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阿莎算法的先进性--水滴角测量仪/接触角测量仪服务于中国2025的高科技行业的应用点

随着纳米材料研究的迅猛发展以及半导体行业在“中国2025制造”的地位的迅速提升,水滴角测量仪(接触角测量仪)在中国的推广也得到了迅速发展。水滴角测量仪是特指将蒸馏水或超纯水作为探针液体,通过拍摄水滴在固体表面形成的水滴轮廓形像后,采用界面化学的分析算法,分析得到相应的水接触角值,进而用于评估:

1、固体材料表面的物理化学性质,如固体的粘附力。

水滴角测量仪或接触角测量仪的评估材料物理化学性质或对材料改性后的水接触角的评估这种应用事实上是仿生材料或纳米材料研究中的基本应用。实际上,在应用过程中,专业人员的兴趣点在于水滴角达到的一个度的范围,即如果水接触角值超过140度时,可以视为超疏水材料,或油接触角值超过140度时,可以视为超疏油材料表面。仿生材料的目标通常是想实现双疏效果,即疏水的同时可以实现疏油。所以,水滴角测量仪在这种意义上来讲,是一种性质的表述,具体的测值结果中,绝对的数值上量的变化对于这些应用而言事实上是不受重视的,或受重视程度不够。

荷叶水滴角测量图谱

亲水材料水滴角图谱

水滴角量图谱

2、评估材料表面的均匀度。

水滴角测量仪可以利用蒸馏水表面张力的高灵敏度的特性以及固体材料表面特性和测试仪器本身硬件设计的原理,准确地评估材料的品质和均匀度。相对于表面形貌分析所用电子显微镜而言,水滴角测量仪事实上是最为科学、且成本低、效率高的分析工具。在实际数据的应用指导意义方面事实上更为有效。

(1)固体材料表面通常会存在化学多样性、异构性以及表面粗糙度等。这些特性会导致水滴在固体表面形成的左、右、前、后各不同角度视角条件下的左、右水滴角值很难形成一致。高科技行业正是利用了这一点,如果水滴角测量仪或接触角测量仪出现左、右偏差大于1度,即视为品质一般;如果形成左、右角度值小于1度,且整体接触角值符合范围(固体表面张力值符合很小的范围变化,视为固体材料表面张力稳定,材料的品质稳定性更好),则可以视为高品质材料。

水滴角测量值可以看出,左、右角度值几乎保持一致。

具有保护膜的如上样品,揭下保护膜后,明显的出现胶在样品表面的残留,左、右角度值出现偏差。

当然,如上的应用一定要有水滴角测量仪或接触角测量仪在硬件和软件算法上的保证,即:

(2)水滴角测量仪必须提供微米级控制精度的样品台水平调整机构以及镜头的微米级水平调整机构。否则,样品上表面本身不水平,极可能导致水滴角左、右角度的变化。此时,就无法确认水滴角的左、右变化是由于样品倾斜且受重力影响时形成左、右角度的不一致。这也是上海梭伦的水滴角测量仪仪器领先于德、美仪器的关键技术要点。

水滴角测量仪二维水平调整机构

(3)水滴角测量仪/接触角测量仪的算法必须能够实现修正重力影响条件下准确分辨左、右角度值的能力。这也是上海梭伦的接触角测量仪仪器领先于德、美仪器的另一个关键技术要点。中国承德产的水滴角测量仪或接触角测量仪自20世纪70年代开始生产与日本类似的量角器法仪器,且在中国实现了很好的销售业绩。但德、美水滴角测量仪和接触角测量仪在2000年以后迅速的占领中国先进界面化学分析仪器市场,其领先优势非常明显,其关键在于20世纪90年代开始,德国和美国的水滴角测量仪或接触角测量仪生产厂实现了仪器分析技术的重大突破,即实现了通过界面化学分析技术而不是量角器技术来分析水滴角值。界面化学分析技术主要是以A.W.Neumann教授为代表的Young-Laplace方程拟合技术。水滴角的该技术引进,实现了在修正重力系数的条件下,综合分析表面张力和接触角值。因而,在数据的可靠性、重复性方面均得到了全面提升。

Young-Laplace方程及水滴角测量仪

阿莎算法(ADSA-RealDrop)的优势在于:能够准确分辨出左、右角度值的偏差,修正重力系数后,综合表面张力和接触角值。这是德美水滴角测量仪或接触角测量仪的Young-Laplace方程拟合技术所不能比拟的。

这个应用是目前科学界和专业研究所、半导体行业等技术领先的单位所忽视的水滴角测量仪的重大应用。其实际意义在部分半导体行业,特别是晶圆(wafer)和液晶屏行业已经受到了非常大的重视。

(4)利用水表面张力灵敏度非常高的特性,通过左、右角度偏差值以及水接触角的变化范围,定义材料表面的清洁度,分析等离子清洗(Plasma)效果。

长期以来,等离子效果的评估采用的方法是量角器法即承德或日本的水滴角测量仪的技术。但是,事实上,这样的评估方法由于于分辨值的精度误差受重力影响很大,在高科技半导体行业,特别是晶圆、液晶的制程中已经不能够满足要求了。

特别指出的是,如上所述,重力会影响水滴角的测量。通常而言,量角器法的水滴角测量仪或接触角测量仪是通过控制进液的精度想达到实现或提升重复性的目标,控制的液滴量通常为2uL左右。但是,即使是2uL,此时仍然存在重力影响,测值结果仍然与真正的Young-Laplace方程拟合算法得出的数据不一致的。且,通过而言,除非采用喷射针头,其他的针头进液方法均需要通过移液,即将水滴接触到固体样品后,利用固体的表面张力将水滴吸下去。正是由于固体表面张力不同,很难确保最终滴下的液滴量是完全一致的。需要注意的是,没有绝对一致的两个液滴的,也不能说0.1uL误差就会导致不受重力影响了。

更值得注意的是,测试水滴角值时,我们需要利用左、右角度变化以及测值精度的偏差来精确判断清洁度,两个数据是综合起来运用的。因而,通过滴多个液滴并评估水滴角多个值的变化事实上已经是非常效率低下,准确度不高的技术了。

可以看一下如下几个不同的保护膜揭下后的水滴角变化情况:

样品A的水滴角测量情况

样品B

样品B的水滴角测试情况

样品C的水滴角测量情况

如上的三个图片说明:

1、样品A的水滴角测值结果低于样品B和样品C。由于各样品测值结果时采用了阿莎算法,因而,无需考虑重力影响。角度的变小,说明样品A的胶的残留更高。

2、样品A的水滴角测值结果左、右偏差小于1度,说明胶残留的稳定性更好,胶更易粘附在固体的表面。

3、样品B和样品C的角度值偏差小于2度,此时要判断出来是受重力影响还是材料本身的变化事实上如果是量角器法(如圆或椭圆拟合时)就很难说是算法的原因还是重力的原因了。

4、样品B和样品C均出现了左、右角度的偏差,说明胶在固体表面粘附效果一般,从应用来讲,如果进一步进行提升,则可以符合要求了。这也是B、C样与A样的主要区别所在:

当然,如果从实际应用来讲,C样的效果最好,因为,其测值结果最接近空白样的值71度。而A样由于角度值左、右偏差很小,稳定性好,说明胶的残留很稳定,效果是最差的。

从如上实例以及原理可以很明显的看出,接触角测量仪或水滴角测量仪已经远超越了20世纪60年代以来的量角器阶段,德美的Young-Laplace方程拟合算法也无法满足高精度的要求,而上海梭伦的阿莎算法由于其先进的理念、更符合科学性,因而,在技术方面已经实现了对德美仪器的突破,在中国2025制造中的应用价值也就更高了。

   
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上海梭伦信息科技有限公司简称上海梭伦()专业致力于界面化学分析仪器以及
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(也称接触角测试仪、接触角测定仪以及接触角仪或水滴角测试仪、水滴角测量仪)、表面张力仪以及界面张力仪,
界面化学分析仪器可用于分析接触角,表面张力,界面张力等物性。同时上海梭伦可为用户提供
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