带水膜不锈钢真空吸盘抓取吸力影响

蓝宝石作为 LED衬底以及手机面板的主要材料，随着其应用的愈加广泛，高效率的抛光方法也亟待开发[1-2]。双面抛光具有平面度和平行度高、抛光效率高等优点，是超薄蓝宝石晶片首选的抛光方法。而要采用双面抛光方法，如何固定蓝宝石晶片是一个困扰已久的问题，传统的固定夹持方式有机械夹持、静电吸盘夹持、真空吸盘夹持及石蜡粘贴等。以上各夹持方式均有其缺陷，例如易损伤晶片，吸附力小，操作环境要求高和效率低等[3-5]。本论文中的水膜吸附方式具有操作方便、对环境无污染的特点。文中基于水膜吸附的现象，在以水膜吸附晶片工件和基板的基础上，主要针对基板表面粗糙度进行研究，并根据不同粗糙度基板表面的浸润性，通过实验，探究其对晶片工件吸附性和切向力的影响。

根据不同表面性质，水滴在固体表面呈现的状态也并不相同。自然界中有许多例子：荷叶表面具有许多微凸峰，使水滴不能稳定粘附在荷叶表面；而水滴在玫瑰花瓣和花生叶表面，即使倒置花瓣和花生叶，水滴却仍能粘附在表面上[6-7]。亲疏水性是固体表面的性质之一，在生命科学、表面化学、医药以及机械等领域中有着重要作用[8-10]。亲疏水性是在材料表面被水分润湿的性质，属于界面现象[11]，当水分子之间的内聚力小于水分子与固体材料分子间的相互吸引力时，材料被水润湿，这种材料就是亲水性的，被称为亲水性材料；反之，则被称为疏水性材料。水分子与不同固体材料表面之间的相互作用情况各不相同。亲水性材料多用于细胞培育、织物面料涂覆以及空调翅片[12]等，而疏水性材料则有更加广泛的应用，如疏水性优良的玻璃表面可以减少污渍，应用在船舶和飞机机翼上可以减少阻力，并降低冰霜的形成几率[13-18]。以上应用均基于单一的固体表面与液体的界面现象分析，而在本论文中，水膜吸附的原理是基于两种固体之间充斥着液体，甚至还有部分气体，所以其探究难度更大。

1 实验

1.1 理论分析

水膜吸附夹持方法如图1所示，其原理为蓝宝石晶片和不锈钢基板在微观视角下均为不规则的固体表面，如果没有水膜的存在，两固体表面之间存在着大量空气，并且真实接触的表面积较小，所以基本不存在吸附力，切向摩擦力也会较小；当适当厚度的水膜充斥两固体表面之间时，由于水和不锈钢基板以及蓝宝石晶片是浸润的，可以提供两固体表面张力和粘滞力，同时水作为液体，填充了不规则固体表面形成的空隙，原本是空气的地方被水填满后，固体表面贴合紧密，此时蓝宝石晶片就被吸附在不锈钢基板表面。同时，为了抵抗蓝宝石晶片在抛光过程中受到磨粒的切削力和抛光垫的摩擦力，即使在有限位片的存在下，仍希望晶片-水膜-基板之间的切向摩擦力能承担更多的作用。由此可见，当被吸附的蓝宝石晶片确定时，不锈钢基板表面的性质就成了研究的重点，主要研究对象为基板表面的浸润性，其影响水滴在基板表面的形态。而浸润性的影响因素有两点：一是固体表面自由能，二是表面粗糙度[19]。由于粗糙度对浸润性的影响更大，且更容易创造，所以本文着重研究表面粗糙度对浸润性的影响。

图1 水膜吸附夹持方式
Fig.1 Water-film adsorption adhesion

浸润性主要通过测量接触角来评判[20-24]。1805年，Young首先对光滑表面上液滴接触角作出了定性的分析[25]，并提出了著名的 Young方程。如图 2所示，在水（液相）、材料（固相）与空气（气相）三相的交点处，沿水滴表面的切线与水和材料接触面所形成的夹角θ称为接触角，θ角在0°～180°之间，由θ角的大小可估计润湿程度。θ角越小，润湿性越好。如θ=0°，则表示材料完全润湿；θ

图2 Young模型
Fig.2 Young model

根据Young方程，我们还可以得出接触角与各界面张力的关系，如式（1）所示：

其中，θ为Young模型中的平衡接触角，σsv、σsl、σlv 分别为固-气、固-液、液-气界面张力。由于Young方程针对的是光滑平整的平面，而本文探究的是具有一定粗糙度的非光滑平面，所以需要 Wenzel模型进行修正[26]。Wenzel模型认为，粗糙表面固液之间的真实接触面积要大于表观接触面积，会放大固体表面的润湿性，如图3所示。

图3 Wenzel模型
Fig.3 Wenzel model

Wenzel方程如式（2）所示：

式中，r为粗糙因子（实际固液界面接触面积和表观固液界面接触面积的比值）；θa为表观接触角；θ为本征接触角。由式（2）可知，对于原本亲水的光滑表面，提高表面粗糙度可以提高表面的亲水性；而对于原本疏水的光滑表面，提高表面粗糙度可以提高表面的疏水性。因此，改变基板表面粗糙度是最直接快捷地改变润湿性的方式。

1.2 粗糙度及接触角测量

对于不同粗糙度的不锈钢基板，首先需要保证基板的平面度，本文选取5块初始平面度为(20±5) mm、初始粗糙度为(600±70) nm的不锈钢基板。通过600目砂纸打磨后，测量基板表面5个位置点，重复测量5次，得到平均表面粗糙度为 332.6 nm的基板。116.2 nm表面粗糙度的基板用1000目的氧化铝研磨液在nanopoli-100研磨机上研磨加工，每5 min测量5个位置点的粗糙度，并取平均值。64.5 nm和41.4 nm的基板通过先经3000目氧化铝抛光液抛光，再分别在聚氨酯抛光垫和绒布抛光垫上抛光获得。图4显示的是各个基板在3D形貌轮廓仪下拍摄的表面形貌，从图中可以看到，前几块基板表面存在着沟槽以及较大的凹坑，而64 nm和41 nm粗糙度的基板则几乎无划痕，仅有部分小凹坑。

接触角测量装置是基于角度测量法，通过一台安装在显微镜上的CCD摄像机，拍摄显微镜的视频，并连接到计算机上，液滴在不锈钢基板上稳定达到Wenzel状态后，通过切线量角法直接测出接触角的值。每块基板取5个不同位置测量两次，液滴通过5 μl定量计滴在基板上，测量其静态接触角，并取十组数据的平均值。其结果如图5所示。

1.3 测力实验

切向摩擦力和吸附力的测量是通过自行搭建的一套多维力测量平台实现的，测力平台装置如图6所示。该平台是基于ME-systeme公司的多维力传感器K3D120设计的，该传感器量程为200 N，精度等级为 0.1，相对线性误差为 0.2% FS。实验中，多维力传感器连接到计算机上，实时记录蓝宝石晶片在水膜吸附条件下，Z向脱离不锈钢基板所需的力，以及X向摩擦产生的切向力。Z向和X向移动平台均为微米级电动平台，行程为 20 mm，进给速度设置为0.1 mm/s，分别通过PLC系统控制启停。初始状态下，用移液器滴0.1 mL去离子水在不锈钢基板表面中心，再将直径5.1 mm、厚度0.3 mm的蓝宝石晶片平稳放置于基板上，使去离子水均匀分布在晶片和基板之间，形成水膜，并静置1 min。实验状态时，根据所测的力的不同，控制不同的移动平台运动。当测量Z向吸附力时，X向位移平台处于初始位置，使吊装装置可以以竖直向上的力拉起蓝宝石晶片；当测量X向切向摩擦力时，Z向移动平台处于初始位置，且固定蓝宝石晶片只能向X方向运动1 mm，这是为了保留初始的静摩擦。X和Z方向上都保留一定的虚位，防止移动平台启动时就破坏吸附状态，减小实验数据误差。

图4 不同粗糙度的不锈钢基板的表面形貌图
Fig.4 Surface topography of stainless-steel substrates with different roughness

图5 不同粗糙度的不锈钢基板的接触角测量结果
Fig.5 Contact angle measurement results of stainless-steel substrates with different roughness

图6 多维力测量平台简图
Fig.6 Sketch of multidimensional force measurement platform

2 实验结果分析

对五组不同粗糙度的不锈钢基板进行测力实验，每组实验重复5次，同时对无水膜吸附的状态也进行测力实验，每组实验重复2次。同一块基板在不同吸附条件下，其吸附性结果如图7所示，横坐标为晶片Z向移动时间，纵坐标为传感器测量得到的法向力。无水膜吸附时，蓝宝石晶片和基板之间几乎无吸附力，稳定状态下，Z向力显示为0.88 N，这代表蓝宝石晶片与不锈钢基板已无接触；而水膜吸附条件下，可以看到 Z向力在提拉过程和稳定状态之间有一段急剧下降的过程，这一过程就是因为吸附力所导致的，所以通过观测Z向力随时间变化的过程就可以直观地感受吸附力的存在，其大小等于Z向力的最大值减去稳定状态所测的值，稳定状态下水膜吸附的Z向力值与无水膜吸附的值相同，均为0.88 N（蓝宝石晶片及其固定装置对传感器的压力）。

图7 不锈钢基板（粗糙度Sa=64.5 nm）在无水膜/水膜吸附条件下的Z向测力结果
Fig.7 Z-direction force measurements of stainless steel substrates (roughness Sa=64.5 nm) under (a) anhydrous/(b) water film adsorption conditions

针对不同粗糙度的基板测量的吸附性结果，发现即使在很小的粗糙度条件下，若无水膜的存在，其吸附力都不可被观测。在相同体积水膜的条件下，不同粗糙度基板产生的吸附力结果如图8所示。与之前所测的接触角相比较，发现不同粗糙度的吸附力的减小率与接触角的增大率相近。从图中可以看到，蓝宝石晶片与不锈钢基板间的吸附力随着基板粗糙度的减小而增大，且均大于蓝宝石晶片本身的质量，说明这些基板均可以吸附起晶片，并且夹持过程中不会脱落。

图8 不同粗糙度的不锈钢基板的吸附力测量结果
Fig.8 Measurement results of adhesion force of substrate with different roughness

基板的吸附性是水膜吸附夹持方法的重点研究对象之一，而另外非常重要的一点就是蓝宝石晶片在水膜吸附夹持状态下进行抛光时所需要的摩擦力。实验过程中，分别在蓝宝石晶片和不锈钢基板水膜吸附、无吸附条件下，加压不同的砝码，传感器测量的压力分别为0.9、2.97、5.03、7.13、9.19 N，每组实验重复5次，取其平均值，实验结果如图9所示。

图9 蓝宝石晶片在水膜、无水膜吸附条件下的切向摩擦力对比及摩擦力拟合曲线结果
Fig.9 Comparison and fitting curve of the tangential friction force results of sapphire wafers under conditions with and without water film adsorption

由于选取的蓝宝石晶片为抛光片，表面粗糙度仅为 5 nm，所以在实验中所测得的摩擦系数较小，并且可将蓝宝石抛光片表面视为光滑表面。根据图9显示的结果可知，在水膜吸附条件下，摩擦力与压力的关系式中存在着较大的截距，并非是以往物理中摩擦力等于压力乘以摩擦系数。如图9a所示，当压力较小的时候，有无水膜对摩擦力的影响较小；而压力增大后，粗糙表面的微凸峰发生形变，内部的水分子填充于基板的空隙之间，形成了适当厚度的水膜。所以当压力增大时，水膜的存在与否反而对摩擦力的影响更大，这就是水粘滞力的作用。对比不同粗糙度的基板，在水膜吸附条件下，其摩擦系数随粗糙度的减小而减小。这是因为水在提供相同粘滞力的条件下，基板本身的粗糙度也会对切向摩擦力有影响，这符合宏观摩擦学的理论。

而与无水膜吸附的结果相比，当粗糙度小于120 nm时，有水膜的实验结果反而要小于无水膜的摩擦力。这是因为相同体积的水在相对平滑的表面上会形成较厚的水膜，粘滞力不再是破坏水分子与基板之间的分子间作用力，而是破坏水分子之间的分子间作用力。同时，较厚的水膜对蓝宝石晶片和基板起润滑作用，反而减小了摩擦力。此外，无水膜吸附的各组实验之间发现，其摩擦力先变小后增大，主要是因为蓝宝石晶片并非完美的光滑表面，与高粗糙度的不锈钢基板接触时，大量的微凸峰会影响摩擦力的大小，而当相对平滑的基板表面与蓝宝石抛光面接触时，其真实接触面积的大小又会影响摩擦力的值。所以针对不同形貌的表面，在没有润滑的条件下，其规律是不同的。

3 结论

本文从实现水膜吸附夹持的功能出发，综合考虑基板水膜对加工晶片的吸附性和基板-水膜-晶片之间的摩擦力，选取了不同等级粗糙度的不锈钢基板，并根据现有的亲疏水性理论和实验研究的方法，探明粗糙度对水膜吸附功能的影响规律。主要研究结论如下：

1）从亲疏水性的原理设计出发，选择相对亲水的不锈钢材料，并综合考虑不锈钢表面加工的经济性和可行性，同时考虑不锈钢基板在蓝宝石抛光实验的夹持过程中会受到的影响，加工了 5块平面度为(20±5) μm，粗糙度平均值分别为 633.4、332.6、116.2、64.5、41.4 nm的不锈钢基板。

2）加工的 5块基板随粗糙度的增加，其浸润性变差，同时吸附力也减小，但是减小程度不与粗糙度的增加率成正相关，反而与接触角的增加率接近。粗糙度为40 nm的不锈钢基板的吸附性最好，吸附力为2.92 N，远大于直径5.1 mm、厚度0.3 mm的蓝宝石抛光片。

3）水膜吸附条件下，蓝宝石晶片-水膜-基板之间的摩擦力随基板粗糙度的降低而减小，且此时64.5 nm和41.4 nm两块不锈钢基板的切向摩擦力比无水膜吸附的值要小，说明水膜产生的粘滞力比提供的润滑影响要小。116.2 nm粗糙度的不锈钢基板是水膜吸附夹持方式的最优选择，其加工难度较低，吸附性能较好，同时提供的切向摩擦力要大于除633.4 nm粗糙度以外的基板。

参考文献：

[1]HANEY E J, SUBHASH G.Analysis of interacting cracks due to sequential indentations on sapphire[J].Science direct,2011(2): 1-8.

[2]PINKAS M, LOTEM H, GOLAN Y.Thermal healing of the sub-surface damage layer in sapphire[J].Materials chemistry and physics, 2010(6): 1-7.

[3]WARDLY G A.Electrostatic wafer chuck for electron beam microfabrication[J].Review of scientific instruments,1973, 44(10): 1506-1509.

[4]KALKOWSKI G, RISSE S, GUYENOT V.Electrostatic chuck behavior at ambient conditions[J].Microelectronic engineering, 2002, 61: 357-361.

[5]昌先国, 高学山, 潘沛霖, 等.自适应式多真空室吸盘的研究[J].哈尔滨工业大学学报, 1998(1): 28-31.CHANG Xian-guo, GAO Xue-shan, PAN Pei-lin, et al.Research on adaptive multi-sucking disc[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 1998(1): 28-31.

[6]FENG L, ZHANG Y, XI J, et al.Petal effect: A superhydrophobic state with high adhesive force[J].Langmuir,2008, 24(8): 4114-4119.

[7]邱宇辰, 刘克松, 江雷.花生叶表面的高黏附超疏水特性研究及其仿生制备[J].中国科学: 化学, 2011(2):403-408.QIU Yu-chen, LIU Ke-song, JIANG Lei.Study on high adhesion superhydrophobic properties of peanut leaf surface and its biomimetic preparation[J].Scientia sinica chimica, 2011(2): 403-408.

[8]杨钦, 罗荘竹, 谭生, 等.超疏水自清洁涂层防结冰技术的研究进展[J].中国表面工程, 2016, 29(4): 10-22.YANG Qin, LUO Zhuang-zhu, TAN Sheng, et al.Research process in anti-icing technology of superhydrophodic selfcleaning coating[J].China surface engineering, 2016, 29(4):10-22.

[9]DRAPER M C, CRICK C R, ORLICKAITE V, et al.Superhydrophobic surfaces as an on-chip microfluidic toolkit for total droplet control[J].Analytical chemistry,2013, 85(11): 5405-5410.

[10]倪书振, 王春俭, 戴红旗.纤维素基超疏水纸的研究进展[J].纤维素科学与技术, 2017, 25(2): 58-68.NI Shu-zhen, WANG Chun-jian, DAI Hong-qi.Research progress in superhydrophobic cellulose-based papers[J].Journal of cellulose science and technology, 2017, 25(2):58-68.

[11]CASSIE A B D, BAXTER S.Wettability of porous surfaces[J].Trans faraday soc, 1944, 40: 546-551.

[12]吴勃.金属仿生功能微结构的激光制备与研究[D].镇江: 江苏大学, 2011.WU Bo.Preparation and study of metal-based bionic functional microstructure by laser[D].Zhenjiang: Jiangsu University, 2011.

[13]宋保维, 任峰, 胡海豹, 等.表面张力对疏水微结构表面减阻的影响[J].物理学报, 2014(5): 290-298.SONG Bao-wei, REN Feng, HU Hai-bao, et al.Drag reduction on micro-structured hydrophobic surfacedue to surface tension effect[J].Acta physical sinica, 2014(5):290-298.

[14]高鹏, 耿兴国, 欧修龙, 等.人工构建二维准晶复合结构的减阻特性研究[J].物理学报, 2009(1): 421-426.GAO Peng, GENG Xing-guo, OU Xiu-long, et al.Dragreduction property of composite structure surface with planar quasicrystal[J].Acta physical sinica, 2009(1): 421-426.

[15]MISHCHENKO L, HATTON B, BAHADUR V, et al.Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets[J].ACS nano, 2010,4(12): 7699-7707.

[16]周荃卉, 余新泉, 张友法, 等.喷砂-阳极氧化-氟化处理构筑铝合金超疏水表面[J].高等学校化学学报,2010, 31(3): 456-462.ZHOU Quan-hui, YU Xin-quan, ZHANG You-fa, et al.Fabrication of superhydrophobic surface on aluminum alloy by sandblasting-anodizing-fluorination[J].Chemical Journal of Chinese Universities, 2010, 31(3): 456-462.

[17]柳迎春, 李洪伟, 谢镇波.基于纳米 TiO2添加的新型航空涂料性能研究[J].装备环境工程, 2017, 14(4): 72-76.LIU Ying-chun, LI Hong-wei, XIE Zhen-bo.Properties of new aerospace coating based on TiO2 nanoparticles added[J].Equipment environmental engineering, 2017, 14(4):72-76.

[18]胡超, 白清顺, 白锦轩, 等.疏水性微结构表面的抗结冰特性仿真研究[J].表面技术, 2016, 45(9): 145-153.HU Chao, BAI Qing-shun, BAI Jin-xuan, et al.Simulation research of the anti-icing micro-structured surface[J].Surface technology, 2016, 45(9): 145-153.

[19]WANG R, HASHIMOTO K, FUJISHIMA A.Light-induced amphiphilic surfaces[J].Nature, 1997, 388(6641): 431-432.

[20]张泓筠.超疏水表面微结构对其疏水性能的影响及应用[D].湘潭: 湘潭大学, 2013.ZHANG Hong-jun.Influence of microstructures for superhydrophobic surface on super-hydrophobicityand its application[D].Xiangtan: Xiangtan University, 2013.

[21]江雷, 冯琳.仿生智能纳米界面材料[M].北京: 化学工业出版社, 2007.JIANG Lei, FENG Lin.Bionic intelligent nano-interface materials[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2007.

[22]贺承相, 李建, 陈修宁, 等.超疏水自洁涂料研究进展[J].有机硅材料, 2015(3): 256-259.HE Cheng-xiang, LI Jian, CHEN Xiu-ning, et al.Research progress on super-hydrophobic self-cleaning painting[J].Silicon materials, 2015(3): 256-259.

[23]王宪.超疏水铜表面的制备及润湿性研究[D].株洲:湖南工业大学, 2014.WANG Xian.Preparation and wettability of superhydrophobic copper surface[D].Zhuzhou: Hunan University of Technology, 2014.

[24]王晓龙.钢材仿生多尺度疏水功能表面的制备及性能[D].青岛: 中国石油大学(华东), 2012.WANG Xiao-long.Preparation and properties of multi-scale hydrophobic functional surface of steel bionic[D].Qingdao:China University of Petroleum (East China), 2012.

[25]YOUNG T.An essay on the cohesion of fluids[J].Royal Society of London Philosophical Transactions, 1805(95):65-87.

[26]WENZEL R N.Resistance of solid surfaces to wetting by water[J].Ind eng chem, 1936, 28(8): 988-994.