技術(shù)文章 / Technical articles
隨著納米材料研究的迅猛發(fā)展以及半導(dǎo)體行業(yè)在“中國2025制造”的地位的迅速提升，水滴角測量儀（接觸角測量儀）在中國的推廣也得到了迅速發(fā)展。水滴角測量儀是特指將蒸餾水或超純水作為探針液體，通過拍攝水滴在固體表面形成的水滴輪廓形像后，采用界面化學(xué)的分析算法，分析得到相應(yīng)的水接觸角值，進而用于評估：
1、固體材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如固體的粘附力。
水滴角測量儀或接觸角測量儀的評估材料物理化學(xué)性質(zhì)或?qū)Σ牧细男院蟮乃佑|角的評估這種應(yīng)用事實上是仿生材料或納米材料研究中的基本應(yīng)用。實際上，在應(yīng)用過程中，人員的興趣點在于水滴角達到的一個度的范圍，即如果水接觸角值超過140度時，可以視為超疏水材料，或油接觸角值超過140度時，可以視為超疏油材料表面。仿生材料的目標通常是想實現(xiàn)雙疏效果，即疏水的同時可以實現(xiàn)疏油。所以，水滴角測量儀在這種意義上來講，是一種性質(zhì)的表述，具體的測值結(jié)果中，的數(shù)值上量的變化對于這些應(yīng)用而言事實上是不受重視的，或受重視程度不夠。
荷葉水滴角測量圖譜
親水材料水滴角圖譜
水滴角量圖譜
2、評估材料表面的均勻度。
水滴角測量儀可以利用蒸餾水表面張力的高靈敏度的特性以及固體材料表面特性和測試儀器本身硬件設(shè)計的原理，地評估材料的品質(zhì)和均勻度。相對于表面形貌分析所用電子顯微鏡而言，水滴角測量儀事實上是為科學(xué)、且成本低、效率高的分析工具。在實際數(shù)據(jù)的應(yīng)用指導(dǎo)意義方面事實上更為有效。
（1）固體材料表面通常會存在化學(xué)多樣性、異構(gòu)性以及表面粗糙度等。這些特性會導(dǎo)致水滴在固體表面形成的左、右、前、后各不同角度視角條件下的左、右水滴角值很難形成一致。高科技行業(yè)正是利用了這一點，如果水滴角測量儀或接觸角測量儀出現(xiàn)左、右偏差大于1度，即視為品質(zhì)一般；如果形成左、右角度值小于1度，且整體接觸角值符合范圍（固體表面張力值符合很小的范圍變化，視為固體材料表面張力穩(wěn)定，材料的品質(zhì)穩(wěn)定性更好），則可以視為高品質(zhì)材料。
水滴角測量值可以看出，左、右角度值幾乎保持一致。
具有保護膜的如上樣品，揭下保護膜后，明顯的出現(xiàn)膠在樣品表面的殘留，左、右角度值出現(xiàn)偏差。
當(dāng)然，如上的應(yīng)用一定要有水滴角測量儀或接觸角測量儀在硬件和軟件算法上的，即：
（2）水滴角測量儀必須提供微米級控制精度的樣品臺水平調(diào)整機構(gòu)以及鏡頭的微米級水平調(diào)整機構(gòu)。否則，樣品上表面本身不水平，極可能導(dǎo)致水滴角左、右角度的變化。此時，就無法確認水滴角的左、右變化是由于樣品傾斜且受重力影響時形成左、右角度的不一致。這也是上海梭倫的水滴角測量儀儀器于德、美儀器的關(guān)鍵技術(shù)要點。
水滴角測量儀二維水平調(diào)整機構(gòu)
（3）水滴角測量儀/接觸角測量儀的算法必須能夠?qū)崿F(xiàn)修正重力影響條件下分辨左、右角度值的能力。這也是上海梭倫的接觸角測量儀儀器于德、美儀器的另一個關(guān)鍵技術(shù)要點。中國承德產(chǎn)的水滴角測量儀或接觸角測量儀自20世紀70年代開始生產(chǎn)與日本類似的量角器法儀器，且在中國實現(xiàn)了很好的銷售業(yè)績。但德、美水滴角測量儀和接觸角測量儀在2000年以后迅速的占領(lǐng)中國界面化學(xué)分析儀器市場，其優(yōu)勢非常明顯，其關(guān)鍵在于20世紀90年代開始，德國和美國的水滴角測量儀或接觸角測量儀生產(chǎn)廠實現(xiàn)了儀器分析技術(shù)的重大突破，即實現(xiàn)了通過界面化學(xué)分析技術(shù)而不是量角器技術(shù)來分析水滴角值。界面化學(xué)分析技術(shù)主要是以A.W.Neumann教授為代表的Young-Laplace方程擬合技術(shù)。水滴角的該技術(shù)引進，實現(xiàn)了在修正重力系數(shù)的條件下，綜合分析表面張力和接觸角值。因而，在數(shù)據(jù)的可靠性、重復(fù)性方面均得到了提升。
Young-Laplace方程及水滴角測量儀
阿莎算法（ADSA-RealDrop）的優(yōu)勢在于：能夠分辨出左、右角度值的偏差，修正重力系數(shù)后，綜合表面張力和接觸角值。這是德美水滴角測量儀或接觸角測量儀的Young-Laplace方程擬合技術(shù)所不能比擬的。
這個應(yīng)用是目前科學(xué)界和研究所、半導(dǎo)體行業(yè)等技術(shù)的單位所忽視的水滴角測量儀的重大應(yīng)用。其實際意義在部分半導(dǎo)體行業(yè)，特別是晶圓(wafer）和液晶屏行業(yè)已經(jīng)受到了非常大的重視。
（4）利用水表面張力靈敏度非常高的特性，通過左、右角度偏差值以及水接觸角的變化范圍，定義材料表面的清潔度，分析等離子清洗（Plasma）效果。
以來，等離子效果的評估采用的方法是量角器法即承德或日本的水滴角測量儀的技術(shù)。但是，事實上，這樣的評估方法由于于分辨值的精度誤差受重力影響很大，在高科技半導(dǎo)體行業(yè)，特別是晶圓、液晶的制程中已經(jīng)不能夠滿足要求了。
特別指出的是，如上所述，重力會影響水滴角的測量。通常而言，量角器法的水滴角測量儀或接觸角測量儀是通過控制進液的精度想達到實現(xiàn)或提升重復(fù)性的目標，控制的液滴量通常為2uL左右。但是，即使是2uL，此時仍然存在重力影響，測值結(jié)果仍然與真正的Young-Laplace方程擬合算法得出的數(shù)據(jù)不一致的。且，通過而言，除非采用噴射針頭，其他的針頭進液方法均需要通過移液，即將水滴接觸到固體樣品后，利用固體的表面張力將水滴吸下去。正是由于固體表面張力不同，很難確保終滴下的液滴量是一致的。需要注意的是，沒有一致的兩個液滴的，也不能說0.1uL誤差就會導(dǎo)致不受重力影響了。
更值得注意的是，測試水滴角值時，我們需要利用左、右角度變化以及測值精度的偏差來判斷清潔度，兩個數(shù)據(jù)是綜合起來運用的。因而，通過滴多個液滴并評估水滴角多個值的變化事實上已經(jīng)是非常效率低下，度不高的技術(shù)了。
可以看一下如下幾個不同的保護膜揭下后的水滴角變化情況：
樣品A的水滴角測量情況
樣品B
樣品B的水滴角測試情況
樣品C的水滴角測量情況
如上的三個圖片說明：
1、樣品A的水滴角測值結(jié)果低于樣品B和樣品C。由于各樣品測值結(jié)果時采用了阿莎算法，因而，無需考慮重力影響。角度的變小，說明樣品A的膠的殘留更高。
2、樣品A的水滴角測值結(jié)果左、右偏差小于1度，說明膠殘留的穩(wěn)定性更好，膠更易粘附在固體的表面。
3、樣品B和樣品C的角度值偏差小于2度，此時要判斷出來是受重力影響還是材料本身的變化事實上如果是量角器法（如圓或橢圓擬合時）就很難說是算法的原因還是重力的原因了。
4、樣品B和樣品C均出現(xiàn)了左、右角度的偏差，說明膠在固體表面粘附效果一般，從應(yīng)用來講，如果進一步進行提升，則可以符合要求了。這也是B、C樣與A樣的主要區(qū)別所在：
當(dāng)然，如果從實際應(yīng)用來講，C樣的效果，因為，其測值結(jié)果接近樣的值71度。而A樣由于角度值左、右偏差很小，穩(wěn)定性好，說明膠的殘留很穩(wěn)定，效果是差的。
從如上實例以及原理可以很明顯的看出，接觸角測量儀或水滴角測量儀已經(jīng)遠超越了20世紀60年代以來的量角器階段，德美的Young-Laplace方程擬合算法也無法滿足高精度的要求，而上海梭倫的阿莎算法由于其的理念、更符合科學(xué)性，因而，在技術(shù)方面已經(jīng)實現(xiàn)了對德美儀器的突破，在中國2025制造中的應(yīng)用價值也就更高了。
