在半導體領域，隨著芯片單元、顯示模組、異質(zhì)集成等尺寸精度和工藝復雜度的要求不斷提高，晶圓、玻璃、陶瓷等脆性基礎材料的無損、精準、高效搬運技術是提升工藝自動化程度的共性需求。特別是涉及高溫、真空的工藝環(huán)境，往往面臨機械夾持易劃傷、化學膠粘易殘膠、負壓和靜電吸盤環(huán)境使用受限等問題，影響了半導體前段工藝制程的效率和良率。
圖1仿生摩擦墊的仿生設計與應用示意圖
南京航空航天大學姬科舉課題組提出了一種適用于高溫環(huán)境下的仿生被動摩擦墊設計和實現(xiàn)方法。研究靈感來源于蝗蟲（圖1）趾墊結構，其獨特的低黏附、高摩擦界面力學特性為解決工程應用需求提供了新思路。團隊采用耐高溫硅橡膠為基礎材料，通過光刻熱回流工藝實現(xiàn)對微結構形貌的精確調(diào)節(jié)，并結合電鑄鎳基精密模具和硫化精密壓印等多能場復合制造工藝，研制了具有末端圓弧面凸起特征的微結構陣列仿生材料，并考察了其在高溫條件下的與晶圓為代表的脆性材料表面的界面力學特性。
圖2耐高溫仿生摩擦墊的微結構制造工藝簡圖
結果顯示仿生摩擦墊微結構末端圓弧面凸起形貌對于界面法向黏附力和切向摩擦力具有重要影響。摩擦墊的法向黏附力隨著微結構末端圓弧面凸起曲率半徑的減小而降低，并且隨著環(huán)境溫度的升高（~300℃），法向黏附力呈現(xiàn)進一步下降趨勢，高溫展現(xiàn)出對范德華力黏附機制主導的黏附力的弱化影響。
仿生摩擦墊微結構末端圓弧面不同曲率對切向摩擦力的影響較為復雜。隨著微結構末端圓弧面曲率半徑的減小，對于光滑的晶圓表面，接觸面積隨之減少，此時范德華力占主導的力學機制使得切向摩擦力呈減少趨勢；而對于粗糙的晶圓表面，晶圓粗糙度與仿生微結構之間存在相互匹配的機械嵌合區(qū)間，匹配性的仿生微結構尺寸可以實現(xiàn)機械嵌合與范德華力協(xié)同作用的增摩功效。而切向摩擦力同樣隨著環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，這與范德華力作用力的衰減有關系。
圖3仿生摩擦墊的界面黏附與摩擦力學性能
團隊實踐展示了仿生增摩墊裝備在工業(yè)晶圓搬運機械臂叉手上的應用情況，切向高摩擦、法向低黏附的界面力學特性，賦予了晶圓搬運過程中叉手與晶圓之間增摩減粘的效果，特別是在300℃溫度下，滿足了晶圓的無損、精準、高效定位與搬運需求。相關研究成果以“Biomimetic microstructure with anti-slip and anti-adhesion for efficient handling of brittle material surfaces in high-temperature environments”為題發(fā)表在《Small》上（https://doi.org/10.1002/smll.202408236）。文章第一作者為南京航空航天大學機電學院研究生詹浩珍，論文通訊作者為姬科舉副研究員，本研究工作得到了國家自然科學基金、天元實驗室基金、國防基礎預研等項目的資助，同時得到了江蘇省仿生材料與裝備重點實驗室與南京艾德恒信科技有限公司的實驗平臺支持。
圖4仿生摩擦墊的晶圓搬運機械叉手中的應用演示
該工作是團隊在仿生表界面力學材料方向的研究進展之一，解決真空、高溫環(huán)境下晶圓、玻璃、陶瓷的無損、精準、高效搬運需求問題。近三年來，團隊從仿生的視角出發(fā)，以航空航天、國防需求為牽引，聚焦泛半導體、工業(yè)自動化苛刻環(huán)境下固體界面操控需求，研制了仿生黏附墊（商品條碼：6976093990006）、仿生摩擦墊（6976093990013）、物理吸盤（6976093990037）、APR版（6976093990020）、壁虎膠帶（6976093990044）、微針吸盤（6976093990051）等系列化仿生表界面產(chǎn)品。研究成果和產(chǎn)品已在我國夢天實驗艙、神舟15/16/17號載人航天任務中獲得應用，并已批量應用于光電、半導體、自動化等領域主流企業(yè)、大廠，解決了真空、高低溫、振動等環(huán)境下的界面操控技術難題。
