紫外臭氧清洗机的原理及应用
一、引言
UV臭氧清洗依赖于高强度紫外光源，该光源以两种特定波长的光照射待清洁表面。通常使用低压汞蒸气放电灯，例如Ossila UV臭氧清洗机中的合成石英紫外线栅格灯，其在184 nm和254 nm处具有两个主要发射峰。当受到照射时，空气中存在的分子氧被波长低于200 nm的辐射解离，形成两个氧自由基。这些自由基随后与更多分子氧反应形成臭氧分子。
同时，254 nm波长的光用于激发样品表面存在的有机物质。这一过程增强了污染物与臭氧的化学反应活性。通过反应，污染物最终从表面被清除。
二、紫外线臭氧如何清洁样品？
UV臭氧清洗是一种光敏氧化过程，其中处于激发态的有机分子与臭氧分子发生化学反应，导致化学键断裂和分子从表面解离。该过程采用高强度紫外光源，其在185 nm和254 nm处具有两个主要发射峰。这两个波长分别负责不同的反应过程，最终实现表面清洁。
波长低于200 nm的辐射会被分子氧强烈吸收。吸收的光子能量足以破坏氧-氧双键，导致形成两个氧自由基（O•）。这些自由基随后可与分子氧反应生成臭氧分子（O3）。
254 nm波长的紫外辐射易被许多基底表面存在的有机物吸收。形成的激子将处于高能态，其能量也可能足以使某些分子生成有机自由基。
表面存在的激发态和有机自由基会与大气中的臭氧迅速反应，导致形成二氧化碳、水、分子氮及短链有机化合物等挥发性物质。这些挥发性物质在常压下可轻易从表面脱附，从而获得洁净表面。
三、紫外线臭氧如何改变表面能？
UV臭氧处理通过两种方式改变样品的表面能。第一种是通过去除表面的低能污染物，这些污染物通常是吸附在基底表面的有机大气污染物。第二种方式是通过表面处理，在样品表面形成高能化学键。
污染物的去除通过光氧化过程实现。该过程导致有机材料的化学分解，从而使污染物从表面脱附。基底材料通常具有较高的表面能（如陶瓷或金属），因此处理后样品表面能相较于未处理状态有所提升。但此效果并非永久性，随着时间推移有机污染物会重新吸附，逐渐降低表面能。
第二种机制涉及在基底表面形成羟基官能团。辐照过程中，253.7 nm波长的光可分解水分子，产生OH和O自由基。羟基自由基通常会与臭氧反应生成水和氧气，但当水的光解发生在样品表面附近时，羟基自由基会与表面发生反应形成官能团。该官能团具有高键能，可提高大多数材料的表面能。
① 氧分子。
② 185 nm的紫外UV光照射。
③ 氧分子吸收UV形成氧自由基（oxygen radicals）。
④ 氧分子和自由的氧自由基反应形成臭氧。
⑤ 254 nm的紫外UV光促使形成有机分子中的激发态。
⑥ 臭氧和激发态的有机分子发生反应。
⑦ 有机分子断裂从表面去除掉。
四、紫外臭氧的应用
UV臭氧清洗是一种多用途技术，适用于多种材料的表面清洁与处理。该方法还可用于其他需要臭氧或紫外光存在的应用场景，因此在多学科领域中得到广泛应用。该技术的主要应用分为表面清洁和表面处理两大方向。
1、表面清洁（Surface Cleaning）
使用紫外臭氧清洗进行表面清洁通常作为清洁程序的最后一步，以去除样品表面残留的有机物。该工艺可使表面达到原子级清洁状态，完全去除有机污染物。可通过紫外臭氧清洗去除的污染物包括光刻胶、人体皮肤油脂、塑料表面/硅油残留物、树脂、清洁溶剂残留物以及焊剂。
2、表面处理（Surface Treatment）
在清洁过程中，臭氧和氧自由基的形成会与空气中的水分子发生反应，从而生成氢氧自由基。这些短寿命且高活性的物质能与基底表面的化学键反应，形成高能量的羟基基团。这通过提高基底的表面能，有助于样品的制备。
紫外臭氧清洗的其他应用包括紫外固化、紫外化学反应、去除表面单分子层、表面氧化以及微图案化。可处理常见材料包括：
✓ 石英/玻璃
✓ 硅/硅氧化物
✓ 金属及金属氧化物
✓ III-V族半导体
✓ 载玻片及基底
✓ AFM/STM探针
✓ 光学元件
✓ 培养皿
五、去除表面单分子层
图 UV臭氧清洗前和UV臭氧清洗10分钟后，经ots处理的硅衬底（表面SiO2为300 nm）上的水滴。
在此应用中，我们使用紫外臭氧清洗机去除硅基底表面的正十八烷基三氯硅烷（OTS）层，以改善水基溶液在硅基底上的润湿性。
OTS是一种有机分子，常用于有机场效应晶体管的制造中以提高沉积薄膜的电学性能。其分子结构包含三氯硅烷基团，该基团可与硅的天然氧化物反应，在表面形成三个硅氧烷键。这些键在硅基底表面重复排列，直至整个表面被OTS单分子层覆盖。
长碳氢链导致基底表面能极低，因此高表面能溶剂（如水）无法润湿表面，沉积液滴的接触角较大。将经OTS处理的基底暴露于紫外臭氧约10分钟后，十八烷碳链被有效清除。该处理显著提升了表面能，使水滴能够在基底表面实现完全润湿。
六、塑料表面处理
图 在不同长度的UV臭氧暴露时间后，PMMA基板上的水的接触角测量
表面处理可用于提升基底的表面能。处理时间（暴露于臭氧的时长）可调节表面能变化的程度。例如，塑料基底由于富含C-H键及其他类似低能键，其表面能极低。这导致润湿性差，使得使用高表面张力溶剂的溶液难以均匀涂覆薄膜。
评估润湿程度的方法之一是观察液滴在基底表面形成的接触角。特定溶剂的接触角越小（可通过Ossila接触角测量仪测定），润湿性越好。紫外臭氧清洗可用于处理表面以改善溶剂的润湿性。
在紫外臭氧处理过程中，臭氧与表面化学键反应，分解有机基团并最终释放挥发性物质。在此过程中，会发生中间反应步骤，低能键（如C-H键）被更高能量的基团（如C-OH）取代。
原文网址：
https://www.ossila.com/pages/uv-ozone-theory