真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:輻照清洗

2019-12-20 真空基礎 admin 張以忱

  輻照清洗方法操作方便,能夠在短時間內高效率地去除吸附在材料表面上的碳氫化合物等污染物。相對于化學溶劑的濕法清洗,該方法可稱作干法清洗。

  一種新的清潔表面技術是利用紫外輻照來分解表面上的碳氫化合物。例如,在空氣中照射15小時就可產生清潔的玻璃表面。如果把經過適當預清洗的表面放在一個產生臭氧的紫外線源中,要不了1分鐘就可以形成清潔表面(工藝清潔表面)。

紫外輻照表面清洗機理

  紫外輻照清洗主要是依靠紫外光對表面污染物分子所起的光敏氧化作用達到表面污物清除凈化目的。在紫外線照射下,污物分子受激發并離解,由于臭氧的生成和存在而產生高活性的原子態氧,致使受激的污物分子和由污物離解產生的自由基與原子態氧的作用,形成較簡單易揮發的分子,如H2O、CO2和N2,其反應速率隨溫度的增加而增加。

  下圖給出利用紫外光/臭氧輻照清潔表面的過程,其中hv1和hv2分別表示光電子能量不同的兩個作為光源,hv2>hv1。hv1的作用是激發、分解(敏化)污染物的分子。hv2則促使氧分子分解成原子氧O和臭氧O3。臭氧在吸收了能量為hv1的光子后又能分解出原子氧,由于這些原子氧的強烈氧化作用,使被激發的污染物分子以及由污染物分子分解產生的游離碳原子等反應成H2O、CO2和N2等可揮發的氣體。當這些氣體逸出表面后,就留下一個清潔的表面。

紫外光/臭氧輻照清潔表面的過程

圖 紫外光/臭氧輻照清潔表面的過程

  大多數碳氫化合物對于波長在200nm~300nm之間的紫外光有較高的吸收系數。因此,選擇波長在這個范圍內的紫外光作為光源有利于分解碳氫化合物。把一個氧分子分解成兩個基態氧原子所需要的能量相當于波長為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當于波長為114nm的光子能量。但是,在此臨界波長上,它們的分解作用是有限的。隨著波長的縮短,光子能量增高,它們的分解作用迅速增加。

紫外光/臭氧輻照清潔裝置

  紫外光/臭氧對表面的清潔處理過程可在大氣中進行或在氧氣壓力為1.3×10-2Pa左右的真空系統中進行。

輻照清潔裝置示意圖

圖 輻照清潔裝置示意圖

1-密閉容器;2-低壓汞燈;3-被處理樣品;4-樣品架

  如上圖所示的裝置為在大氣中工作的實際裝置。采用石英管殼低壓汞燈作為輻照光源,它的峰值輻射波長為253.7nm,而且在波長184.9nm處有一定比例的輻射。石英管低壓汞燈的輻射光譜波長253.7nm和184.9nm對應于上面提到的光子能量hv1和hv2。波長為253.7nm的紫外光既能激發、分解污染物的分子,兼能促使臭氧分解為原子氧。而波長為184.9nm的紫外光適于產生臭氧。因此,石英管低壓汞燈是一個較為理想的紫外光源。

  低壓汞燈非常適宜于激發和分解污染物的分子,有助于臭氧的發生和把臭氧分解為原子氧。此外,它又是一個冷光源,即使長時間工作,管子的工作溫度仍接近室溫。因此,無需顧忌它對被處理物體表面的熱輻射影響。為了使樣品得到足夠的紫外光輻射,把樣品放在距離汞燈5mm處的樣品架上。此時,樣品表面接受到的波長為253.7nm的光子輻射,功率約為0.3mW/cm2。由于這種汞燈能產生波長為184.9nm的紫外光,可以使裝置中省去臭氧發生器,使得輻照清潔裝置結構簡單。利用這個裝置對各類材料,例如金屬(銀)、半導體(砷化鎵)和介質(陶瓷)等進行表面進行清潔處理,都能取得令人滿意的結果。

紫外光/臭氧輻照方法的應用

  紫外光/臭氧輻照表面清潔方法的應用范圍極為廣泛,對以下所述的各種污染物都有良好的清除效果:①人體油脂②由于長期暴露在大氣中而產生的污染③機械切削用的潤滑油④蜂臘和松香的混合物⑤研磨液⑥機械泵油⑦硅擴散泵油⑧硅真空樹脂⑨焊料⑩鉛錫焊條中的松香焊劑集成電路中的感光膠碳膜有機膜。

  但是紫外光/臭氧對無機物,如塵埃和鹽類的清除是無能為力的。必須通過預清潔處理把這些物質去除才能達到徹底的清潔效果。例如,人體油脂中的無機鹽是不會產生光敏氧化反應的物質,即使把這些鹽類長期暴露在紫外光/臭氧氣氛中也不會起作用。為了充分發揮紫外光/臭氧的表面清潔作用,在某些情況下,對被處理的表面進行預清潔處理是必要的。預清潔的方式應按照材料本身的性質和特點來選擇。歸納起來,預處理的目的有以下兩點:

 、偃コ切┎荒苻D換為揮發性氣體的物質,如塵埃和無機鹽類。

 、谌コ皆谖矬w表面上的那層阻礙紫外光和臭氧滲透到污染物分子中去的厚膜,提高表面清潔的速率。

  紫外光對人體和眼睛均有灼傷作用。工作時必須避免皮膚和眼睛直接接觸紫外光。臭氧是一種有毒的氣體,操作時應把處理裝置放在通風良好的地方,確保人身安全。紫外光/臭氧表面清潔方法不僅能作為清潔器去除吸附在表面上的污染物,而且可以作為貯存器長期保持被貯存物體的清潔度,使其不再受大氣的污染。由于它的工作機理建立在紫外光對被處理物體表面上的污染物分子所起的光敏氧化作用,所以對于一些易于氧化或不充許氧化的材料在選用這種清潔技術時,應謹慎考慮它的后果。