VAKUUMIST 19/2(1999) ISSN 0351-9716 ______ NASVETI Kontrola čistosti površine podlag z metodo merjenja kota omocljivosti Osnova vseh postopkov površinskega inženirstva so čiste površine podlag. Pri tem pa ni samo vprašanje, kako očistiti površino, ampak tudi kako kvantitativno izmeriti čistoto le-te. Ena od enostavnejših metod temelji na merjenju kota omocljivosti izbrane tekočine. Kot omocljivosti je namreč odvisen od sestave oz. kontaminacije površine podlage, tj. od njene površinske energije. Ce je površinska energija trdne snovi manjša od površinske napetosti podlage (npr. vodna kapljica na povoskani površini), potem se oblikuje kapljica sferične oblike, ki ima najmanjšo površino. Ce pa je površinska energija trdne snovi večja od površinske napetosti tekočine, potem se kapljica razmaže po površini. Primer je voda na steklu. Ce izmerimo profil majhne kapljice, potem lahko izračunamo površinsko napetost. Profil kapljice je določen s kontaktnim kotom, ki ga določa tangenta na površino kapljice v točki, kjer se stika s površino (slika 1). Kontaminanti na površini podlag imajo v splošnem drugačno površinsko energijo kot material podlage. Le-ta je rezultat nesimetričnih vezi atomov oz. molekul na površini, ki so v kontaktu s parami. 3 = 105' it Slika 1: Kontaktni kot vodne kapljice na površini z veliko površinsko energijo (levo) in na površini z majhno površinsko energijo (desno) Površina z veliko površinsko energijo poskuša zmanjšati svojo energijo tako, da adsorbira material z majhno energijo, npr. ogljikovodike. Ppvršinska energija hkrati določa tudi velikost kapljic. Čim večja je površinska energija, tem večje kapljice se lahko oblikujejo. Mimogrede omenimo, da površinske napetosti določajo tudi mehanizem rasti vakuumskih tankih plasti. Drobna kaplica na površini ravne podlage ima obliko, ki je določena z ravnotežjem površinskih napetosti na tromeji tekočina/para/trdna snov. Na mejni črti, kjer se tekočina dotika podlage, imamo tri snovi: zrak (1), kapljevino (2) in trdno snov (3). Zato tam delujejo tri površinske napetosti: ytp. ykp 'n Ytk- Na mejni črti torej delujejo tri sile, ki imajo smef tangente na ustrezno površino. Ker mejna črta miruje, je vsota vseh sil enaka nič. To zahtevo zapišemo za komponente sil: yip +ykp cos(k-6)-ytk =0- Iz te enačbe izhaja: cose = (yrp-YTK)/YKP Kot B imenujemo mejni kot ali kot omocljivosti. Vrednosti cosö so med -1 za popolno neomakanje (mejni kot večji kot k/2 oz. ytk -Ytp >0) ln 1 za popolno omakanje (mejni kot manjši od k/2 oz. -ytk +ytp >°)-prehod med obema je pri cos6=0. Za majhne vrednosti Ytk in velike ytp je razlika (ytp -Ytk) velika, zato je favorizirana tvorba meje med trdno in tekočo fazo -tekočina omoči podlago. Nasprotno pa je v primeru, da je ytk majhna, tudi razlika (ytp -Ytk) majhna. Tekočina slabo omoči podlago. Iz tega sledi, da se podlage z veliko površinsko energijo (npr. kovine) laže omočijo kot tiste z majhno površinsko energijo (npr. polimeri). Iz poznane vrednosti ykp in izmerjenega kota 6 lahko določimo razliko (ytp -Ytk). Mejni koti nekaterih kapljevin na različnih podlagah so izpisani v tabeli 1. Tabela 1: Mejni koti nekaterih kapljevin na različnih podlagah Kapljevina Podlaga Mejni ikpt voda. glicerin, eter, ' . .. etanol, CCU 0 živo srebro steklo voda srebro 90 voda parafin 107 m etil jod id kremen 33 voda naparjena tanka plast fluorooqljika '" voda polipropilen (neobdelan) 106" voda voda polipropilen (plazemsko obdelan) diamantu podobna prevleka (DLC) 70 67.5: Številni polimeri imajo zelo majhno površinsko energijo, zato tiskanje s črnilom po njihovi površini ni možno, ker črnilo ne omoči površine polimera. S posebnimi postopki (npr. s koronsko plazmo, plamenom) lahko povečamo površinsko energijo polimera. Tako je npr. površinska energija polipropilena. ki je bil obdelan s koronsko plazmo. 46 mN/m (kot omocljivosti deionizirane vode je 70°), medtem ko je površinska energija polipropilena, ki ni bil obdelan s plazmo, 33 mN/m (kontaktni kot 106°). Površinsko energijo trdnih snovi lahko spreminjamo tudi z dopiranjem le-teh z različnimi elementi. Slika 2 prikazuje, kako se spreminja kot omocljivosti diamantu podobne prevleke (DLC), če jo dopiramo različnimi elementi Medtem ko dopiranje z dušikom in kisikom zmanjša kot omocljivosti, ga dopiranje s silicijem ali fluorom poveča. Z merjenjem kontaktnega kota lahko zaznamo tiste kontaminante na površini podlage, ki imajo drugačno površinsko energijo kot material podlage. Občutljivost te metode je zato določena z razliko med površinskima energijama obeh materialov. Značilne vrednosti povr- 27 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 19/2(1999) Tabela 2: Površinska energija o? površinska napetost nekaterih tehnično zanimivih trdnih snovi in kapljevin Trdna snov Površinska energija1 (mN/m) Kapljevina Površinske napetosti1 (mN/m) voHram(20°) 4400 živo srebro (20") 480 železo (206) 2400 voda (0') 75 baket (20°) 2000 voda (100°) ,58,9 srebro (20 ) 1500 ogljikov tetraklorid (20D) 29,7 aluminij {20") 1100 nafta (20<) aceton (20°) 26 silicij (20) 1400 23,7 kremenovo steklo (20) 260 tekoč helij (4 K) 0,12 led (20*) 71 etilni alkohol (201 22.8 polistiren (20°) 33 olivno olje (20°) 33 polivinil klorid (20 ) 39 milnica (20] 25 politetrafluoretilen (teflon) (20*) 18,5 glicerin (20") 59 1 V termodinamskem smislu je pojmovna razlika med površinsko energijo in površinsko napetostjo majhna, zato se pogosto zamenjujeta. šinskih energij nekaterih tehnično zanimivih podlag so zbrane v tabeli 2. Metoda je primerna npr. za detekcijo olja na kovinskih podlagah, ki imajo veliko površinsko energijo. Na čisti kovinski površini je kontaktni kot vodne kapljice zelo majhen. Če pa površino kovinske podlage prekriva tanka plast organskega materiala (npr. maziva), ki ima zelo majhno površinsko energijo, je kontaktni kot zelo velik. To velja tudi v primeru, ko je podlaga prekrita samo z eno molekularno plastjo organskega materiala. Kako izvedemo meritev kontaktnega kota vodne kapljice? Z injekcijsko iglo brizgnemo deionizirano vodo na površino podlage, ki jo postavimo pod optični mikroskop. Kapljico osvetlimo s strani. Sliko kapljice optično povečamo in opazujemo njeno silhueto. Okular mikroskopa zavrtimo tako, da se pomožna črta na okularju pokrije s tangento na kapljico v stičišču le-te s podlago. Na kotomeru nato odčitamo kontaktni kot. Pri tem pa se ne moremo izogniti subjektivni napaki, ki je lahko 5-10°. i» — M I" ^*~zf~ L_Bu0f ) 1*- / ILL ^ v ^ .u, sik 1------------1 0 1 10 15 20 » H JI 40 *» Dopmi element v DlC |al?4) Slika 2: Kot omočljivosti vodne kapljice na površini diamantu podobne prevleke v odvisnosti od vsebnosti dopirnih elementov Novejši merilni sistemi te vrste uporabljajo precizno optiko in digitalno kamero, ter računalniško opremo. S kamero posnamemo profil kapljice, z računalniškim programom pa nato analiziramo sliko in določimo njeno obliko oz. kontaktni kot. Opisana metoda merjenja kontaktnega kota se pogosto uporablja tudi v industrijski proizvodnji. Najbolj znana primera sta analiza čistosti silicijevih rezin in ravnih zaslonov pred pričetkom procesiranja le-teh. Poleg omenjene metode kontrole čistosti površine obstajajo še druge, ki temeljijo na istem principu. Ena od teh je splakovanje gladke in ravne površine z vodo. Če so na površini hidrofobni kontaminanti (npr. ostanki olja), potem površina odtekajočega curka vode ni zvezna. Če pa je površina podlage čista, je površina curka gladka. Pri naslednjem preizkusu čistosti _kap-nemo na stekleno površino kapljico tekočine. Če je površina čista, ima veliko površinsko energijo, zato se tekočina razleze po površini. V primeru vode je kontaktni kot manj kot 5°. Pri uporabi te tehnike moramo biti pazljivi na ostanke hidrofilnih kontaminantov (npr. ostanki mila), ker je v takšnem primeru kontaktni kot majhen, čeprav je površina kontaminirana, še enostavenjši je preizkus čistosti površine, ki temelji na kondenzaciji par. ki jih "dahnemo" na podlago. Pri tem opazujemo nukleacijski vzorec. Ta pojav srečujemo v kopalnici, ko se med tuširanjem na površini ogledala kondenzira vlaga. Na mestih, kjer je površina zrcala umazana, opazimo značilen vzorec. V praksi izvedemo preizkus tako, da stekleno površino ohladimo in jo postavimo v prostor z visoko vlažnostjo. Neenakomernost nukleacije ocenimo z očesom. Poleg opisanih enostavnih postopkov kontrole čistosti površine, obstajajo številni drugi, ki pa so dragi, zahtevni in zamudni. Temeljijo pa na uporabi površinskih analitskih tehnik, kot so Augerjeva elektronska spektroskopija, fotoelektronska spektroskopija in sekundarna masna spektroskopija. Te metode so bile v Vakuumistu že večkrat opisane. Literatura /1/ D.M. Hudson. Metal Finishing, okt 1997. st. 26 121 Contact angle, wettability and adhesion, ur. K.L Mittal, VSP. Utrecht, 1993 /3/ J.N. Israelachvili, Intermolecular and surface forces. Academic Press, London /4/ V. Marinkovič, Mejne površine, Zbornik predavanj za podiplomski študij. 1997 /5/ D.M. Matox. Handbook of physical vapor deposition (PVD) processing, Noyes PuWicationa. West wood. 1990 /6/J.E. Klemberg, L Martinu. Proc of 41st Ann. Tech. Conf. ot Society ot Vacuum Coaters, 1998 171H. Dimmgen, Proc. of 1s1. Balzers Surface Technology Forum. Bad Ragaz, 1998 Dr. Peter Panjan Institut "Jožef Stefan" Jamova 39,1000 Ljubljana 28