刻蝕溫度等。

相較于回轉體表面的加工工藝，平面工藝更為成熟、更易操作且成本低，因此通過平面刻蝕基礎實驗進行回轉體表面加工參數的優選。

3.1 曝光時間優選

制作刻蝕用膠母膜的材料主要有液態光刻膠和感光干膜。使用液態光刻膠在平面基底上制作膠母膜時，可以獲得不同厚度且厚度較均勻的膠膜，此方法具有高效性、低污染等優點。但對于回轉體零件，若使用液態光刻膠，常采用浸漬提拉法進行涂膠。涂膠時需要將基底從盛滿光刻膠的容器中提拉出來，因此耗費光刻膠較多，光刻膠溶液容易被污染，影響光刻膠溶液性質的穩定，且膠層厚度不均勻[8]。相比之下，本文采用感光干膜制作刻蝕用膠母膜，干膜具有厚度均勻性好、成本低等優點，過程操作簡單，省去了勻膠、前烘、后烘等工藝步驟，周期短，節約時間。

實驗使用的感光干膜為杜邦公司生產的感光膠層厚度為15μm的ST915型干膜。曝光劑量是制作刻蝕用膠母膜的一個重要參數，不同厚度的干膜曝光劑量不同，曝光劑量由曝光光強和曝光時間共同決定。

為獲得線寬60μm 的刻蝕用膠母膜，使用具有線寬60μm微溝槽陣列的菲林版作為掩膜版。光源采用365nm波長的紫外光，曝光光強為3.0mW/cm2，曝光時間分別取12s、15s、17s和20s，顯影時間為50s。工具顯微鏡拍攝的不同曝光時間的掩膜微溝槽如圖1所示。

本文使用Image Pro Plus軟件對工具顯微鏡在每個曝光時間下拍攝的4張不同位置的掩膜微溝槽照片進行底部線寬的測量，每張照片測量6個不同位置的線寬值。每個曝光時間下的24個線寬值取平均值即為該曝光時間下的底部線寬測量結果。掩膜微溝槽的平均底部線寬隨時間變化如圖2所示。

圖1 不同曝光時間的顯影效果圖

圖2 微溝槽平均底部線寬隨時間變化圖

由圖2可見，隨著曝光時間的增加，掩膜微溝槽的平均底部線寬減小。當曝光時間為20s，即曝光劑量為60mJ/cm2時，溝槽平均底部線寬為59.9μm，最接近預設線寬60μm，因此曝光劑量取為60mJ/cm2。

3.2 刻蝕參數優選

刻蝕材料選用長30mm、寬20mm的304不銹鋼基板，研究了刻蝕液成分含量（包括FeCl3濃度、HCl 含量）和刻蝕溫度對化學刻蝕加工的微溝槽單邊側蝕量的影響并優選合適的刻蝕參數。

（1）化學刻蝕裝置。本文采用操作簡單的浸泡腐蝕方法，裝置示意圖如圖3所示。本裝置主要包括水浴加熱槽、刻蝕槽、磁力攪拌和工件夾持裝置等，其中，水浴加熱槽可以控制刻蝕反應的溫度，磁力攪拌可以促進刻蝕液的循環流動。

（2）FeCl3濃度優選。取HCl 含量為1%，溫度為30℃，刻蝕時間為2min30s，FeCl3濃度分別取30%、40%、50%和60%，圖4顯示了不同FeCl3濃度條件下的微溝槽單邊側蝕量。

圖3 化學刻蝕裝置示意圖

圖4 不同FeCl3濃度條件下的單邊側蝕量

由圖4 可見，隨著FeCl3濃度的增大，微溝槽的單邊側蝕量逐漸減小。這是由于Fe3+濃度越高，越易生成Fe2+、Ni2+、Cr3+等金屬離子，進而在溝槽側表面生成金屬氧化膜，阻礙化學反應的側向進行。為使微溝槽側蝕量較小，FeCl3濃度優選60%。

（3）HCl含量優選。取FeCl3濃度為40%，刻蝕時間為2min30s，對HCl含量和溫度各取4個不同的參數值采用控制變量法進行實驗。其中，HCl含量分別取0、0.5%、1%和1.5%，溫度分別取25℃、30℃、40℃和50℃。不同HCl含量條件下的單邊側蝕量變化如圖5所示。

圖5 不同HCl含量條件下的單邊側蝕量

由圖5可見，除HCl含量為0、溫度為25℃條件下刻蝕能力非常低導致單邊側蝕量小之外，其他條件下單邊側蝕量都隨HCl含量的增加先減小后增大，在HCl含量為1%時側蝕量最小。這是由于當HCl含量少時，主要影響離子為H+，H+反應后生成H2，氣體依附于溝槽側表面阻礙側表面腐蝕反應的進行。但隨著HCl含量增加，Cl-濃度增加，此時主要影響離子為Cl-，Cl-會和溶液中的Fe2+、Ni2+、Cr3+等金屬離子迅速絡合形成可溶的絡合離子，進而防止金屬離子在材料的表面形成難溶的鈍化膜，消除了膜對反應的阻礙作用[11]，因此側蝕量增加，為使微溝槽側蝕量較小，HCl含量優選1%。

（4）刻蝕溫度優選。取FeCl3濃度為40%，刻蝕時間為2min30s，HCl含量分別取0、0.5%、1%和1.5%，溫度分別取25℃、30℃、40℃和50℃，不同溫度條件下的單邊側蝕量如圖6所示。

圖6 不同溫度條件下的單邊側蝕量

由圖6 可見，單邊側蝕量隨溫度的升高而增大。這是由于溫度升高會提高反應的活性，加快反應的進行，導致刻蝕速率增加，進而使得側蝕量增大。

由上述分析可知，為使側蝕量較小，溫度應選取25℃。但是觀察相同FeCl3濃度、相同HCl 含量、相同時間、不同溫度條件下的微溝槽刻蝕圖片（見圖7）發現，當溫度升高時，雖然側蝕量不斷增加，但是側蝕部分的顏色逐漸變淺。

圖7 不同溫度條件下的微溝槽刻蝕圖

對4種溫度條件下側蝕部分的深度及溝槽的深度進行測量，測量結果如表1所示，定義側蝕部分的深度與溝槽的深度之比為側蝕比。側蝕比越小，越容易通過拋光的方法去除側蝕部分。由表1可知，隨著溫度升高，側蝕部分的深度逐漸減小，溝槽的深度逐漸增大，側蝕比逐漸減小，因此，溫度越高，側蝕部分越容易去除。

表1 不同溫度條件下的側蝕深度及溝槽深度

對25℃和50℃條件下刻蝕后的微溝槽進行拋光，拋光后的微溝槽如圖8所示。可以發現，添加刻蝕后拋光步驟可以明顯地減小側蝕量，且50℃條件下刻蝕的微溝槽拋光后的側蝕量更小。

圖8 溫度為25℃和50℃時拋光后的微溝槽

綜上所述，最終優選的回轉體表面微溝槽陣列化學刻蝕工藝參數為：FeCl3濃度為60%，HCl 含量為1%，溫度為50℃，并添加刻蝕后拋光工藝步驟。

4 回轉體表面微溝槽加工

回轉體表面微溝槽加工工藝主要包括干膜光刻和化學刻蝕，總體加工工藝流程如圖9所示。

圖9 回轉體表面微溝槽加工工藝流程圖

4.1 光刻工藝

刻蝕材料選用直徑30mm、高30mm的304不銹鋼圓柱，感光干膜使用杜邦ST915型干膜。

常規的光刻工藝流程為覆膜、曝光、顯影，但是回轉體覆膜后曝光須采用旋轉曝光方式[9]。然而旋轉曝光易產生尺寸誤差，因此要求旋轉曝光裝置十分精準，裝置制作困難，成本高，操作相對復雜。本文采用先平面曝光再覆膜然后顯影的步驟，平面曝光可以減小尺寸誤差，裝置簡單，操作容易。制作刻蝕用膠母膜的工藝流程示意圖如圖10所示。

詳細步驟包括回轉體預處理、干膜平面曝光、覆膜、顯影和封蠟處理。

（1）回轉體預處理。為了防止回轉體表面質量差導致刻蝕后溝槽尺寸產生誤差，對回轉體表面進行研磨拋光，再用丙酮棉球擦拭，然后將其依次放入丙酮、乙醇溶液中各超聲清洗15 分鐘，去離子水沖洗，氮氣氣槍吹干。

（2）干膜平面曝光。將干膜鋪至PDMS 上以保證干膜平整，再將帶有預設線寬為60μm 微溝槽陣列圖案的掩膜版放在干膜上，使用SUSS 光刻機對干膜進行紫外曝光，曝光劑量為60mJ/cm2。

（3）覆膜。將曝光后的干膜靜置15 分鐘以上，在加壓加水的條件下對預熱后的回轉體進行滾動貼膜。

（4）顯影。將貼膜完畢的回轉體靜置一段時間后，浸入質量分數0.85%的NaCO3溶液內振蕩50s。

（5）密封處理。對不需要刻蝕的回轉體上下底面進行密封處理。

4.2 化學刻蝕

根據第3節的平面微溝槽刻蝕實驗，取FeCl3濃度為60%，HCl含量為1%，溫度為50℃，采用圖3所示的刻蝕裝置，對304不銹鋼回轉體進行刻蝕，刻蝕時間取為3min。

刻蝕后拋光前與拋光后的微溝槽如圖11所示，拋光前的微溝槽平均線寬為94.01μm，拋光后的微溝槽平均線寬為59.07μm，側蝕明顯消除。定義線寬相對誤差為最終獲得的微溝槽平均線寬與掩膜版上微溝槽線寬之間的相對誤差，則本文獲得的微溝槽線寬相對誤差為1.55%。

最終成型的回轉體表面微溝槽陣列照片如圖12所示，溝槽清晰，均勻性好。

圖10 刻蝕用膠母膜制作流程示意圖

圖11 拋光前后的微溝槽

圖12 回轉體表面微溝槽陣列圖

5 結論

（1）采用基于干膜的化學刻蝕加工技術在不銹鋼平面加工微溝槽陣列，分別研究了FeCl3濃度、HCl 含量、刻蝕溫度及刻蝕后拋光步驟對微溝槽側蝕量的影響。研究結果表明，取FeCl3濃度為60%、HCl 含量為1%、溫度為50℃，加以刻蝕后拋光步驟，可以獲得均勻性好、線寬小、側蝕量小的微溝槽陣列，且此方法成本低，操作容易。

（2）使用結論（1）中的方法在304不銹鋼回轉體側表面加工60μm 微溝槽陣列，最終得到的微溝槽線寬相對誤差低至1.55%。