南航姬科举课题组 Small：高温晶圆搬运 - 仿生摩擦垫

2024-11-27 来源：高分子科技

在半导体领域，随着芯片单元、显示模组、异质集成等尺寸精度和工艺复杂度的要求不断提高，晶圆、玻璃、陶瓷等脆性基础材料的无损、精准、高效搬运技术是提升工艺自动化程度的共性需求。特别是涉及高温、真空的工艺环境，往往面临机械夹持易划伤、化学胶粘易残胶、负压和静电吸盘环境使用受限等问题，影响了半导体前段工艺制程的效率和良率。

图1仿生摩擦垫的仿生设计与应用示意图

南京航空航天大学姬科举课题组提出了一种适用于高温环境下的仿生被动摩擦垫设计和实现方法。研究灵感来源于蝗虫（图1）趾垫结构，其独特的低黏附、高摩擦界面力学特性为解决工程应用需求提供了新思路。团队采用耐高温硅橡胶为基础材料，通过光刻热回流工艺实现对微结构形貌的精确调节，并结合电铸镍基精密模具和硫化精密压印等多能场复合制造工艺，研制了具有末端圆弧面凸起特征的微结构阵列仿生材料，并考察了其在高温条件下的与晶圆为代表的脆性材料表面的界面力学特性。

图2耐高温仿生摩擦垫的微结构制造工艺简图

结果显示仿生摩擦垫微结构末端圆弧面凸起形貌对于界面法向黏附力和切向摩擦力具有重要影响。摩擦垫的法向黏附力随着微结构末端圆弧面凸起曲率半径的减小而降低，并且随着环境温度的升高（~300℃），法向黏附力呈现进一步下降趋势，高温展现出对范德华力黏附机制主导的黏附力的弱化影响。

仿生摩擦垫微结构末端圆弧面不同曲率对切向摩擦力的影响较为复杂。随着微结构末端圆弧面曲率半径的减小，对于光滑的晶圆表面，接触面积随之减少，此时范德华力占主导的力学机制使得切向摩擦力呈减少趋势；而对于粗糙的晶圆表面，晶圆粗糙度与仿生微结构之间存在相互匹配的机械嵌合区间，匹配性的仿生微结构尺寸可以实现机械嵌合与范德华力协同作用的增摩功效。而切向摩擦力同样随着环境温度的升高呈现下降趋势，这与范德华力作用力的衰减有关系。

图3仿生摩擦垫的界面黏附与摩擦力学性能

团队实践展示了仿生增摩垫装备在工业晶圆搬运机械臂叉手上的应用情况，切向高摩擦、法向低黏附的界面力学特性，赋予了晶圆搬运过程中叉手与晶圆之间增摩减粘的效果，特别是在300℃温度下，满足了晶圆的无损、精准、高效定位与搬运需求。相关研究成果以“Biomimetic microstructure with anti-slip and anti-adhesion for efficient handling of brittle material surfaces in high-temperature environments”为题发表在《Small》上。文章第一作者为南京航空航天大学机电学院研究生詹浩珍，论文通讯作者为姬科举副研究员，本研究工作得到了国家自然科学基金、天元实验室基金、国防基础预研等项目的资助，同时得到了江苏省仿生材料与装备重点实验室与南京艾德恒信科技有限公司的实验平台支持。

图4仿生摩擦垫的晶圆搬运机械叉手中的应用演示

该工作是团队在仿生表界面力学材料方向的研究进展之一，解决真空、高温环境下晶圆、玻璃、陶瓷的无损、精准、高效搬运需求问题。近三年来，团队从仿生的视角出发，以航空航天、国防需求为牵引，聚焦泛半导体、工业自动化苛刻环境下固体界面操控需求，研制了仿生黏附垫（商品条码：6976093990006）、仿生摩擦垫（6976093990013）、物理吸盘（6976093990037）、APR版（6976093990020）、壁虎胶带（6976093990044）、微针吸盘（6976093990051）等系列化仿生表界面产品。研究成果和产品已在我国梦天实验舱、神舟15/16/17号载人航天任务中获得应用，并已批量应用于光电、半导体、自动化等领域主流企业、大厂，解决了真空、高低温、振动等环境下的界面操控技术难题。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202408236

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（责任编辑：xu）

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