随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)相关技术的飞速发展，微/纳机械器件得到了广泛应用。然而由于尺寸的微型化会导致表面积与体积之比增大，因而表面效应明显增强，使得微构件间的粘着力成为影响系统功能、可靠性和使用寿命的关键因素^[1,2,3]。已有的研究表明，对于不带电的表面，粘着力的来源主要包括范德华力、毛细力以及化学作用，毛细力和化学作用可通过低表面能的疏水单分子层来消除，而范德华力存在于任何材料的原子之间，很难被完全消除，只能通过表面织构化的方法来降低^[4]。基于这一考虑，学者们利用可控的精细加工技术在表面构筑规则或仿生织构，开展了相关试验研究^[5,6,7,8,9]。张晓亮等^[10]利用自组装技术制备了Au纳米颗粒织构化表面，考察了织构对表面粘着与摩擦性能的影响机理。Pham等^[11]利用光刻和反应离子刻蚀技术在硅表面加工出纳米柱台，研究了织构表面的抗粘减摩作用，并且发现织构对表面的润湿性能也具有较大的影响。然而，上述研究均在大气环境下进行，毛细力和范德华力同时起作用，因而无法分析织构对毛细力和范德华力分别产生的影响。针对这一问题，文中采用电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma,ICP)刻蚀的方法在单晶抛光的硅(100)面上制备出不同直径的柱状织构，通过在大气和液体环境下进行试验，考察直径对表面粘着行为的影响规律，并探讨织构在影响毛细力和范德华力方面所起的作用。 1 试验部分 1.1 材料及制备

使用4英寸N型单面抛光的单晶硅片作为衬底，采用ICP深硅刻蚀技术在(100)晶面上实现柱状织构的构筑。刻蚀前需要制作5英寸的掩模铬版，图 1为在L-Edit软件中设计出的掩模版图。图 1(a)为15 mm×15 mm的试样单元，其上有不同尺寸的圆阵列(黑色方框内由于圆直径过小，只有在一定放大倍率下才能看见)。图 1(b)为试样单元在掩模版上的总体布局图。ICP技术制备织构过程主要包括以下步骤，如图 2^[12]所示。首先清洗硅片，利用兆声波和清洗液彻底清洗衬底；然后使用EVG620双面对准光刻机(奥地利EVG公司)光刻出图形，详细步骤包括熏六甲基二硅胺烷(HMDS)、匀胶、前烘、曝光、显影和后烘等，将掩模版上的图案复制到光刻胶上；利用Helicon刻蚀系统(日本Anelva公司)进行刻蚀，将曝光图形精确转移到晶圆表面，刻蚀气体SF₆，保护气体C₄F₈；最后去胶清洗，室温干燥环境下保存。

图 1 掩模版的设计图 Fig. 1 Design drawings of photolithographic mask

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图 2 织构化硅片表面的制备过程示意图[12]Fig. 2 Schematic diagrams of the fabricating process of silicon surfaces with textures

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利用荷兰FEI公司Quanta 200 FEG场发射环境扫描电子显微镜(FESEM)和美国Veeco公司Nanoman VS原子力显微镜(AFM)观察织构化表面的形貌(Si针尖，扫描频率0.5 Hz，扫描范围30 μm×30 μm，像素分辨率512×512，Tapping模式)，并采用AFM进行粘着试验。

为了研究织构对粘着行为的影响，使用较大尺寸的胶状探针，即将直径为20 μm的聚苯乙烯球(苏州纳微科技有限公司)通过HI-TOP 3136无影胶粘在三角形Si₃N₄悬臂梁(瑞士Nano World集团)上，之后在紫外光下照射1 h以固化。

试验所用探针如图 3所示。测量前需要对悬臂梁进行标定，使用热定标法(Thermal Tune Method)校准，偏转灵敏度(Deflection sensitivity)44.73 nm/V，弯曲弹性常数0.16 N/m。粘着试验过程如图 4所示，探针从A点出发向样品靠近，到达B点后，由于试样的吸引力使悬臂梁向下弯曲，在C点时探针开始接触试样，两者之间的排斥力使得悬臂梁不再向下弯曲，转而向上弯曲，之后继续下压至D点，然后开始返回。当探针撤回到刚开始接触的位置时，由于粘着力的作用，针尖和样品并不会立即分离，直至探针撤回至E点时，悬臂梁向下弯曲达到最大值，此值即为粘着力大小，针尖和样品表面随即分离，之后探针继续撤回，最后回到起始位置^[10]，由此得出探针与试样表面之间的力曲线。以相同方法在20 μm×20 μm的范围内测量125次，从中读出粘着力的大小并取平均值作为最终结果。上述试验均在室温下进行，温度27 ℃，相对湿度55%，所测数据的偏差均在5%以内。

图 3 胶状探针的SEM形貌 Fig. 3 SEM morphologies of the colloid probe

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图 4 粘着测量过程中的力曲线 Fig. 4 Force-displacement curve during adhesion measurements

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制备出4种不同直径的柱状织构化硅片表面，分别为试样S1、S2、S3和S4。图 5给出了S4织构化表面的FESEM形貌，图 6示出了原子力显微镜测量出的织构表面的二维、三维形貌图和剖面线图。可以看出，ICP法在硅片表面上成功实现了均一柱状织构的构筑。根据图像可以得出织构的具体几何参数，包括直径、高度、节距等。柱状织构的表面覆盖率可通过以下公式计算得出:

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式中： N为织构数量；d为直径，μm；S为单个织构的面积，μm²；S_扫描为扫描范围，μm²。

图 5 S4织构化硅片表面的FESEM形貌 Fig. 5 FESEM morphology of the silicon surfaces with textures S4e

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图 6 柱状织构化硅片表面的原子力形貌和剖面线图 Fig. 6 AFM morphologies and section profiles of the silicon surfaces with pillar textures

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根据原子力显微镜软件的分析和公式(1)的计算，柱状织构化硅片表面的几何参数见表 1。从表 1中可以看出，虽然4种织构的直径不同，但相邻织构间的距离，即p与d之间的差值，均为3.7 μm。并且随着直径的增大，表面覆盖率及表面粗糙度均呈上升趋势。

在织构化硅片的清洗干燥过程中，截留在织构间隙处液体的表面张力会引起毛细力；受空气湿度的影响，硅片表面吸附水蒸气形成液桥也会产生毛细力。图 7为液体毛细力的示意图，大小可通过公式(2)^[11,13]计算：

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式中：γ为液体表面张力，N/m；R为球体半径，m；θ₁和θ₂分别为液体表面与上下固体表面间的接触角，°；N为液桥形成时发生接触的粗糙峰及其周围粗糙峰的个数。

图 7 液体毛细力模型[13] Fig. 7 Model of the liquid capillary[13]

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图 8 大气环境下粘着力的测量 Fig. 8 Adhesion measurements in atmospheric environment

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图 8分别为大气环境下未织构面和S4织构面上的力曲线以及试样表面粘着力的测量结果。与未织构面相比，织构面上的粘着力下降了73%～77%，表明表面织构起到了显著的减粘作用。当在相对平坦的硅片表面上构筑织构，实际上相当于减小了与探针尖端发生接触的表面积。原本可能与尖端发生接触的那部分表面消失了，因而接触面积相应变小。由于胶状探针的直径(20 μm)明显大于柱状织构的尺寸及间距，所以尖端可能与多个织构同时发生接触，属于多峰接触。接触面积的降低，意味着发生接触的粗糙峰数目的减少，真实接触面积也随之减小，进而导致粘着力的下降。因此，织构面的粘着力明显低于未织构面的粘着力。其次，织构化表面的粘着力随着织构直径的增大而增大。这是因为当间距保持恒定时，增大直径相当于增大尖端与试样表面之间的接触面积，从而引起粘着力的增加。 2.2.2 液体环境下表面的粘着行为

上述试验均在大气室温下进行，相对湿度55%，因而毛细力和范德华力均可对粘着过程产生贡献。为消除毛细力，单独分析织构对范德华力的影响，可以在液体环境中进行试验，因为在液体环境中无法形成毛细液桥。首先通过滴管将去离子水滴在探针表面，使水滴完全淹没针尖，然后再将去离子水滴在样品表面，下降探针至针尖上的水滴与样品表面上的水滴接触时停止，这样探针与试样表面之间就完全处于去离子水环境中，之后进行粘着力的测量。同样测量125次，所测数据的偏差均在5%以内。

表 2给出了两种环境下织构面与未织构面粘着力的测量结果。液体环境下由于不存在毛细作用，粘着力主要由范德华力提供，可以认为此时的粘着力即为范德华力。与未织构面相比，织构面上的范德华力减小了88%～89%，这是因为范德华力易受形貌的影响^[8]，表面织构减小了接触面积，进而导致了范德华力的降低。

将大气环境下的粘着力减去液体环境下的粘着力(即范德华力)，可以得出毛细力对粘着力的贡献。由此得出大气下未织构面上的毛细力为33.65 nN，S1、S2、S3及S4织构面上作用的毛细力依次为10.61、12.06、12.43和12.67 nN。可以看出织构面上的毛细力减小了62%～68%，表面织构同样降低了毛细力的大小。这可能与式(2)中N的降低有关，也可能与表面织构的疏水性有关，正如赵文杰等^[12]所指出的表面织构可以显著影响表面的润湿性能。织构的存在使得表面的疏水性能增强，对毛细液桥的形成产生抑制作用，从而减小毛细力。

通过比较还发现，当毛细作用被消除后，未织构面和织构面上的粘着力均表现出大幅度下降，未织构面上的粘着力下降了59%，织构面上的粘着力下降了80%～82%。可见，无论是在未织构面还是织构面上，毛细力对表面粘着力的贡献均处于重要地位。 3 结 论

(1) 通过电感耦合等离子体刻蚀方法成功在硅片表面上实现了规则柱状织构的构筑。

(2) 柱状织构起到了显著的减粘作用，同时降低了范德华力和毛细力的大小；并且织构的直径越小，减粘效果越明显。

(3) 大气环境下，毛细力对表面粘着力的贡献占据重要地位。