185 nm 輻射能否與 254 nm 輻射分開量測？

不能。以此設置無法將 185 nm 與 254 nm 分開量測。目前並沒有合適的短波光學濾光片能夠可靠地將 185 nm 輻射與 254 nm 輻射區分開來。

172 nm 與 185 nm 之間有何差異？

這兩種波長皆會產生臭氧，但在光子能量與作用範圍上有所不同。185 nm 來自產生臭氧型汞低壓燈管，光子能量為 6.7 eV；其在空氣中的穿透深度約為 10 至 20 mm。172 nm 來自氙氣激發子燈管，光子能量為 7.2 eV，但在空氣中被吸收得非常強烈，僅有 0.1 cm 至最多 3 mm 的距離仍可使用。其原因在於分子氧在 175 至 204 nm 之間的 Schumann-Runge 吸收現象。因此在 172 nm 時，工作距離必須控制在毫米範圍內。

氧氣含量扮演什麼角色？

它決定了此製程主要是透過臭氧作用，還是透過直接光解作用進行。空氣中含有 20.9 % 的氧氣。氧氣含量越高，臭氧生成量越多，但同時也會削弱紫外線穿透，進而減弱直接光解作用。當氧氣含量低於約 20 % 時，臭氧生成量會下降，而直接光解作用的重要性則會提升。在僅有數公分的工作距離下，氧氣含量約為 1 % 是常見的情況。除了氧氣含量之外，輻射劑量、燈管功率、照射時間與距離也都會影響最終結果。

生成的臭氧有多危險？

在濃度足夠高時，臭氧是一種毒性極強的氣體。德國依據 TRGS 900 並未針對臭氧設定具約束力的職業暴露限值；過去採用的 MAK 值為 0.1 ppm，相當於每立方公尺空氣中 0.2 mg 臭氧，可作為參考基準。若持續暴露於 1 至 2 ppm 濃度下數小時，可能引起頭痛、胸痛以及上呼吸道乾燥與刺激；濃度更高時則可能導致肺水腫並產生長期性影響。此特有氣味即使在低濃度下也能察覺，但僅維持短暫時間——因此排氣裝置亦是安裝作業的一部分。

以 UVC 與臭氧進行表面清潔與表面活化

在光化學表面清潔中，波長 185 nm 的 UVC 輻射會分解氧氣並產生臭氧與活性氧物種。這些物質會氧化表面上的有機污染物，同時短波輻射也會斷裂有機鍵。結果是表面被清潔、表面能提高，並可重現地得到較小的接觸角——這是黏接、塗層與密封的基礎。

光學元件與其他元件的清潔與氧化在許多高科技領域中都具有極高的重要性，尤其是半導體產業、光學製造與航太業。使用波長 185 nm 的 UV 輻射搭配臭氧*進行光化學清潔與氧化，是一種去除有機污染物並改善表面品質的高效方法。

本製程可使用 BS-OX 照射腔室。

此方法利用 185 nm UV 輻射的高能量產生臭氧與活性氧物種，以分解有機污染物並清潔表面。表面也會獲得較高的極性特性，這對接觸角與表面能都有正面影響。

應用領域：

清潔鏡片、稜鏡與光學濾片
清潔晶圓與微晶片
去除光阻殘留物
為塗層製程準備基材
黏接接合處的表面活化
去除有機殘留物與指紋
醫療器材與植入物的滅菌與清潔
脫色與除臭

以 UVC 與臭氧進行表面活化的基本原理

光化學清潔與氧化的原理是以波長 185 nm 的 UVC 輻射照射待清潔的元件。此波長屬於 UV-C 光譜範圍。

在直接光解作用中，185 nm 的 UV 輻射會分裂有機分子中的共價鍵，導致分子碎裂與揮發。

波長 < 242 nm 的 UV-C 輻射具有足夠能量將氧分子（O₂）分裂為活性氧原子（O）。在技術應用中，UV 產生臭氧通常使用 185 nm 與 172 nm，或使用臭氧產生器。185 nm 的光子能量為 6.7 eV，由產生臭氧型低壓水銀燈管產生。

172 nm 的光子能量為 7.2 eV，由氙氣激發準分子燈管產生。

臭氧是由波長小於 242 nm 的 UV 輻射經由分子氧的解離所產生；在波長 175 至 200 nm 之間的輻射所產生的效果最強。

O₂ +UV (λ < 242 nm) → 2 O·

原子氧自由基接著與其他氧分子反應形成臭氧： O· + O₂ + M → O₃ + M（其中 M 為碰撞夥伴）

形成的臭氧會與有機雜質高效反應，並將其氧化，例如氧化為 CO₂ 與 H₂O。

在有濕氣存在的情況下，臭氧也可能形成氫氧自由基，這同樣具有強烈的氧化作用：

O₃ + H₂ O + UV → 2 OH· + O₂

O· + H₂O →2 OH· （於水中）

H₂O + UV→OH· +H·（於水中）

O₃ + H₂O + UV → O₂ + H₂O₂（於氣相中）

OH 自由基具有非常高的氧化能力（2.8 V）

過氧化氫與二氧化鈦被用於水與廢水處理。

過氧化氫可經 UV 輻射分裂為兩個氫氧自由基：

H₂O₂ + hν → 2 ·OH

添加過氧化氫同樣是基於形成氫氧自由基（·OH），此為已知最強的氧化劑之一，能夠分解大量的有機與無機污染物。

二氧化鈦作為光觸媒，由 UV（<280 nm）活化，並產生電子—電洞對：

TiO₂ + hν → e- + h+

這些會導致形成如 ·OH 與 O· 等活性物種。

一般而言，UV 輻射與臭氧的組合能夠徹底清潔並活化表面。UV 輻射會分解有機化合物，而臭氧則進一步將其氧化，並轉化為容易從表面去除的氣態產物。

波長在 200 至 260 nm 之間的部分 UV 輻射具有足夠的能量，例如可在初始步驟中分裂碳—碳鍵，或在含氯碳氫化合物的情況下主要分裂碳—氯鍵。

下圖顯示不同化學鍵的能量（E，單位電子伏特 eV）與波長（lambda，單位奈米 nm）之間的關係。

x 軸表示波長，範圍從 100 nm 至 400 nm，y 軸表示能量，範圍從 0 eV 至 14 eV。

從鍵結能量曲線的排列可以看出，像 N≡N 和 C≡C 這樣的三鍵具有最高的能量，其次是雙鍵，最後才是單鍵。這與鍵結強度由三鍵、雙鍵到單鍵依序遞減的情形相符。

各種分子鍵結能量列於下表：

分子鍵結	鍵結能量 (eV)	波長 (nm)
N≡N	9.8	126.5
C≡C	8.7	142.5
C=C	6.3	196.8
O=O	5.1	243.1
O-H	4.8	258.3
H-H	4.5	275.6
C-H	4.3	288.4
N-H	4.0	310.0
C-C	3.6	344.4

紫外線與臭氧的進階氧化程序（AOP）

臭氧本身是一種強氧化劑，當受到 254 nm 的紫外線照射或經由熱程序時，會分解成分子氧與活性氧自由基。這些反應性物種在分解元件表面的有機污染物方面非常有效，因此紫外線氧化也被稱為進階氧化程序（AOP）。

一方面，紫外線氧化是基於紫外線輻射能夠打斷分子中化學鍵的能力。當以 UV-C 照射時，特別是在真空紫外線範圍（172 nm 與 185 nm），長鏈分子會透過直接光解作用而被分解。

此製程的優點包括無化學藥劑清潔、避免殘留物，以及能夠處理即使是複雜幾何形狀的元件。此方法也可以在室溫下進行，因此對敏感的光學元件特別溫和。

空氣主要由其主要成分氮氣與氧氣吸收。分子氧的 Schumann-Runge 譜帶對於紫外線（UV）範圍的吸收特別重要。

Schumann-Runge 譜帶是氧分子在 175 至 204 nm 之間的紫外光譜範圍內的一系列吸收帶。

因此，172 nm 與 185 nm 在空氣中具有非常強的吸收，因而穿透深度也很低。

臭氧在 242 nm 至 320 nm 光譜範圍內的紫外線吸收稱為 Hartley 譜帶，其最大值約在 255 nm。

典型的穿透深度為

172 nm：穿透深度約 0.1 cm 至最大 3 mm
185 nm：穿透深度約 10–20 mm

這些數值清楚顯示，這些波長的紫外線輻射在大氣中被非常強烈地吸收，只能達到非常短的穿透深度。

AOP 製程與製程優化（UV 與臭氧）

吸收程度對波長的依賴關係顯示，紫外線輻射的波長在氧化程序中扮演著重要角色。短波輻射對距離的依賴性很強。

臭氧在靠近 UVC 燈管處產生。
臭氧會吸收波長小於 300 nm 的輻射，並在約 255 nm - 260 nm 處具有最大吸收。
臭氧分子的壽命可達數分鐘之久。

因此製程參數為

照射劑量
紫外線燈管功率
持續時間
距離
氧含量／O 分壓₂

周圍大氣中的氧含量對製程效率具有決定性的影響：

空氣的氧含量為 20.9%。

提高氧含量：
- 將氧含量提高至 20.9% 以上可以增加臭氧的產生量。
- 然而，過高的 O2 濃度可能會削弱紫外線的穿透，進而降低直接光解的效果。
降低氧含量：
- 當氧濃度低於 20% 時，臭氧的產生量會下降。
- 此時直接光解變得更加重要。
控制大氣：
- 在某些應用中，可使用具有最佳化 O2 含量的受控大氣，以最大化製程效率。在距離僅數 cm 的情況下，常見的氧含量為 1%。

穿透深度與表面效應：185 nm 紫外線輻射與臭氧的穿透深度有限，這使得此製程主要偏向表面導向：

紫外線輻射（185 nm）：
- 在常壓空氣中的穿透深度僅為數毫米。
- 在固體材料與液體中，穿透深度甚至更低，通常在奈米範圍內。
臭氧：
- 臭氧能夠比紫外線輻射穿透得更深入材料。
- 穿透深度取決於材料的孔隙度與化學組成。
- 在玻璃或金屬等緻密材料中，效果僅限於表面。
表面改質：
- 有限的穿透深度會導致選擇性的表面改質。
- 這對於清潔與活化表面而不影響材料整體特性方面是有利的。
幾何因素：
- 處理效率在很大程度上取決於待清潔零件的幾何形狀。
- 複雜的形狀或凹陷處可能導致遮蔽效應。

為了最大化光化學清潔與氧化的效率，可以優化以下參數：

紫外線強度與曝光時間：
紫外線燈管與處理對象之間的距離
氧含量與濕度
轉動或移動零件，以確保所有表面均勻受到處理。

下圖顯示了在照射腔室中，利用 UVC 與臭氧進行表面清潔與表面活化，以及臭氧形成的過程。直接紫外線照射與臭氧形成的結合，能夠實現有效的表面清潔與表面活化。

摘要：紫外線氧化的優點

紫外線氧化提供一種快速且高效的污染物去除方法。
能夠分解多種有機及無機污染物，包括難以分解的物質
與化學氧化方法相比，不會將額外的化學物質引入系統中。
該程序可在室溫及大氣壓力下進行。
由於表面能較高，可提升可濕潤性
不需要使用前驅化學物質
可實現現場製造
所產生的臭氧純度高

然而，使用時必須考量安全性方面的問題，因為紫外線輻射及所產生的臭氧皆可能對健康有害。因此需要適當的屏蔽、通風及排氣處理。

照射腔室中的紫外線氧化

紫外線輻射會在照射腔室中產生臭氧及氧化基團。塑膠及彈性體會受到侵蝕。照射腔室內部應盡可能避免使用這類材料。所使用的材料也必須具備抗氧化物質的能力。

必須確保臭氧不會洩漏，並確保其能被有效抽除。

Opsytec Dr. Gröbel GmbH 建造客製化的產生臭氧型照射腔室。我們樂於與貴公司討論您的需求。

用於 AOP 的紫外線照射腔室，配備 UVC（185 nm 及 254 nm）與臭氧

* 臭氧在特定濃度下是一種毒性很強的氣體。根據 TRGS 900，德國並無針對臭氧的強制性職業暴露限值。歷史性的 MAK 值 0.1 ppm（百萬分之一），相當於每 m³ 空氣中含 0.2 mg O₃，目前仍作為參考基準；風險評估則依據 BAuA 的評估準則以及操作者自訂的限值。由於其特有的氣味，即使在此低濃度下也可被察覺，因此相關人員可自行採取必要的防護措施，例如排氣通風。然而，這種特有氣味僅能在短時間內被察覺。

臭氧特別會對肺部造成損害。1 至 2 ppm 的濃度若持續數小時，可能導致頭痛、胸痛、上呼吸道乾燥與刺激。更高濃度甚至可能引發肺水腫，並造成長期的健康影響。

此製程在生產流程中所處的位置，可參見應用頁面半導體製造中的紫外線清潔與紫外線照射（於晶圓上以 172 nm 進行 VUV 活化）以及光學與精密元件（接合前的殘留污染處理）。

UVC 與臭氧表面清潔常見問答

能否將 185 nm 輻射與 254 nm 輻射分開量測？
不行。使用寬頻輻射計無法將 185 nm 與 254 nm 分開量測。目前並無合適的短波光學濾片，能可靠地將 185 nm 輻射與 254 nm 輻射分離。

172 nm 與 185 nm 有何差異？
這兩種波長皆會產生臭氧，但其光子能量與作用範圍不同。185 nm 來自產生臭氧型汞低壓燈管，光子能量為 6.7 eV；其在空氣中的穿透深度約為 10 至 20 mm。172 nm 來自氙準分子燈管，光子能量為 7.2 eV，但在空氣中被吸收得非常強烈，僅有 0.1 cm 至最多 3 mm 的範圍可供使用。原因在於分子氧在 175 至 204 nm 之間的 Schumann-Runge 吸收。因此在 172 nm 時，工作距離必須控制在毫米範圍內。

氧含量扮演什麼角色？
它決定製程主要是透過臭氧作用，還是透過直接光解作用進行。空氣中含有 20.9 % 的氧氣。氧含量較高會增加臭氧生成量，但同時也會削弱 UV 穿透力，進而降低直接光解作用。當氧含量低於約 20 % 時，臭氧生成量會下降，直接光解作用的重要性則提高。在數公分的工作距離下，氧含量約 1 % 是常見數值。除氧含量外，輻射劑量、燈管功率、照射時間與距離也會影響結果。

生成的臭氧危險性有多高？
在足夠濃度下，臭氧是一種毒性極高的氣體。德國依據 TRGS 900 並未針對臭氧訂定具約束力的職業暴露限值；過去的 MAK 值 0.1 ppm（相當於每立方公尺空氣中 0.2 mg 臭氧）可作為參考基準。若連續數小時處於 1 至 2 ppm 的濃度下，可能引發頭痛、胸痛，以及上呼吸道乾燥與刺激；濃度更高時，則可能導致肺水腫並產生長期影響。即使在低濃度下，其特有氣味也能被察覺，但僅為短暫感受──因此排氣設備是安裝作業的必要部分。