氢氟酸和硝酸混合溶液蚀刻钛

第1节

氢氟酸首先应用在玻璃行业上生产无眩光的电视机显示管屏面，目前氢氟酸已经广泛应用于太阳能行业，及钛和钛记忆金属等行业中行之有效用的硅加工化学药剂。实际操作中，氢氟酸很少单独使用。它通常与另一种化学药剂混合，从而得到用于蚀刻或表面处理的化学溶液。氢氟酸和硝酸的混合溶液使用相当普遍，因此决定使用此方法来研究蚀刻钛的效果。

氢氟酸（HF）是蚀刻钛所需的主要化学药剂。蚀刻化学反应工程式显示为：

在用氢氟酸蚀刻钛的情况下会产生三氟化钛和氢气。虽然单独使用氢氟酸

也可以腐蚀钛，但单独使用会有一些缺点。首先，化学反应生成的氢气是

易燃易爆物，这可能会造成潜在的火灾危险。其次，氢氟酸容易挥发，需要定期添加化学物质使其稳定。第三，蚀刻速率相对较慢。最后，可能达不到希望的表面蚀刻抛光效果。为了抵消这些缺点，我们需要将硝酸添加到氢氟酸溶液中。

该反应显示为：

在这个化学反应种，钛的蚀刻产生了六氟钛酸，二氧化氮和水。使用这种混合溶液，氢氟酸趋于稳定，不会生产氢气，并且能加快蚀刻的速率。这个评估的目的是记录当用氢氟酸/硝酸混合溶液腐蚀钛时，不同化学浓度对产品的腐蚀速率和表面抛光效果的影响。由于干膜不适合使用氢氟酸，因此本次未对侧蚀进行评估。氟化物离子会渗透干膜的抗蚀膜并导致它失去粘合力。侧蚀会在今后必要的时候再做评估。

 

用于测试的材料为2级商业纯钛，厚度为0.020英寸（0.508毫米）和0.035英寸（0.889毫米），表面中度抛光。他的化学成分是：钛–98.9％，碳-0.08％，氧气- 0.25％，氮气- 0.03％，铁- 0.3％，以及氢–0.015％，密度为0.163每立方英寸，硬度洛氏B68至B80，屈伸强度为40,000psi/分。

钛在进行蚀刻前按以下方式制备，将钛原材剪成6“ x 6”的钛金属片，然后手工对钛金属片进行去油处理，把钛金属片浸入含磷酸清洁剂中清洗两分钟，漂洗并干燥，每张钛金属片取四个点用千分尺测量厚度并取平均值并做记录，然后将每张钛金属片的一侧遮盖上掩模，使这一侧不会与化学药剂接触，在每组化学浓度下蚀刻两张钛金属片。然后除去掩模，并再次四个取四个点测量所得厚度，并取平均值。然后将蚀刻掉的材料厚度除以蚀刻时间，得出以微米为单位的蚀刻速率或每分钟密耳值。

蚀刻溶液含氢氟酸（49％，比重 -1.18），硝酸（68％，比重 -1.41），和水。在测试过程中进行物料补充以调整和保持酸度浓度。蚀刻再Chemcut 设备模型2315中完成，此模型蚀刻腔槽中上下有四个喷管，平行于金属基片传送方向移动。喷管也垂直于移动方向振荡。每个喷管都包含四个80°全锥形喷嘴，在2.76 bar（40psi）的压力下喷洒速度为2.84 l / min（0.75 gal / min）。金属面板仅会在压力为2.07 bar（30psi）的上喷洒条件下进行蚀刻，振荡速率为每分钟30次喷扫，蚀刻温度温度为43.3°C（110°F）。蚀刻线的蚀刻腔槽的有效长度为21英寸（53.34厘米）。

以下小图是进行评估的氢氟酸和硝酸浓度。

下图显示了蚀刻前的平均厚度，蚀刻后的平均厚度，平均厚度的（材料）损耗，以及计算出来的3％氢氟酸溶液蚀刻速率。

3%氢氟酸浓度下和蚀刻速率的关系也可以用下图形表示。

 

下图显示了蚀刻前的平均厚度，蚀刻后的平均厚度，平均厚度的（材料）损耗，以及计算出来的5％氢氟酸蚀刻速率。

5%氢氟酸浓度下和蚀刻速率的关系也可以用以下图形表示。

下图显示了蚀刻前的平均厚度，蚀刻后的平均厚度，平均厚度的（材料）损耗，以及计算出来的10％氢氟酸蚀刻速率。

 

10%氢氟酸浓度下和蚀刻速率的关系也可以用以下图形表示。

 

下图显示了蚀刻率与蚀刻溶液浓度的对比关系。

如上图所示，随着硝酸浓度的增加，蚀刻率也随之增加。 没有硝酸的情况下，氢氟酸的蚀刻速率有相似变化。

 

达到10％的硝酸水平后，蚀刻速率的增加开始下降， 如下图所示。

下图显示高于百分之十硝酸蚀浓度和蚀刻速度的增加水平关系， 这个表适用于不同浓度的氢氟酸。

在测量蚀刻后的（钛）金属片时，可以注意到随着化学浓度的增加，测量结果显示出更多的不连贯变化性，每组测量数据的标准偏差可绘制下图。

 

 

可以看出，随着硝酸浓度的增加，蚀刻速度增加，表面化学反应变得更加不稳定且无法控制。

 

评估的第二部分是查验各种浓度的化学药剂是如何影响蚀刻件表面，以下照片显示了经过不同浓度氢氟酸和硝酸盐蚀刻后的表面的并排对比。

 

在没有硝酸的情况下，钛表面非常粗糙且呈结节状。 随着硝酸浓度增加，表面粗糙度降低，最终可以达到非常平整（反光）的表面。 下图显示了使用不同化学浓度的溶液和平均粗糙度的对比关系。

 

总结

用氢氟酸蚀刻钛是一个缓慢的过程，并且会产生副产的氢气，还产生粗糙的表面，在氢氟酸中添加硝酸能增加蚀刻速率，消除了氢气的形成，并能产生光滑的表面。硝酸浓度高于十的百分比之后，蚀刻速率几乎没有增加，硝酸的比重在百分之十五和百分之二十以上时，蚀刻率开始趋于稳定，但是化学反应变得更加不稳定且不可控。另外，随着氢氟酸浓度的增加，钛材料表面上形成的钛氧化物增加。这种白色氧化物可能是我们不希望看到的的，并且很难去除。由于此次使用的耐蚀刻膜（干膜）不太适用，因此未对侧蚀特性进行评估。

建议

为了保持良好的可控蚀刻速率我们建议使用2级钛原材，进行蚀刻的化学溶液建议是3 -5％的氢氟酸和10％的硝酸的混合溶液。