UV臭氧清潔：理論與應用

紫外線臭氧清潔依賴于使用高強度紫外線光源，該光源用兩種特定波長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格燈，它有兩個主要發射峰在184 nm和254 nm。在照射過程中，空氣中的分子氧被波長小于200 nm的輻射分解。這導致形成兩個氧自由基。這些自由基繼續與更多的分子氧反應，形成臭氧分子。

同時，使用254 nm的光來激發樣品表面存在的有機物。這個過程增加了污染物與臭氧的反應性。反應后，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程，其中激發態的有機分子與臭氧分子發生化學反應，導致鍵的斷裂和分子從表面的脫離。該過程使用高強度UV光源，具有兩個主要發射峰在185 nm和254 nm。這兩個波長分別負責不同的過程，最終導致表面的清潔。

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

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

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

紫外臭氧如何改變表面能？

UV臭氧處理通過兩種方法改變樣品的表面能。其中一種是通過去除表面的低能污染物。這些通常是有機的大氣污染物，已吸附在基底的表面。另一種方法是通過處理表面并在樣品表面形成高能鍵。

污染物的去除是通過光氧化過程進行的。這個過程由于有機材料的化學分解，導致污染物從表面上解吸。通常，基底是一個高能表面，如陶瓷或金屬，這使得樣品的表面能與未處理時相比增加。這種處理不會永遠持續，因為隨著時間的推移，有機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在基底表面形成羥基官能團。在輻照過程中，253.7 nm的光可以分解水分子，生成OH和O自由基。羥基自由基通常會與存在的臭氧反應生成水和氧氣，然而，當水的紫外線降解發生在樣品表面附近時，羥基自由基可以與表面反應，形成一個官能團。這個官能團具有較高的鍵能，導致大多數表面的表面能增加。

臭氧紫外線應用

UV臭氧清潔是一種多功能技術，可以應用于各種材料，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用，這意味著該方法在多個學科中具有廣泛的應用。該技術的兩種主要應用是表面清潔和表面處理。

表面清潔：

使用UV臭氧清潔進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物。該過程結果是得到一個原子級清潔的表面，沒有任何有機污染物。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：

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

其他紫外線臭氧清潔的應用包括紫外線固化、紫外線化學反應、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 半導體

√載玻片和基底    √AFM/STM 探針    √光學元件    √培養皿

表面單層的去除

在該應用中，我們使用了紫外臭氧清洗機來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濕性。

在經過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是一種有機分子，用于制造有機場效應晶體管，以改善沉積膜的電氣性能。它包含一個三氯硅烷基團，該基團與硅的原生氧化物反應，在表面形成三個硅氧鍵。這些鍵在硅襯底的表面重復，直到整個表面覆蓋一層OTS。

長碳氫鏈導致底物具有非常低的表面能。因此，高表面能溶劑（如水）的潤濕成為不可能，沉積液滴的接觸角很高。經過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

表面處理可以用來提高基底的表面能。處理時間（暴露于臭氧的時長）可以改變表面能的變化程度。

在不同臭氧暴露時間后的PMMA基底上測量水的接觸角。

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，由于發生不良潤濕，從具有高表面張力溶劑的溶液中涂覆薄膜可能會很困難。

評估潤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 接觸角測量儀測量），潤濕效果就越好。使用紫外線臭氧清潔可以處理表面以改善溶劑的潤濕性。

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

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