动态表面张力

5G、人工智能、智慧交通等消费电子、汽车电子、计算机等应用领域的发展，对芯片的性能提出更高的要求，加快了芯片制程升级，从而带动了半导体行业的发展。半导体晶圆制造工艺包括清洗、曝光、显影、刻蚀、CMP（化学机械抛光）、切片等环节，需要用到各种特殊的液体，如显影液，清洗液，抛光液等等，这些液体中表面活性剂的浓度对工艺质量效果产生深刻的影响。动态表面张力在半导体晶圆清洗工艺的应用半导体晶圆清洗工艺要求芯片制造技术的进步驱动半导体清洗技术快速发展。在单晶硅片制造中，光刻，刻蚀，沉积等工艺后均设置了清洗工艺，清洗工艺在芯片制造进程中占比最大，随着芯片技术节点不断提升，对晶圆表面污染物的控制要求也越来越高。为了满足这些高的清洁度要求，在其中部分需要化学清洗的工序，清洗剂的浓度一定要保持在适当的浓度范围之内，成功的清洗工艺有两个条件：1. 为了达成所需的清洁效果，清洗剂的浓度需要在规定范围内。2. 在最后的漂洗过程后，须避免表面活性剂在硅晶圆上残留，残留的表面活性剂对后面的处理工艺会造成不利影响。清洗工艺的好坏直接影响下一道工序，甚至影响器件的成品率和可靠性，然而在清洗工艺过程中，工人往往疏于监控清洗和漂洗工序中表面活性剂的浓度，表面活性剂经常过量，而为了消除表面活性剂过量带来的不利影响，又往往要费时费力地增加漂洗工序阶段的成本。德国析塔SITA动态表面张力仪监控晶圆清洗工艺中清洗剂的添加德国析塔SITA动态表面张力仪通过动态表面张力的测试，建立清洗槽液的表面张力值与表面活性剂浓度关系曲线，进而实现通过监控晶圆清洗工艺中表清洗剂表面张力的变化来调整清洗剂的添加量，从而优化晶圆清洗工艺。动态表面张力在半导体晶圆切片工艺的应用半导体晶圆切片和CMP工艺要求晶圆切片工艺是在“后端”装配工艺中的第一步。该工艺将晶圆分成单个的芯片，用于随后的芯片接合(die bonding)、引线接合(wire bonding)和测试工序。在芯片的分割期间，金刚石刀片碾碎基础材料(晶圆)，同时去掉所产生的碎片。在切割晶圆时某一种特殊的处理液会用于冷却工作时的刀片，这种处理液中会加入某种表面活性剂，以此来润滑刀片并移除切割过程中产生的碎片，改善切割品质、延长刀片寿命。在半导体晶圆CMP工艺中，利用机械力作用于晶圆片表面，同时研磨液中的化学物质与晶圆片表面材料发生化学反应来增加其研磨速率。抛光液是 CMP 技术中的决定性因素之一，其性能直接影响被加工工件表面的质量以及抛光加工的效率。在CMP抛光液中，一般使用水基抛光液作为加工介质，以去离子水作为溶剂，加入磨料（如 SiO2、ZrO2 纳米粒子等）、分散剂、pH 调节剂以及氧化剂等组分，每个组分都具有相应的功能，对化学机械抛光过程起到不同的作用。磨料通过抛光液输送到抛光垫表面后，在抛光垫和被加工表面之间同时受到压力作用以及相对运动的带动，通过对被加工表面形成极细微的切削、划擦以及滚压作用，对表面材料进行微量去除。磨料的形状、硬度、颗粒大小对化学机械抛光都具有重要的影响。分散剂是一种兼具亲水性与亲油性的界面活性剂，能够均匀分散一些不溶于液体的固体颗粒，对于抛光液而言，分散剂能够减少抛光液中磨料颗粒的团聚，提高抛光液中磨料的分散稳定性。德国析塔SITA动态表面张力仪监控晶圆切片和CMP工艺种特殊处理液和抛光液的添加目前在晶圆切片和CMP工艺中，监测切片过程中的特殊处理液和研磨液表面活性剂浓度往往容易出现问题，如果将样品送到第三方实验室进行检测，成本高，且有一定时差，无法快速矫正表面活性剂浓度。德国析塔SITA动态表面张力仪，可以建立液体表面张力值与表面活性剂浓度关系曲线。在几分钟内完成特殊处理液和研磨液动态表面张力的测量，进而可以量化数据呈现液体表面活性剂浓度，帮助工人迅速将实际值与期望值作比较，及时调整表面活性剂浓度。动态表面张力在半导体晶圆光刻工艺的应用半导体晶圆在光刻工艺中使用显影剂溶解光刻胶，将光刻胶上的图形精确复制到晶圆片上。四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液是常用的显影剂，人们往往在四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液中添加表面活性剂，以降低表面张力，改善光刻工艺中光刻胶的粘附性，改善光刻显影液对硅片涂胶面的润湿，使溶液更易亲和晶圆表面，确保一个稳定且不与表面几何形状相关的蚀刻过程。德国析塔SITA动态表面张力仪监控TMAH溶液表面活性剂浓度德国析塔SITA动态表面张力仪，可以建立TMAH溶液表面张力值与表面活性剂浓度关系曲线。通过快速连续监控TMAH溶液表面张力，并在设定的范围内自动比较数据，使用工人可以在表面活性剂浓度超出限定值后，短时间迅速反应采取相关措施。同时析塔SITA动态表面张力仪可对MAH溶液的润湿性能进行简便快捷的分析。操作简单、无需任何专业经验。动态表面张力在半导体晶圆蚀刻工艺中的应用在太阳能电池生产过程中，需要对晶圆进行蚀刻工艺，将显影后的简要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，形成凹凸或者镂空成型的效果，使用工人往往在蚀刻液中添加异丙醇IPA，以降低蚀刻液表面张力。晶圆蚀刻工艺中容易存在的问题是：蚀刻过程的对流会引起异丙醇的快速蒸发，蚀刻液表面张力增加，蚀刻工艺质量下降。因此需要将蚀刻液中异丙醇浓度控制在规定范围内。德国析塔SITA动态表面张力仪监控蚀刻液中异丙醇浓度德国析塔SITA动态表面张力仪可以精确快速测量蚀刻液动态表面张力，使用工人可以将测量值与实际所需值进行对比，得出异丙醇浓度是否在规定范围内，如超出限定值后，则可以在短时间内快速采取相应措施，达到高质量的蚀刻工艺和避免异丙醇过量，节省成本。 析塔SITA动态表面张力仪在半导体行业的客户案例德国析塔SITA动态表面张力仪介绍德国析塔SITA动态表面张力仪采用气泡压力法测量液体动态及静态表面张力，通过智能控制气泡寿命，测出液体中表面活性剂分子迁移到界面过程中表面张力的变化过程，即连续的一系列动态表面张力值以及静态表面张力值。德国析塔SITA动态表面张力仪，共有4种型号。附录（英文原文）●Monitoring of wetting characteristics of etchants and developers●Monitoring the surfactant concentration of TMAH-solutions●Monitoring the surfactant concentration in wafer cleaning processes翁开尔是德国析塔SITA中国独家代理，如需了解各种关于析塔表面张力仪信息以及应用，欢迎致电【400-6808-138】咨询。

点击蓝字关注我们表面张力分为静态（平衡）表面张力和动态表面张力(dynamic surface tension, DST)。静态表面张力是指表面活性剂在界面达到吸附平衡时的最低表面张力，而DST是指表面活性剂在达到平衡吸附前某一时刻的表面张力，是一个变化的值。当研究的液体吸附过程在快速、持续进行, 且短时间内无法达到平衡时, 对液体DST的研究比静态表面张力更有意义。如在农药喷洒、喷墨印刷、织物快速润湿, 以及摄影用薄胶片制备中。图1对比了近10年 (2008～2018年) 国内外发表的以DST为主要考察项的论文数。数据显示国内在DST方面的研究较少且总体波动不大，而国外则呈持续上升趋势。图1 2008～2018 年国内外发表的DST 文章数量对比图研究液体在药物制剂过程中的DST, 可挖掘DST与制剂过程、制剂产品之间的关系, 进而优化制剂过程、改进工艺参数。一、动态表面张力的测定由于对DST时间范围界定的不同，可运用的测量手段也有所不同。王建坤等认为，在达到静态表面张力前的表面张力变化都可算是DST，这个时间范围以几毫秒到几小时计。可用Wilhelmy吊片法、DuNouy吊环法、滴重法、滴体积法、悬滴法、最大气泡压力法测定DST。图2 不同的DST 测定方法的适用时间范围示意图根据Rosen描述的动态吸附过程可知在新表面形成后1 s内，是表面吸附的关键期，体系的DST变化迅速。中药水提液的表面张力在5~100 ms内具有较大变化，大多数在1 s内都已达到平衡。因此，用于测量DST的方法应具有连续、精确、快速测量1 s内数据能力。二、最大气泡压力法通过毛细管将气体注入到待测液体中时，在毛细管的端部重复形成气泡，根据气泡压力的最大值和毛细管半径，计算得到表面张力。通过改变气流流速控制气泡的年龄，可测量不同时间尺度的表面张力。目前实验室中多用KRüSS公司的BP100气泡压力张力仪测定1 s内DST。三、DST 在药物制剂领域的潜在应用价值近10年，DST已受到化工、涂料、印染等领域的广泛关注。药物制剂领域也有很多液体瞬时运动的过程，如喷雾干燥雾化，流化床制粒的粘合剂雾化，关注DST在液体雾化及扩散润湿过程中的作用，是精细控制制剂工艺的手段之一。1DST在雾化过程中的作用雾化是将液体通过雾化器(在一定压力下)喷射进入气体介质中，使之分散并碎裂成小液滴(雾滴)的过程。赵辉等考察了相同条件下，农药药液在不同时间点(0.023、0.124、0.483和0.998 s)的DST与雾滴体积中径(D50)的关系；发现D50随着喷雾液的DST值的降低而降低，二者呈线性相关，但二者的相关系数k 随DST 测定时间的延后而变差。0.023 s时的DST与D50相关系数高达0.9848，时间＞1 s后，只有0.7135。利用动态表面张力仪测试了66种常见中药的水提液，发现所有提取液的DST在1 s内均有下降，但下降程度不同，且提取液雾滴粒径D50与94 ms时测得的DST存在一定相关关系，该结论还在进一步实验确证中。2DST在扩散润湿过程中的作用DST不仅影响药物制剂领域的雾化过程，对扩散润湿过程同样有显著的影响。喷雾干燥与流化床制粒过程中，液体雾化后雾滴在接触相表面的扩散润湿受两大因素影响：一是雾滴的性质，二是接触相的性质。在喷雾干燥黏壁问题中，从DST角度分析，半湿性黏壁现象是由于雾滴与干燥塔壁接触后迅速出现自发润湿，经塔壁的高温干燥后出现黏壁。因此，可从两方面促使雾滴与干燥塔接触后出现快速回缩以改善此黏壁现象。一是增大雾滴DST，二要选择合适的喷雾干燥塔内侧材料。从待喷液分析，应适当降低待测液浓度、进液温度，以增大雾滴DST，或添加疏水性辅料促使快速回缩的发生以改善干燥塔半湿性黏壁。四、 结语综上所述，DST作为一项重要的物理参数，在细微之处影响着药物制剂的品质与生产。关注DST对制剂过程的影响，拓展固有的药剂研究思路是十分必要的。参考文献施晓虹，李佳璇，洪燕龙，赵立杰，冯怡，王优杰. 动态表面张力在药剂学研究中的应用前景[J].国际药学研究杂志,2019.

研究背景制备个人护理应用方面的喷雾产品对于配方师来说是个很大的挑战。产品要求在雾化容易的同时, 最佳尺寸范围的乳化液滴要确保足够数量在目标区域上的沉积，但也需避免形成小液滴(小于100 μM)来减小喷射漂移。后者对使用者来说也是一种潜在的危险(小液滴可能会导致吸入口中)，也可能造成喷射产品的效能降低。为了满足以上的需求 , 喷射乳液的配方必须保证符合以下的标准 :1.最合适的液滴尺寸分布，确保在目标区域上的最大沉积和附着 , 而且无漂移现象 2.在目标区域表面的良好涂布性和肤感。以上两个标准要求表面活性剂在气 / 液界面迅速吸附(降低动力学表面张力)。然而 , 这个表面张力不能低于临界值，从而可以防止乳化液滴尺寸过小而产生漂移 。喷雾液滴的形成原理在喷射过程中, 液体被压经喷嘴, 并在静力学压力下形成液滴 。高于某个静力学压力值, 液体通过喷嘴形成连续喷射, 而后分散成小液滴 。这个连续喷射, 而后分散成小液滴的过程是受到表面压力的结果 。球形的表面积和它的表面自由能(表面积 ×表面张力)小于其他对称体 。因此 , 少量的其它形状的液滴将会形成更小的球形液滴 。动态表面张力与粒径的关系表面活性剂和聚合物对于喷雾液滴尺寸分布的影响 , 在于他们对于表面张力的影响，表面张力一定程度上推动着雾化的产生。因为表面活性剂降低了水的表面张力 , 会形成粒径更小的液滴 。配方中含表面活性剂 , 帮助降低表面张力, 其雾化所需要的能量比不含表面活性剂的产品要少。因此 , 同样的能量输入, 会得到更小尺寸的液滴 。然而, 实际情况并不是这样简单 。在雾化的过程中，会不断形成新液体的表面。这种溶液的表面张力, 依赖于形成新界面的时间与表面活性剂从溶液内部迁移到气/ 液表面的吸附速度和扩散速度。如果形成新界面的时间比表面活性剂扩散和吸附的速度快, 那么喷雾液体的表面张力不会比纯水大很多，会形成大尺寸液滴 。相反, 如果形成新界面的时间比表面活性剂吸附的速度慢 , 那么喷雾液体的表面张力会进一步降低，形成较小的液滴尺寸 。图1显示两个不同表面活性剂体系A和B在不同吸附速度下 , 随时间t而变化的表面张力 γ，也可以叫作动态表面张力。这些曲线可以通过使用KRÜ SS最大气泡压力法来测量。气泡在表面活性剂溶液中以不同的频率形成，控制气泡形成的时间并且测量气泡中所产生的最大压强，可以得到不同时间下的表面张力。在短时间内，观察到表面活性剂体系B比A的体系所带来的表面张力更小 。许多体系的动态表面张力和时间对数的曲线可分为4个阶段：诱导区、表面张力快速下降区、介平衡区和平衡区。在诱导区，由于吸附在界面层上的助剂质量浓度太低，溶液的表面张力较大；随着助剂大量被吸附到溶液表面，表面张力急剧降低，就形成了快速下降区；而随着溶液表面助剂分子的积累，吸附接近饱和时吸附速度变慢，就形成了介平衡区；足够长的时间后当表面吸附达到饱和体系进入动态平衡阶段表面张力达到平衡，此即为平衡表面张力。表面活性剂种类和质量浓度不同，其溶液体系达到上述各阶段所需时间不同，表现为各溶液体系间动态表面活性的差异。从线性相关性关系的角度上来说，时间指标越小，动态表面张力与雾滴指标之间的关系越倾向于线性状态，可以通过测试表面活性剂体系的动态表面张力来优化雾滴尺寸和粒径。传统意义上采用静态表面张力为指标研究雾滴形成的方式并不合理，在有关喷雾的实践工作过程当中，选取动态表面张力作为研究指标有着更为显著的优势。 图2. 动态表面吸附曲线图动态表面张力与粒径关系的示例图3. 不同表面活性剂溶液的动态表面张力曲线表1. 不同表面活性剂溶液的粒径分布从图3和表1示例曲线可以明显看到，可以通过控制动态表面张力来优化雾滴的粒径，张力在一定时间内下降的越快，雾滴粒径越细腻。为了避免雾滴尺寸过小而产生雾滴的漂移，可以将表面活性剂的张力调控在一定范围。在实际生产中，喷头尺寸、喷雾压力也是改变喷量、雾滴粒径的重要手段之一。本文仅讨论了动态表面张力的改变对喷雾粒径的影响，期望能为配方设计工作者提供合适的思路。本文有删减，详细信息见原文萨瓦特 塔琼斯,玛丽克莱尔 堤尔曼,杜 晶.喷雾型产品的配方原理[J].日用化学品科学, 2004.