表面活性剂在电子与信息技术领域的应用
魏星星1，王全杰2，张萌萌2
（1.大连工业大学轻工与化学工程学院 ，辽宁 大连 116000； 2.烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264000 ）
摘要：本文综合评述和介绍了表面活性剂在电子信息技术里的应用。如今表面活性剂已被广泛的应用在半导体集成电路中硅材料的制备、电子陶瓷的加工、电子影像材料的制造和磁记录材料的生产中。随着科技的发展表面活性剂的应用范围也将越来越广泛。
关键词：表面活性剂；电子与信息技术；应用
Application of surfactant in electronics and information technology
WEI Xing-xing1,WANG Quan-jie2,ZHANG Meng-meng2
(1. Dalian Polytechnic University Institute of light industry and chemical engineering,Dalian 116000, liaoning province,China；2.YanTai University Chemistry and chemical engineering YanTai 264000,shangdong province,China )
Abstract: This paper reviews and introduces the application of surfactants in the electronic information technology. Now surfactants has been widely used in the preparation of silicon materials in semiconductor integrated circuit, electronic ceramics processing and manufacturing of electronic image materials and magnetic recording material production. With the development of science and technology ,the application scope of surfactant will be more and more widely .
Key words: surfactant;electronics and information technology;application
作者简介：魏星星（1990-），男，河南信阳人，大连工业大学研究生，主要从事表面活性剂的研究，电话：18766573109，E-mail:1187405501@qq.com。
联系人简介：王全杰（1950-），男，河南武陟人，烟台大学教授，电话：13905350771
电子与信息技术是最具发展潜力的技术，而作为“工业味精”的表面活性剂在电子与信息技术领域的半导体集成电路的制备，电子陶瓷的加工、电子影像材料的制造和磁记录材料的生产中都是必不可少的材料。表面活性剂与电子信息技术的结合是一种必然趋势，也是表面活性剂领域本身发展的一种需要。
1 表面活性剂在半导体集成电路制造中的应用
表面活性剂以其特有的降低表面张力特性和分散悬浮及润湿渗透作用在半导体集成电路工业中的应用越来越广范，尤其是在硅材料的切片、磨光、抛光及清洁工艺中。表面活性剂已经成为硅材料加工中减少损伤和缺陷，降低污染必不可少的辅助材料。
1.1 表面活性剂在切片工艺中的应用
将硅单晶由晶棒加工成硅片，切片工艺是必不可少的。目前，硅单晶切片主要有内切割和线切割两种工艺。在切片过程中使用添加了表面活性剂的切削液，既可以降低切片的机械摩擦力、缓解刀具的磨损、减少修刀次数、提高切片效率，又可以降低硅片的磨损、提高硅片的质量、提升成品率。
1.2 表面活性剂在磨片工艺中的应用[1]
切片之后在晶片上一般都会留有刀痕，使硅单晶片由上至下形成破碎层、损伤层、畸变层影响成品的性能[2]，这是由于在硅单晶表面有损伤的地方，P -N 结的二极管噪声将会增加，这对于所生产的器件来说是极其不利的。在生产过程中使用在去除破损层的同时具有降低损伤层和应力层的能力的磨削液，可以显著的提升器件或集成电路的性能。表面活性剂具有良好的渗透和分散悬浮作用。将其与切削液复配使用可以更加容易地渗透到磨料微粒之下，破损层在经过磨粒强劲的摩擦之后就可以轻易的去除，而又不至于伤害工件表面。这样既可以提升工作效率，又可以提高产品质量。
1.3 表面活性剂在硅片加工中的清洗作用
表面活性剂在硅片加工中的清洗作用主要表现在切削、油污及金属离子的清除。切屑、油污等粘附在硅片表面和刀具上不仅影响切削效果，而且容易使机床和工件变脏。表面活性剂不仅可以在硅表面形成一层吸附膜防止粒子和油污吸附在刀具和硅表面上，而且可以在渗透到粒子和油污的粘附界面使其随切削液带走。硅片在加工过程中不可避免的会引进一些钠、镁、钙离子。这些金属杂质在高温反复加工时容易扩散到硅片内部，使器件漏电流増大影响器件的稳定性和可靠性[3]。在磨片、抛光浆中加入FA/O多元胺醇型表面活性剂，可以与金属离子产生螯合作用将其包裹住而达到去除金属离子的作用。
除此，表面活性剂还被广泛应用在硅材料的抛光，光刻工艺中[4,5]。
2 表面活性剂在电子陶瓷加工中的应用
电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料。其常规生产工艺主要包括粉体的制备、成型、烧结和表面金属化等主要过程[6]。
2.1 表面活性剂在原粉制备中的应用
在沉淀法生产超细粉体工艺过程中引入表面活性剂[7]，粒子因吸附了离子型表面活性剂而带同种电荷而相互排斥，或表面活性剂一端紧密的吸附于粒子表面，另一端尽可能地伸向溶液中，形成空间位阻来减少团聚。聚电解质就是一种具有此类特性的表面活性剂[8]，在陶瓷工业中聚丙烯酸铵（盐）已被当做分散剂广泛的应用于分散水相中的铝氧化物。一些水溶性的聚合物表面活性剂不仅可以在水相中有效的分散氧化物粉末，而且在后续的工序中这些表面活性剂又可用作黏合剂，具有更好的应用前景。例如聚乙烯吡咯烷酮在生产氧化铝超细粉体是一种很好的分散剂，而在氧化铝的水溶液浇注体系中聚乙烯吡咯烷酮又可作为黏合剂。
溶胶-凝胶法制备粉体中的一个关键问题也是粉体的团聚问题。抑制团聚的方法是使用包括亲液高分子、表面活性剂及配合剂等种类的防护剂，来有效的抑制团聚[9]。它们吸附在超微颗粒的表面，通过库仑力、渗透压及位阻作用，在颗粒间产生排斥力，从而抑制团聚体形成。
2.2 表面活性剂在成型加工的应用
均匀高密的新微细结构是在制得窄分布的原粉后进行挤压成型而得到的。生产中通常将制得的窄分布的原粉在完全稳定的分散状态下进行填充，然后通过沉降、注浆、带式成型和电泳沉积等陶瓷加工技术得到均匀高密的陶胚（生陶）。
带状成形技术通常用于生产扁平的陶胚，之后在扁平陶胚的基础上又可生产各种基片、多层电容及集成电路包等电子陶瓷产品。在带状成型过程中[10]，表面活性剂与溶剂、黏合剂及増塑剂一起应用来制备陶瓷浆，而后水平放在刮刀下面形成薄的陶瓷片。在陶瓷加工过程中所使用的普通表面活性剂通常是以氢键或弱化学键与粒子表面相结合，结合力相对较弱。而一些能够与粒子表面起化学作用（螯合或偶合）而形成强烈键合的表面活性，能够保证在后续的加工过程中分散剂能停留在粒子表面而不轻易脱落。所以螯（偶）合型表面活性剂在带状成形体系中优势明显，如有机钛酸酯和有机硅烷。但是由于金属组分在烧结过程中不能从陶瓷体中除去，在使用螯合剂做电子陶瓷制造中的表面活性剂时，必须保证金属组分不影响陶瓷的电子性能，也不干扰烧结过程。
3 表面活性剂在电子影像材料中的应用[11]
电子影像是将光、热、静电、放射线、磁、电化学等物理及化学现象组合起来或者只利用单独一种来摄取对象信息并以可见图像的形式记录下来的电子技术总称。与传统的利用卤化银感光材料成像相比，电子成像具有高效快速、干法加工、污染少及应用范围广的优点。
而表面活性剂在电子影像材料中应用主要集中在静电复印中显影剂的制备，喷墨打印硬拷贝中水墨的改性和打印纸的制作和热转移硬拷贝中。
3.1 静电复印中的表面活性剂
静电复印纸是由介电层和导电层组成。导电层的导电剂采用无机盐，但无机盐的导电性受湿度影响较大，可换成导电性聚合物，如含季铵盐的聚乙烯醇。介电层则通过显影剂引入较高的静电荷来保持静电潜影。表面活性剂在静电复印中的应用主要体现在显影剂的组成上如表1所示。
表1 电子显影剂组成
Tab1 Electronic developer
|
组成 |
含量 |
举例 |
|
热可塑性树脂 |
80%~90% |
聚苯乙烯、苯乙烯丙乙烯共聚物、聚酯醇酸脂、聚酰胺树脂 |
|
上色剂 |
5%~15% |
碳黑、有机颜料 |
|
抗静电剂 |
l%~5% |
|
|
清理剂 |
0.1~0.1% |
脂肪酸金属盐，含氟表面活性剂、氮氧化物衍生物 |
|
流动化剂 |
0.1%~2% |
胶质硅、白土、滑石、非离子表面活性剂 |
|
填加剂 |
1%~5% |
碳酸钙、白土、滑石 |
3.2 喷墨打印硬拷贝中的表面活性剂
喷墨打印是墨滴喷射到纸上进而形成图像和文字。由于油墨导电性差，需在高湿环境下打印操作，且挥发污染严重，故喷墨打印发展主流是水墨打印。但相应的问题是水墨的耐湿牢度不够。季铵盐类表面活性剂和脂肪酸钠盐及钙盐的加入可有效地改善耐湿牢度。原因在于水墨颜料多为水溶性直接染料、酸性染料、阳离子染料和食用染料等，其分子结构中的多个羧基和磺酸基可与季铵盐及二价金属离子结合提高牢度。另外，表面活性剂除作固色剂外，还可以用作颜料、非水溶性染料在水中的分散剂。
在喷墨打印纸制作中，涂层压光是必备工序，但压光会破坏纸表面多孔性，导致吸墨能力降低。如果不经过压光处理打印纸的光洁度又会受到影响。在制作喷墨打印纸时加入HLB值在4~10之间的非离子表面活性剂，可抑制水溶性涂料在基材上的造膜性，增加毛细管数，降低毛细管表面张力，从而使喷墨打印纸在经过压光之后仍具有较高的吸墨能力。较为合适的表面活性剂包括聚氧乙烯型表面活性剂、聚丙烯衍生物及多元醇衍生物等。
3.3 热转移硬拷贝中的表面活性剂
热转移法制作硬拷贝需要染料给予体色带和染料接受体相纸两部分。染料色带是在极薄的基体一侧涂布升华染料及胶粘剂，另一侧涂耐热层和润滑层。非离子表面活性剂用于隔热层有助于改善表面润湿性，卵磷脂类加入色带可防卷曲。
4 表面活性剂在磁记录材料中的应用
磁记录材料自问世以来，随着电子工业的飞速发展，其自身也高速度发展着，目前已成为一个大的工业体系。一般的磁性涂料通常由磁粉、胶粘剂、分散剂、有机溶剂及其它添加剂组成。由于单独将磁粉与胶粘剂混合时很难得到均匀的混合体，因此必须加入分散剂和有机溶剂，这样在经球磨机充分混合后，即可得到分散性较好的高性能磁性涂料[12]。
表面活性剂是最常用的分散剂。通过亲水基与表面自由能高的磁粉结合，使磁粉表面形成一层由疏水基团构成的表面自由能低的亲油层。磁粉由原来的亲水性变为亲油性，从而加速磁粉在胶黏剂有机相中的均匀分散，保证胶黏剂对磁粉表面的润湿，排出空气，提高磁浆稳定性，改善磁浆质量，缩短制浆时间，增加磁粉填充量提高磁带性能。
用于磁粉的表面活性剂型分散剂有[13]:环烷酸锌、十二烷基硫酸酯、二辛基硫代琥珀酸、脂肪酸酯、烷基苯磺酸盐、甘油脂肪酸酯、山梨醇甘油酸酯、烷基苯季氨盐、大豆磷酯、卵磷酯、有机磷酸酯等。目前常用的为大豆磷醋和有机磷酸醋。
近年来随着科学技术的不断进步，表面活性剂的应用范围也正在飞速的扩展着。我们不仅可以在纺织、造纸、涂料、皮革等传统工业中见到它的身影，其在电子科技、医药等高新技术领域的应用也越来越广泛。因此，可以说只要有界/表面存在的地方，表面活性剂就会有用武之地。
参考文献
[1] 刘玉玲, 檀柏梅. 表面活性剂在半导体硅材料加工技术中的应用[J]. 河北工业大学学报, 2004, 33(2): 73-74.
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[3] 刘玉岭等,硅单晶片镜面吸附物吸附状态的研究,稀有金属,1999,23(2):85一89.
[4] 戴猷元, 张瑾. 集成电路工艺中的化学品[M]. 北京:化学工业出版社, 2007.
[5] 陈子俊. 表面活性剂在半导体工业中的应用初探[J]. 精细石油化工, 1990, (6): 37-38.
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[8] 杨锦宗, 张淑芬. 表面活性剂与高新技术产业[J]. 精细化工, 2002, 19(1): 1-2.
[9] 王歆, 庄志强, 周海牛. 电子陶瓷的溶胶-凝胶法制备技术[J]. 山东陶瓷, 2001, 24(1): 14-15.
[10] 王军, 杨许召. 表面活性剂新应用[M]. 北京:北京工业出版社, 2009.
[11] 李路海. 电子影像材料中的表面活性剂[J]. 感光材料, 1995, (3): 39-42.
[12] 王红. 磁记录材料用磁粉分散剂[J]. 黎明化学, 1991, (3): 11-12.
[13] 张雪莉, 王正东. 磁粉的分散技术[J]. 磁记录材料, 1995, (1): 1-3.
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