真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:輻照清洗

2019-12-20 admin 張以忱

  輻照清洗方法操作方便,能夠在短時(shí)間內(nèi)高效率地去除吸附在材料表面上的碳?xì)浠衔锏任廴疚铩O鄬?duì)于化學(xué)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(shù)是利用紫外輻照來分解表面上的碳?xì)浠衔。例如,在空氣中照?5小時(shí)就可產(chǎn)生清潔的玻璃表面。如果把經(jīng)過適當(dāng)預(yù)清洗的表面放在一個(gè)產(chǎn)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(jī)理

  紫外輻照清洗主要是依靠紫外光對(duì)表面污染物分子所起的光敏氧化作用達(dá)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(fā)并離解,由于臭氧的生成和存在而產(chǎn)生高活性的原子態(tài)氧,致使受激的污物分子和由污物離解產(chǎn)生的自由基與原子態(tài)氧的作用,形成較簡單易揮發(fā)的分子,如H2O、CO2和N2,其反應(yīng)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(gè)作為光源,hv2>hv1。hv1的作用是激發(fā)、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(qiáng)烈氧化作用,使被激發(fā)的污染物分子以及由污染物分子分解產(chǎn)生的游離碳原子等反應(yīng)成H2O、CO2和N2等可揮發(fā)的氣體。當(dāng)這些氣體逸出表面后,就留下一個(gè)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(shù)碳?xì)浠衔飳?duì)于波長在200nm~300nm之間的紫外光有較高的吸收系數(shù)。因此,選擇波長在這個(gè)范圍內(nèi)的紫外光作為光源有利于分解碳?xì)浠衔。把一個(gè)氧分子分解成兩個(gè)基態(tài)氧原子所需要的能量相當(dāng)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(dāng)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(duì)表面的清潔處理過程可在大氣中進(jìn)行或在氧氣壓力為1.3×10-2Pa左右的真空系統(tǒng)中進(jìn)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(shí)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(duì)應(yīng)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(fā)、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(chǎn)生臭氧。因此,石英管低壓汞燈是一個(gè)較為理想的紫外光源。

  低壓汞燈非常適宜于激發(fā)和分解污染物的分子,有助于臭氧的發(fā)生和把臭氧分解為原子氧。此外,它又是一個(gè)冷光源,即使長時(shí)間工作,管子的工作溫度仍接近室溫。因此,無需顧忌它對(duì)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(shí),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(chǎn)生波長為184.9nm的紫外光,可以使裝置中省去臭氧發(fā)生器,使得輻照清潔裝置結(jié)構(gòu)簡單。利用這個(gè)裝置對(duì)各類材料,例如金屬(銀)、半導(dǎo)體(砷化鎵)和介質(zhì)(陶瓷)等進(jìn)行表面進(jìn)行清潔處理,都能取得令人滿意的結(jié)果。

紫外光/臭氧輻照方法的應(yīng)用

  紫外光/臭氧輻照表面清潔方法的應(yīng)用范圍極為廣泛,對(duì)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(chǎn)生的污染③機(jī)械切削用的潤滑油④蜂臘和松香的混合物⑤研磨液⑥機(jī)械泵油⑦硅擴(kuò)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(jī)膜。

  但是紫外光/臭氧對(duì)無機(jī)物,如塵埃和鹽類的清除是無能為力的。必須通過預(yù)清潔處理把這些物質(zhì)去除才能達(dá)到徹底的清潔效果。例如,人體油脂中的無機(jī)鹽是不會(huì)產(chǎn)生光敏氧化反應(yīng)的物質(zhì),即使把這些鹽類長期暴露在紫外光/臭氧氣氛中也不會(huì)起作用。為了充分發(fā)揮紫外光/臭氧的表面清潔作用,在某些情況下,對(duì)被處理的表面進(jìn)行預(yù)清潔處理是必要的。預(yù)清潔的方式應(yīng)按照材料本身的性質(zhì)和特點(diǎn)來選擇。歸納起來,預(yù)處理的目的有以下兩點(diǎn):

 、偃コ切┎荒苻D(zhuǎn)換為揮發(fā)性氣體的物質(zhì),如塵埃和無機(jī)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(duì)人體和眼睛均有灼傷作用。工作時(shí)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(shí)應(yīng)把處理裝置放在通風(fēng)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(jī)理建立在紫外光對(duì)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(duì)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(shù)時(shí),應(yīng)謹(jǐn)慎考慮它的后果。