使用Zeta電位測量儀測量晶圓表面帶電性和其等電位點 

前言:

  固體表面的純淨度對許多產品的生產過程中十分重要，例如晶圓(Wafer)，晶圓表面的顆粒污染將導致產品良率急劇下降1，而對於顆粒吸附的能力來說，晶圓的帶電性便是一項重要的指標，其決定了顆粒吸附能力的差異。 

  在上述的前提下我們了解到測量固體表面電位的重要性，然而想在乾燥條件下進行固體表面電位測量十分困難，取而代之，我們改為測量固體表面的zeta電位，其是在測試固體樣品相對於液體電解質的電位，有了Zeta電位的數據，我們將能更好地評估晶圓在不同處理手法下對於顆粒吸附能力的差異。 

  DataPhysics Instruments的新型ZPA 20 zeta電位分析儀通過一種新穎的振盪流電位技術(下圖一)，可用於測量纖維、粉末或板狀樣品的Zeta電位，在本應用文章中，我們使用 ZPA 20 研究了不同晶圓表面的電位中。  
 

 

圖一、DataPhysics公司的ZPA20固體電位測量儀 

 

技術與方法: 

  固體表面相對於水相液體環境通常均是帶電性的，這是因為官能基通過解離或抓附液體環境中的離子，縱使是幾乎不帶電的固體表面泡在鹽類環境中都會抓附OH-因而帶負電。如果液體相對於固體流動(反之亦然)，則會產生一剪切面於液體中的可移動離子及固體表面之間(下圖二)，而該剪切面的界面電位即稱為Zeta電位(受環境pH及離子濃度影響)2。 

 

圖二、在水相環境中具有帶電性的固體表面 
 

  ZPA20使用上述的流動電勢法(streaming potential method)推導出Zeta電位(參見下公式一&二)，測量過程中會有一來回流動的電解質溶液流經一狹縫，最後通過流動電勢或電流與壓力差(下圖三)的比值，推導出Zeta電位3,4:

公式中，η代表液體黏度，ε代表固體相對於液體的界電常數，ε0代表固體在真空條件下的界電常數，κ代表液體的導電度，L、H、W代表流動的空間三維，為了從流動電勢推算Zeta電位需要以上幾組參數5,6,7。 
 

實驗: 

  本應用文章中，我們利用Dataphysics ZPA 20共測量了(1)乾淨且已活化的二氧化矽晶圓和(2)在表面塗層aminopropylsilane(APS)的二氧化矽晶圓的Zeta電位和等電位點。 

  為了確保實驗過程中不汙染晶圓樣品，我們在上樣前先以超純水對樣品槽進行清洗，將著將大小為10mm x 20mm的晶圓樣品貼附於MC-ZPA/S樣品槽並使其成對面對形成100µm的狹縫寬度(見下圖四)。 

圖四、MC-ZPA/S樣品槽可用於測量片狀固體樣品的Zeta電位 

 
在將MC-ZPA/S裝進ZPA20設備中後，我們的操作流程如下: 

  1. 將儲存容器裡裝滿了KCl溶液(1  mmol/L, pH=6) 

  1. 開始實驗前，使用者可以靠著ZPA20的排氣功能，能確保樣品槽內進行實驗時無氣泡干擾 

  1. 按下開始記錄流動電流和震盪壓力對時間的圖譜(上圖三)便可推算固體樣品的Zeta電位於特定的pH值，且在每一個pH值之下的Zeta電位測量只需數秒即可完成 

  1. 另外，歸因於ZPA 20的自動滴定系統LDU 25(參見下圖五)我們可以完成ph值2-10的滴定曲線圖譜，滴定實驗共進行兩次分別從中性滴定到酸性和鹼性 

  1. 實驗結束後以超純水清洗樣品槽及溶液儲存腔體 

 

圖五、ZPA 20自動滴定系統LDU 25 


結果與討論: 

下圖六揭示了兩種晶圓樣品的Zeta電位在不同pH條件下的結果，曲線呈現出了樣品帶電性在低pH值時帶正電到高pH值時帶負電，這和固體上的官能基是抓附H3O+或OH-有關。 

 

圖六、晶圓塗層與否在不同pH值環境下的Zeta電位圖 
 

  有一個能證明官能基狀態的重要參數為等電位點(IEP)，如果等電位點低於4則表示官能基為酸性官能基(acidic surface groups)，如果高於5則表示官能基為鹼性官能基(alkaline surface groups)，以活性的二氧化矽晶圓樣品來說，其等電位點低於2.5則表示其官能基為酸性官能基，另一方面有塗層APS的二氧化矽晶圓其等電位點為7附近，表示其官能基為鹼官能基，這差異證明了塗層的成功；另外，對比未塗層的活性二氧化矽晶圓，塗層的晶圓在pH值環境<7時帶電性為正，綜上我們可以推論出，經過APS塗層處理後的晶圓在中性環境下偏好帶正電，這將有助於避免帶正電的汙染物吸附。 

結論: 

  Dataphysics ZPA 20可搭載著能乘載固體板狀樣品的樣品槽及自動滴定系統，可供使用者在短時間內對於此類樣品進行Zeta電位於不同pH環境下的測量，並用於判斷樣品上的官能基為酸性或鹼性官能基，在此基礎下可用於辨別塗層工藝成功與否。 

 

 

參考文獻: 

 

  1. Itano, M.; Kezuka, T.; Ishii, M; Unemoto, T.; Kubo, M.; Ohmi, T. Minimization of particle contamination during Wet processing of Si Wafers. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 971. DOI: 10.1149/1.2048570 

  1. Grundke, K. Characterization of polymer surfaces by wetting and electrokinetic measurements - contact angle, interfacial tension, zeta potential. In Stamm M (ed) Polymer surfaces and interfaces. Berlin Heidelberg: Springer; 2008, 103-138. 

  1. Zimmermann, R.; Osaki, T.; Schweiß, R.; Werner, C. Electrokinetic microslit experiments to analyse the charge formation at solid/liquid interfaces. Microfluid Nanofluid 2006, 2(5), 367-379. 

  1. Jacobasch, H.-J.; Bauböck, G.; Schurz, J. Problems and results of zeta potential measurements on fibres. Colloid. Polym. Sci. 1985, 263, 3-24. 

  1. Drechsler, A.; et al. Surface modification of poly(vinyl alcohol) fibres to control the fibre-matrix interaction in composites. Colloid Polym. Sci. 2019, 297(7-8), 1079-1093. 

  1. Drechsler, A.; et al. Interaction forces between microsized silica particles and weak polyelectrolyte brushes at varying pH and salt concentration. Langmuir 2010, 26(9), 6400-6410. 

  1. Bellmann, C.; et al. Electrokinetic investigation of surfactant adsorption, J. Colloid Interface Sci. 2007, 309(2), 225-230. 
     

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