織構(gòu)和涂層改善表面黏附性能的試驗(yàn)研究

張玉言，吳夢(mèng)潔，韓 欣，華 潔

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

1 引言

產(chǎn)品制造技術(shù)的改善促進(jìn)了微/納機(jī)電系統(tǒng)（Micro/Nanoelectromechanical System，簡(jiǎn)稱MEMS/NEMS），如微開(kāi)關(guān)、微傳感器和微繼電器等的迅速發(fā)展[1]。然而，由于MEMS/NEMS器件幾何尺寸的微型化，表面積與體積之比急劇增加，表面力主導(dǎo)的黏附接觸問(wèn)題成為影響器件可靠運(yùn)轉(zhuǎn)和壽命的關(guān)鍵限制因素[2]。

為解決這一問(wèn)題，以織構(gòu)和涂層設(shè)計(jì)為代表的表面減黏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。

織構(gòu)是指在表面加工的具有一定排列規(guī)律的微觀結(jié)構(gòu)陣列[5-6]。文獻(xiàn)[7]采用復(fù)制模塑方法構(gòu)筑了圓柱狀織構(gòu)化的金表面，通過(guò)原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，簡(jiǎn)稱AFM）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著織構(gòu)高度的增加和間距的減小，表面的黏附力降低。文獻(xiàn)[8]使用旋涂法在單晶硅上制備了二氧化硅納米顆粒織構(gòu)化表面，AFM 試驗(yàn)結(jié)果表明顆粒堆積密度較高時(shí)可有效降低黏附。文獻(xiàn)[9]使用低劑量聚焦離子束方法加工了溝槽狀織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化表面的黏附力低于無(wú)織構(gòu)表面，原因與接觸面積的減小有關(guān)。

涂層是指通過(guò)物理或化學(xué)方法在基體表面沉積的厚度在微/納米量級(jí)的薄膜[10]。

文獻(xiàn)[10]利用原子層沉積法在硅基體上制備了極薄的氧化鋁膜，通過(guò)AFM試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)薄膜表面的黏附力小于硅表面。文獻(xiàn)[3]研究了金、銀等熱蒸發(fā)涂層對(duì)硅表面黏附的影響，也發(fā)現(xiàn)了這些涂層的減黏作用。

上述研究充分證實(shí)了涂層和織構(gòu)在減小表面黏附方面的作用，但關(guān)于兩者的比較及其共同作用的研究偏少。

本研究擬通過(guò)電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)和磁控濺射制膜技術(shù)制備具有圓柱狀織構(gòu)和DLC涂層的硅片樣品，使用AFM測(cè)量樣品表面的黏附行為，考察探針與樣品表面的接觸位置、織構(gòu)尺寸和涂層對(duì)樣品表面黏附力的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

首先，采用電感耦合等離子體深硅刻蝕技術(shù)在硅片表面構(gòu)筑圓柱狀織構(gòu)，之后采用磁過(guò)濾陰極弧沉積技術(shù)分別在無(wú)織構(gòu)硅片表面和織構(gòu)化硅片表面沉積類(lèi)金剛石（Diamond-Like Carbon，簡(jiǎn)稱DLC）涂層，制備條件為起弧電流80A，負(fù)偏壓-100V，占空比20%，束流（20～50）mA，計(jì)數(shù)（電荷量）（380×25）mC。制備得到的樣品照片，如圖1所示。其中，圖1（a）為裸硅樣品（編號(hào)N0）、圖1（b）為具有DLC涂層但無(wú)織構(gòu)的硅片樣品（編號(hào)C0）、圖1（c）為在同一硅片上加工出的四種不同尺寸的圓柱狀織構(gòu)樣品（編號(hào)TN1-TN4）、圖1（d）為在樣品（c）的基礎(chǔ)上鍍有DLC 涂層的樣品（編號(hào)TC1-TC4）。

圖1 樣品：（a）裸硅樣品N0，（b）具有DLC涂層的硅片樣品C0，（c）具有四種尺寸的圓柱狀織構(gòu)的硅片樣品TN1-TN4，（d）同時(shí)具有圓柱狀織構(gòu)和DLC涂層的硅片樣品TC1-TC4Fig.1 Samples：（a）Bare Silicon Sample N0，（b）Silicon Sample with DLC Coating，（c）Silicon Samples with Pillar Textures having four Sizes TN1-TN4，（d）Silicon Samples with both Pillar Textures and DLC Coating TC1-TC4

2.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

利用Veeco Nanoman原子力顯微鏡（AFM）的輕敲模式對(duì)無(wú)織構(gòu)樣品（N0和C0）的表面形貌進(jìn)行測(cè)定，掃描頻率為1.0Hz，掃描范圍為（1.0×1.0）μm2。探針型號(hào)為HQ：NSC18/AIBS-50，懸臂梁力常數(shù)為1.4N/m。對(duì)于有織構(gòu)的樣品（TN1-TN4、TC1-TC4），由于織構(gòu)的高度較大，AFM 的針尖很難完全下降到織構(gòu)之間的間隙內(nèi)，無(wú)法反映織構(gòu)側(cè)壁的真實(shí)信息，為避免該情況，使用Nanomap-D三維表面輪廓儀的光學(xué)測(cè)量模式對(duì)織構(gòu)表面進(jìn)行測(cè)量。此外，使用橢圓偏振儀Multiskop測(cè)定涂層厚度。

利用Veeco Nanoman AFM的接觸模式在大氣環(huán)境下測(cè)量探針與樣品表面之間的黏附力。由于織構(gòu)之間的間距較大，無(wú)法使用AFM的商用探針來(lái)進(jìn)行黏附力的測(cè)量，因此需要制備膠狀探針。制備的方法是利用AFM的接觸模式將直徑為20μm的聚苯乙烯小球通過(guò)無(wú)影膠粘到無(wú)針尖的TL-FM-20懸臂梁尖端，并通過(guò)紫外光照射進(jìn)行固化。對(duì)于制備完成的膠狀探針，利用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200 FEG ESEM）進(jìn)行觀察，如圖2所示?？梢钥闯?，膠狀探針的表面光滑，且粘在了懸臂梁前端的中間位置。利用AFM自帶模塊計(jì)算得到的懸臂梁偏轉(zhuǎn)靈敏度為90.63nm/V，法向彈性常數(shù)為0.1137N/m。

圖2 膠狀探針的SEM圖Fig.2 SEM Figure of the Colloidal Probe

3 結(jié)果與討論

3.1 涂層厚度測(cè)試結(jié)果

利用橢圓偏振儀在無(wú)織構(gòu)和有織構(gòu)的DLC涂層樣品表面上各測(cè)三個(gè)不同的位置，得到的涂層厚度，如表1所示。

表1 DLC涂層厚度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Tested Results About the Thickness of the DLC Coating

3.2 樣品表面形貌表征

裸硅樣品N0及無(wú)織構(gòu)DLC涂層樣品C0表面的形貌，如圖3所示。可以看出，涂層樣品表面的粗糙度略高于裸硅樣品表面?？棙?gòu)化涂層樣品TC1-TC4的表面形貌，如圖4所示。其中dp、pp和Zp分別表示圓柱狀織構(gòu)的平均直徑、節(jié)距和高度，四種織構(gòu)的直徑和節(jié)距不同，但間距（即pp-dp）和高度相同。

圖3 裸硅樣品N0及DLC涂層樣品C0表面的AFM形貌圖Fig.3 AFM Micrographs of the Bare Silicon Sample N0 and the Sample with DLC Coating C0

圖4 織構(gòu)化涂層硅片樣品TC1-TC4表面的光學(xué)形貌圖Fig.4 Optical Topographies of the Textured Silicon Samples with Coating TC1-TC4

從圖中可以看出，圓柱狀織構(gòu)側(cè)壁的陡直度較好，但織構(gòu)上表面及凹槽部位并不平整，存在更小尺度的粗糙峰。對(duì)于有織構(gòu)但無(wú)涂層的TN1-TN4樣品，測(cè)試結(jié)果與有涂層時(shí)幾乎相同，此處不再給出具體的形貌圖。

3.3 織構(gòu)化及涂層樣品表面的黏附行為

利用AFM記錄膠狀探針在垂直接近樣品表面并撤離表面的過(guò)程中所受到的力，得到的力-位移曲線，如圖5 所示。可以看出，在有織構(gòu)的TN1樣品表面上不同的位置進(jìn)行測(cè)量，得到的力-位移曲線具有顯著的差異，曲線中的最大拉力即為pull-off力，是表征表面黏附作用大小的關(guān)鍵參數(shù)，也常稱之為黏附力。在（40×40）μm2范圍內(nèi)50個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量所得到的黏附力結(jié)果，可以看出，黏附力呈現(xiàn)出較大的離散性，如圖6所示。主要原因?yàn)椋河捎诳棙?gòu)的存在，探針與樣品表面之間總的黏附作用受探針-織構(gòu)上表面相互作用和探針-織構(gòu)所在基體之間相互作用的共同影響。在測(cè)量時(shí)，探針可能部分“陷入”相鄰織構(gòu)之間的間隙中（如圖6中的插圖（a）），可能位于織構(gòu)側(cè)面（如圖6中的插圖（b））或位于織構(gòu)正上方（如圖6中的插圖（c））等不同位置。

圖5 AFM測(cè)得的TN1樣品表面上四個(gè)不同位置的力-位移曲線Fig.5 Force-Displacement Curves at Four Different Locations on the Surface of TN1 Samples Measured by AFM

圖6 不同接觸位置處TN1樣品表面的黏附力Fig.6 Adhesion Force of the TN1 Sample Surface at Different Contact Locations

當(dāng)探針“陷入”相鄰織構(gòu)之間時(shí)，探針與樣品表面之間接觸的區(qū)域小，接觸區(qū)域之外表面間距大，因而探針-織構(gòu)上表面相互作用和探針-基體相互作用均較小，黏附力小；當(dāng)探針與織構(gòu)上表面接觸時(shí)，由于制備得到的織構(gòu)直徑均在微米量級(jí)，此時(shí)探針與樣品之間的接觸類(lèi)似于探針與無(wú)織構(gòu)樣品表面的接觸，接觸的區(qū)域大，探針-織構(gòu)上表面相互作用大，因而黏附力大。此外，織構(gòu)上表面和基體表面存在更小尺度的粗糙峰，這也會(huì)影響探針與樣品之間相互作用力的大小。由于上述原因，黏附力呈現(xiàn)出較大的離散性。

對(duì)每個(gè)樣品至少測(cè)量50次，計(jì)算黏附力的平均值結(jié)果，如圖7所示。

圖7 不同樣品表面平均黏附力的試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental Results of the Average Adhesion Force of Surfaces for Different Samples

可以看出，與表面無(wú)織構(gòu)的樣品相比，織構(gòu)化樣品表面的平均黏附力顯著降低。此外，無(wú)論是對(duì)于有織構(gòu)還是無(wú)織構(gòu)的樣品，相同參數(shù)下有涂層樣品表面的平均黏附力小于無(wú)涂層樣品表面的平均黏附力，歸因于DLC涂層的低表面能[11]；但DLC涂層的減黏作用顯著小于圓柱織構(gòu)；在所研究樣品中，具有直徑約2.3μm的圓柱狀織構(gòu)和DLC涂層的樣品表面的黏附力最小，相對(duì)于裸硅表面約減小了95%。最后，對(duì)于有表面織構(gòu)的樣品（TN1-TN4和TC1-TC4），由于相鄰織構(gòu)之間的間距不變且織構(gòu)直徑均在微米量級(jí)，樣品表面的平均黏附力隨織構(gòu)直徑的變化不顯著。

4 結(jié)論

（1）受表面形貌或織構(gòu)的影響，黏附力的大小與探針和樣品表面之間的接觸位置有關(guān)，呈現(xiàn)出離散性，且在織構(gòu)間距相同時(shí)，織構(gòu)直徑越大，黏附力變化的偏差越大。

（2）相同參數(shù)下有涂層樣品表面的平均黏附力小于無(wú)涂層樣品表面的平均黏附力，歸因于DLC涂層的低表面能。

（3）與表面無(wú)織構(gòu)的樣品相比，織構(gòu)化樣品表面的平均黏附力降低，且圓柱狀織構(gòu)的減黏作用顯著高于DLC涂層。