摘要：

      Zeta 电位测试是表征固体表面带电官能团的高效手段。依托该数据，可解析固体表面官能团解离状态，预判晶圆与颗粒等污染物间的静电相互作用。

      德国德飞（DataPhysics）生产的 ZPA 20 型 Zeta 电位分析仪 (图 1)，通过交变流动电势 / 流动电流法，可测试固体表面的 Zeta 电位。本文采用 ZPA 20 分析仪，针对不同改性硅晶圆表面电荷特性开展测试研究。该检测方案不仅适用于半导体晶圆制造，氧化硅晶圆也常作为科研领域标准平面基底使用。

图 1：德国德飞 ZPA 20 型 Zeta 电位分析仪

      固体浸入水溶液后，绝大多数表面会携带电荷：电荷来源分为两类，一是表面固有官能团解离，二是溶液中离子、分子在表面吸附。即便是本身呈电中性的基底，置于简单盐溶液中时，也会因氢氧根（OH⁻）吸附而带负电。

      当液体与固体发生相对流动时，紧贴固体表面的吸附离子层与溶液中可自由移动的离子层之间会形成剪切面（图 2）。剪切面处的电位为 Zeta电位，反映固体表面带电状态。通过不同 pH、不同盐浓度下的 Zeta 电位曲线，可反推表面官能团种类与离子吸附行为^[2]。

图 2：水溶液体系中固体表面电荷形成机理示意图

        德飞 ZPA20 Zeta 电位分析仪采用流动电势法（公式 1）与流动电流法（公式 2）两种模式计算 Zeta 电位：电解液在两片平板狭缝、纤维束等通道内做交变往复流动，剪切分离可移动离子层，检测池内产生交变电势与交变电流。通过流动电势 U_str、流动电流 I_str 与压差 Δp 的比值，即可计算 Zeta 电位 ζ^[3][4]。

在上述公式中：

η —— 溶液黏度；

ε_r —— 溶液相对介电常数；

ε₀ —— 真空介电常数；

k —— 溶液电导率；

L、H、W —— 片状样品间流道长宽高几何尺寸。

• 流动电流法：需输入流道几何尺寸，专门适配片状平面样品；
• 流动电势法：仅需溶液黏度、电导率参数，可测试纤维^[5]、粉末^[6]与片状基底^[7]。
  
  

      本实验采用流动电流法，分别测试两类硅晶圆：经清洗活化的氧化硅裸晶圆（SiO₂晶圆）、表面镀薄氨基丙基硅烷（APS）改性层的氧化硅晶圆（SiO₂-APS 晶圆），获取两类样品的 Zeta 电位与等电点。

滴定与测试流程：

仪器搭载德飞 LDU 25 自动液体滴定单元（图4），实现 pH 2~10 区间全自动滴定测试：

• 滴定流程分两组：由中性向酸性滴定、由中性向碱性滴定；
  
  
• 滴定试剂：0.1mol/L 盐酸（HCl）、0.1mol/L 氢氧化钾（KOH）；
  
  
• 检测模式：电解液双向交变流动，单次 pH 条件仅需数秒即可完成检测，数据统计学重复性优异；多次交变压力扫描得到流动电流 - 压差曲线（图 5），代入公式计算对应 pH 下的 Zeta 电位。
  
  

核心参数：等电点（IEP）：

     等电点为 Zeta 电位数值为 0 时对应的 pH 值，是判定表面可解离官能团类型的关键指标，根据部分文献经验判据：

1. IEP＜4 且高 pH 区间 Zeta‑pH 曲线趋于平台，提示表面酸性解离位点占优；

   
   

2. IEP＞5 且低 pH 区间出现平台，提示表面易质子化位点占优；

   
   

3. IEP 处于 3‑4 区间，材料可能表现两性电荷行为。

   
   

裸氧化硅晶圆（SiO₂）：

     等电点 pH=2.5，证明表面富含酸性硅羟基（Si-OH）；pH＞2.5 后表面持续带负电，pH 越高负电性越强。

APS 改性氧化硅晶圆（SiO₂-APS）：

     等电点约 pH=7，是典型碱性官能团特征，直接证明氨基硅烷薄层成功镀覆于晶圆表面；pH＜7 时表面整体带正电，与裸氧化硅晶圆电荷特性相反。

     中性水环境下，APS 改性硅晶圆表面带正电位，可大幅减少带正电颗粒污染物的静电吸附，降低半导体加工中颗粒缺陷，提升器件良率。

1. 晶圆样品表面改性层均匀、制样合格；
   
   
2. APS 改性膜层稳定性优异，交变流体冲刷过程中无脱落、溶出现象。
   
   
3. 传统单向流动测试无法识别的样品不均、涂层脱落缺陷，均可通过双向交变测试的波形畸变快速判定，制样质控能力显著优于传统方法。

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.