[发明专利]紫外光/臭氧表面清洗与氧化改性真空设备及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及紫外光/臭氧表面处理技术，更具体地说，涉及一种紫外光化学表面清洗与氧化改性的真空设备及其使用方法。

背景技术

紫外光/臭氧表面处理技术能够有效清除大多数金属、半导体和绝缘材料的有机污染物，它在材料生长、表面改性和器件制备等基础科研和产业应用领域发挥着重要作用。紫外光/臭氧表面处理技术不仅对基底具有清洗效应，氧原子的强氧化性还能够将一些金属材料（譬如银、铝等）和碳族材料（如石墨烯、碳纳米管等）等表面氧化，实现材料改性。紫外光/臭氧表面处理技术起源于二十世纪七十年代，目前它已经从最初的紫外光照射空气发展为紫外光照射氧气，以降低空气中水汽、二氧化氮等气体对光化学反应过程的影响，有效提高光清洗效率。

紫外光表面清洗与氧化改性设备主要是基于低压汞灯能发射出主要波长位于184.9nm和253.7nm的紫外光，氧气在这两种紫外光的照射下生成氧原子和臭氧，并与处于激发态的有机分子或一些特殊材料发生光化学反应，达到表面清洗以及光化学氧化改性的目的。在这种光化学处理过程中，尽可能减少环境中非氧气分子的影响对获得高可控、高质量的样品至关重要。

目前常用的紫外清洗以及表面处理技术中是将紫外灯与样品架置于同一真空腔室中。一种工作过程是：向腔室内通入一定量的氧气后开启紫外光源，反应结束后，放置几个小时待臭氧转化为氧气，然后再将样品取出。另一种是通过通入一定量的氧气将腔室内原有的空气排空后开启紫外光源，待光化学反应结束后，再次通入一定量的气体将反应生成的气体排出腔室。第一种方法光化学反应过程受到残留的空气的影响较大，此外，反应后腔室内残存的臭氧和氧原子仍能继续与样品发生反应，因而不易控制光清洗与氧化的程度。如果反应结束后立刻强行打开容器，会对人体造成损害。第二种方法无论是在排除腔室内原有的空气，还是在反应结束后迅速排放腔室内的气体方面均有一定的改进。但是，尽管如此，腔室内器壁上仍然会吸附大量的空气分子，从而影响紫外光表面清洗和氧化改性过程，并降低其可控性。与此同时，第二种方法的另一个弊端是光化学反应前后需要通入大量的气体以有效排放腔室内的气体，这会浪费大量的气体。因此，我们需要进一步提高设备的性能。

我们在两项发明专利（申请号：201210442424.4和201210462171.7，其分别同时申请实用新型，已授权专利号201220585177.9和201220605307.0）制作了一种双腔室的紫外光/臭氧真空表面改性装置，这种装置与电子元件的真空测试以及另外一种化学气相反应结合，它对于我们更为有效清洗样品、改性样品表面性质以及实现电子元件性能的原位、真空测试非常重要。但是，这种设备如果仅仅用于样品表面清洗和氧化改性的话，它存在两个问题：首先，双腔室真空系统的内腔室石英窗口会急剧降低照射到样品上的紫外光强度（10mm厚度的石英窗口，强度减少一半），从而会降低光化学反应的强度；其次，这种双腔室的高真空设备成本相对比较昂贵。

为解决上述紫外光/臭氧表面清洗与氧化改性中存在的问题，本发明将制备一种单腔室紫外/臭氧表面清洗与氧化改性的真空装置。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种紫外光/臭氧表面清洗与氧化改性的真空设备，克服已有技术在样品表面处理中存在的问题，实现一种紫外光/臭氧表面清洗与氧化改性的真空设备，其可以准确地控制光化学反应的进程，在材料和器件的干法清洗、表面氧化改性方面具有重要应用价值。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种紫外光/臭氧表面清洗与氧化改性真空设备，包括真空腔室、紫外光源、水冷系统、样品架、真空系统和气压监控系统，其中：

真空腔室主要由双层材料制作：内层为高反射铝板，外层为不锈钢加强筋；

紫灯光源包括紫外灯管和控制电源，紫外灯管安装于真空腔室内部的顶端，并与外部控制电源连接；

水冷系统设置在紫外灯管的上部，水冷系统用于防止紫外灯管以及腔室内的热量积聚引起温度不断升高；

样品架位于紫外灯管正下方；

真空系统连接所述真空腔室，真空系统用于快速、有效排空紫外光化学反应前后的气体；

气压监控系统连接所述真空腔室，气压监控系统用于有效控制光化学反应过程中真空腔室腔内气体压强。

优选地，紫外灯管发射主要为184.9nm和253.7nm的紫外光。

优选地，紫外灯管通过铝制反射板固定于真空腔室内部顶端。