真空工艺 | 表面净化处理的基本方法:辐照清洗

2019-12-20 admin 张以忱

  辐照清洗方法操作方便,能够在短时间内高效率地去除吸附在材料表面上的碳氢化合物等污染物。相对于化学溶剂的湿法清洗,该方法可称作干法清洗。

  一种新的清洁表面技术是利用紫外辐照来分解表面上的碳氢化合物。例如,在空气中照射15小时就可产生清洁的玻璃表面。如果把经过适当预清洗的表面放在一个产生臭氧的紫外线源中,要不了1分钟就可以形成清洁表面(工艺清洁表面)。

紫外辐照表面清洗机理

  紫外辐照清洗主要是依靠紫外光对表面污染物分子所起的光敏氧化作用达到表面污物清除净化目的。在紫外线照射下,污物分子受激发并离解,由于臭氧的生成和存在而产生高活性的原子态氧,致使受激的污物分子和由污物离解产生的自由基与原子态氧的作用,形成较简单易挥发的分子,如H2O、CO2和N2,其反应速率随温度的增加而增加。

  下图给出利用紫外光/臭氧辐照清洁表面的过程,其中hv1和hv2分别表示光电子能量不同的两个作为光源,hv2>hv1。hv1的作用是激发、分解(敏化)污染物的分子。hv2则促使氧分子分解成原子氧O和臭氧O3。臭氧在吸收了能量为hv1的光子后又能分解出原子氧,由于这些原子氧的强烈氧化作用,使被激发的污染物分子以及由污染物分子分解产生的游离碳原子等反应成H2O、CO2和N2等可挥发的气体。当这些气体逸出表面后,就留下一个清洁的表面。

紫外光/臭氧辐照清洁表面的过程

图 紫外光/臭氧辐照清洁表面的过程

  大多数碳氢化合物对于波长在200nm~300nm之间的紫外光有较高的吸收系数。因此,选择波长在这个范围内的紫外光作为光源有利于分解碳氢化合物。把一个氧分子分解成两个基态氧原子所需要的能量相当于波长为245.4nm的紫外光的能量,把臭氧分解成原子氧所要求的能量相当于波长为114nm的光子能量。但是,在此临界波长上,它们的分解作用是有限的。随着波长的缩短,光子能量增高,它们的分解作用迅速增加。

紫外光/臭氧辐照清洁装置

  紫外光/臭氧对表面的清洁处理过程可在大气中进行或在氧气压力为1。3×10-2Pa左右的真空系统中进行。

辐照清洁装置示意图

图 辐照清洁装置示意图

1-密闭容器;2-低压汞灯;3-被处理样品;4-样品架

  如上图所示的装置为在大气中工作的实际装置。采用石英管壳低压汞灯作为辐照光源,它的峰值辐射波长为253。7nm,而且在波长184。9nm处有一定比例的辐射。石英管低压汞灯的辐射光谱波长253。7nm和184。9nm对应于上面提到的光子能量hv1和hv2。波长为253。7nm的紫外光既能激发、分解污染物的分子,兼能促使臭氧分解为原子氧。而波长为184。9nm的紫外光适于产生臭氧。因此,石英管低压汞灯是一个较为理想的紫外光源。

  低压汞灯非常适宜于激发和分解污染物的分子,有助于臭氧的发生和把臭氧分解为原子氧。此外,它又是一个冷光源,即使长时间工作,管子的工作温度仍接近室温。因此,无需顾忌它对被处理物体表面的热辐射影响。为了使样品得到足够的紫外光辐射,把样品放在距离汞灯5mm处的样品架上。此时,样品表面接受到的波长为253.7nm的光子辐射,功率约为0.3mW/cm2。由于这种汞灯能产生波长为184.9nm的紫外光,可以使装置中省去臭氧发生器,使得辐照清洁装置结构简单。利用这个装置对各类材料,例如金属(银)、半导体(砷化镓)和介质(陶瓷)等进行表面进行清洁处理,都能取得令人满意的结果。

紫外光/臭氧辐照方法的应用

  紫外光/臭氧辐照表面清洁方法的应用范围极为广泛,对以下所述的各种污染物都有良好的清除效果:①人体油脂②由于长期暴露在大气中而产生的污染③机械切削用的润滑油④蜂腊和松香的混合物⑤研磨液⑥机械泵油⑦硅扩散泵油⑧硅真空树脂⑨焊料⑩铅锡焊条中的松香焊剂集成电路中的感光胶碳膜有机膜。

  但是紫外光/臭氧对无机物,如尘埃和盐类的清除是无能为力的。必须通过预清洁处理把这些物质去除才能达到彻底的清洁效果。例如,人体油脂中的无机盐是不会产生光敏氧化反应的物质,即使把这些盐类长期暴露在紫外光/臭氧气氛中也不会起作用。为了充分发挥紫外光/臭氧的表面清洁作用,在某些情况下,对被处理的表面进行预清洁处理是必要的。预清洁的方式应按照材料本身的性质和特点来选择。归纳起来,预处理的目的有以下两点:

  ①去除那些不能转换为挥发性气体的物质,如尘埃和无机盐类。

  ②去除吸附在物体表面上的那层阻碍紫外光和臭氧渗透到污染物分子中去的厚膜,提高表面清洁的速率。

  紫外光对人体和眼睛均有灼伤作用。工作时必须避免皮肤和眼睛直接接触紫外光。臭氧是一种有毒的气体,操作时应把处理装置放在通风良好的地方,确保人身安全。紫外光/臭氧表面清洁方法不仅能作为清洁器去除吸附在表面上的污染物,而且可以作为贮存器长期保持被贮存物体的清洁度,使其不再受大气的污染。由于它的工作机理建立在紫外光对被处理物体表面上的污染物分子所起的光敏氧化作用,所以对于一些易于氧化或不充许氧化的材料在选用这种清洁技术时,应谨慎考虑它的后果。