UV臭氧清潔：理論與應(yīng)用

紫外線臭氧清潔依賴于使用高強(qiáng)度紫外線光源，該光源用兩種特定波長(zhǎng)的光照射待清潔表面。通常使用低壓汞蒸氣放電燈，例如Ossila公司的合成石英紫外線網(wǎng)格燈，它有兩個(gè)主要發(fā)射峰在184 nm和254 nm。在照射過(guò)程中，空氣中的分子氧被波長(zhǎng)小于200 nm的輻射分解。這導(dǎo)致形成兩個(gè)氧自由基。這些自由基繼續(xù)與更多的分子氧反應(yīng)，形成臭氧分子。

同時(shí)，使用254 nm的光來(lái)激發(fā)樣品表面存在的有機(jī)物。這個(gè)過(guò)程增加了污染物與臭氧的反應(yīng)性。反應(yīng)后，材料從表面被清理。

紫外臭氧如何清潔樣品？

UV臭氧清潔是一種光敏氧化過(guò)程，其中激發(fā)態(tài)的有機(jī)分子與臭氧分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鍵的斷裂和分子從表面的脫離。該過(guò)程使用高強(qiáng)度UV光源，具有兩個(gè)主要發(fā)射峰在185 nm和254 nm。這兩個(gè)波長(zhǎng)分別負(fù)責(zé)不同的過(guò)程，最終導(dǎo)致表面的清潔。

200納米以下的輻射被分子氧強(qiáng)烈吸收。被吸收的光子能量足以破壞氧氧雙鍵，從而形成兩個(gè)氧自由基（O•）。這些自由基隨后可以與分子氧反應(yīng)，生成臭氧分子（O3）。

許多基底表面存在的有機(jī)物很容易吸收254納米波長(zhǎng)的紫外線。所產(chǎn)生的激子將處于高能態(tài)，且能量可能足以使某些分子生成有機(jī)自由基。

表面存在的激發(fā)態(tài)和有機(jī)自由基物種容易與大氣中的臭氧反應(yīng)，生成二氧化碳、水、分子氮和短鏈有機(jī)化合物等揮發(fā)性物質(zhì)。這些揮發(fā)性化合物在大氣條件下很容易從表面解吸，留下一個(gè)原始表面。

紫外臭氧如何改變表面能？

UV臭氧處理通過(guò)兩種方法改變樣品的表面能。其中一種是通過(guò)去除表面的低能污染物。這些通常是有機(jī)的大氣污染物，已吸附在基底的表面。另一種方法是通過(guò)處理表面并在樣品表面形成高能鍵。

污染物的去除是通過(guò)光氧化過(guò)程進(jìn)行的。這個(gè)過(guò)程由于有機(jī)材料的化學(xué)分解，導(dǎo)致污染物從表面上解吸。通常，基底是一個(gè)高能表面，如陶瓷或金屬，這使得樣品的表面能與未處理時(shí)相比增加。這種處理不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，有機(jī)污染物將開始重新吸收回到表面，從而逐漸降低表面能。

紫外線臭氧處理改善表面能的第二種方式是通過(guò)在基底表面形成羥基官能團(tuán)。在輻照過(guò)程中，253.7 nm的光可以分解水分子，生成OH和O自由基。羥基自由基通常會(huì)與存在的臭氧反應(yīng)生成水和氧氣，然而，當(dāng)水的紫外線降解發(fā)生在樣品表面附近時(shí)，羥基自由基可以與表面反應(yīng)，形成一個(gè)官能團(tuán)。這個(gè)官能團(tuán)具有較高的鍵能，導(dǎo)致大多數(shù)表面的表面能增加。

臭氧紫外線應(yīng)用

UV臭氧清潔是一種多功能技術(shù)，可以應(yīng)用于各種材料，提供表面清潔和處理。它還可以用于需要臭氧或紫外線光的多種其他應(yīng)用，這意味著該方法在多個(gè)學(xué)科中具有廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)的兩種主要應(yīng)用是表面清潔和表面處理。

表面清潔：

使用UV臭氧清潔進(jìn)行表面清潔通常是在清潔程序的步，以去除樣品表面殘余的有機(jī)物。該過(guò)程結(jié)果是得到一個(gè)原子級(jí)清潔的表面，沒有任何有機(jī)污染物。可以使用UV臭氧清潔去除的污染物包括光刻膠、人類皮膚油、塑料表面/硅油殘留物、樹脂、清潔溶劑殘留物和焊劑。

表面處理：

在清潔過(guò)程中，臭氧和氧自由基的形成可以與空氣中的水分子發(fā)生反應(yīng)。這導(dǎo)致了羥基自由基的形成。這些壽命短、高度反應(yīng)性的物種可以與基底表面的鍵發(fā)生反應(yīng)，從而形成高能羥基集團(tuán)。這有助于通過(guò)增加基底的表面能來(lái)準(zhǔn)備樣品。

其他紫外線臭氧清潔的應(yīng)用包括紫外線固化、紫外線化學(xué)反應(yīng)、表面單分子層的去除、表面氧化和微圖案化。可以使用紫外線臭氧清潔處理的常見材料包括：

√石英/玻璃  √硅 / 硅氧化物   √金屬和金屬氧化物    √III-V 半導(dǎo)體

√載玻片和基底    √AFM/STM 探針    √光學(xué)元件    √培養(yǎng)皿

表面單層的去除

在該應(yīng)用中，我們使用了紫外臭氧清洗機(jī)來(lái)去除硅片表面的正辛基三氯硅烷 (OTS) 表層，以改善水性溶液在硅基底上的潤(rùn)濕性。

在經(jīng)過(guò)OTS處理的硅基板（表面為300 nm SiO₂）上的水滴，分別在臭氧紫外線清潔前和10分鐘后。

OTS是一種有機(jī)分子，用于制造有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以改善沉積膜的電氣性能。它包含一個(gè)三氯硅烷基團(tuán)，該基團(tuán)與硅的原生氧化物反應(yīng)，在表面形成三個(gè)硅氧鍵。這些鍵在硅襯底的表面重復(fù)，直到整個(gè)表面覆蓋一層OTS。

長(zhǎng)碳?xì)滏湆?dǎo)致底物具有非常低的表面能。因此，高表面能溶劑（如水）的潤(rùn)濕成為不可能，沉積液滴的接觸角很高。經(jīng)過(guò)OTS處理的底物暴露在紫外線臭氧下大約10分鐘以清潔十八烷碳鏈的表面。處理增加了表面能，使水滴在底物表面濕。

處理塑料表面

表面處理可以用來(lái)提高基底的表面能。處理時(shí)間（暴露于臭氧的時(shí)長(zhǎng)）可以改變表面能的變化程度。

在不同臭氧暴露時(shí)間后的PMMA基底上測(cè)量水的接觸角。

例如，塑料基板由于富含C-H鍵和其他類似的低能鍵，表面能非常低。因此，由于發(fā)生不良潤(rùn)濕，從具有高表面張力溶劑的溶液中涂覆薄膜可能會(huì)很困難。

評(píng)估潤(rùn)濕程度的一種方法是觀察液滴在基底表面的接觸角。特定溶劑在基底表面的接觸角越小（可用Ossila 接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量），潤(rùn)濕效果就越好。使用紫外線臭氧清潔可以處理表面以改善溶劑的潤(rùn)濕性。

在紫外線臭氧處理過(guò)程中，臭氧與表面鍵反應(yīng)，分解有機(jī)基團(tuán)并最終釋放揮發(fā)性物質(zhì)。在此過(guò)程中，中間步驟包括低能鍵（如C-H鍵）被高能基團(tuán)（如C-OH）取代。

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