能否将185 nm辐射与254 nm辐射分开测量？

不能。使用该装置无法单独测量185 nm和254 nm辐射。目前没有合适的短波滤光片能够可靠地将185 nm辐射与254 nm辐射分离。

使用UVC和臭氧进行表面清洁与表面活化

Q: 172 nm与185 nm有什么区别？

两种波长都会产生臭氧，但在光子能量和作用范围上有所不同。185 nm来自产臭氧型汞低压灯，光子能量为6.7 eV；其在空气中的穿透深度约为10到20 mm。172 nm来自氙准分子灯，光子能量为7.2 eV，但在空气中吸收非常强，只有0.1 cm到最多3 mm的距离仍可利用。原因在于分子氧在175到204 nm之间存在Schumann-Runge吸收带。因此在172 nm下，工作距离必须控制在毫米级范围内。

Q: 氧含量起什么作用？

它决定了该工艺主要通过臭氧还是直接光解发挥作用。空气中含氧量为20.9%。氧含量越高，臭氧生成越多，但同时会削弱紫外线的透过率，从而减弱直接光解作用。当氧含量低于约20%时，臭氧生成减少，直接光解的作用则相应增强。在工作距离为几厘米时，氧含量通常约为1%。除氧含量外，辐照剂量、灯功率、照射时间和距离也会共同影响处理结果。

Q: 生成的臭氧有多危险？

当浓度足够高时，臭氧是一种高毒性气体。根据德国TRGS 900，目前尚无针对臭氧的强制性职业暴露限值；历史上的MAK值为0.1 ppm，相当于每立方米空气中0.2 mg臭氧，可作为参考值。若浓度为1到2 ppm并持续数小时，可能引起头痛、胸痛以及上呼吸道干燥和刺激；更高浓度则可能导致肺水肿，并产生长期影响。即使在低浓度下，其特有的气味也能被察觉，但只能短暂闻到——因此排风装置是设备安装的必要组成部分。

在光化学表面清洁中，185 nm的UVC辐射分解氧气并生成臭氧和活性氧物种。这些物质氧化表面上的有机污染物，同时短波辐射还能断开有机键。结果是表面得到清洁，表面能提高，接触角可重复地减小——这正是粘接、涂层和密封的基础。

光学元件及其他部件的清洁与氧化在许多高科技领域具有重要意义，尤其是在半导体行业、光学制造和航空航天领域。使用185 nm的紫外辐射结合臭氧*进行光化学清洁与氧化，是去除有机污染物并改善表面质量的高效方法。

可使用BS-OX辐照箱来实现这一工艺。

该方法利用185 nm紫外辐射的高能量生成臭氧和活性氧物种，以分解有机污染物并清洁表面。表面还会获得更高的极性特征，这对接触角和表面能都有积极影响。

应用领域：

清洁透镜、棱镜和光学滤光片
清洁晶圆和微芯片
去除光刻胶残留物
为涂层工艺预处理基材
粘接接头的表面活化
去除有机残留物和指纹
医疗设备和植入物的灭菌与清洁
脱色和除臭

UVC和臭氧表面活化的基本原理

光化学清洁与氧化的原理是用波长为185 nm的UVC辐射照射待清洁的部件。该波长处于UV-C光谱范围内。

在直接光解中，185 nm的紫外辐射会分裂有机分子中的共价键，从而导致其碎裂和挥发。

波长小于242 nm的UV-C辐射具有足够的能量将氧分子（O₂）分裂为活性氧原子（O）。在技术应用中，紫外线生成臭氧使用185 nm和172 nm，或使用臭氧发生器。185 nm的光子能量为6.7 eV，由产臭氧型低压汞灯产生。

172 nm的光子能量为7.2 eV，由氙准分子灯产生。

波长小于242 nm的紫外辐射会使分子氧发生解离而产生臭氧；在波长为175 nm至200 nm之间的辐射作用下产生的臭氧最多。

O₂ +UV (λ < 242 nm) → 2 O·

随后，原子氧自由基与其他氧分子反应生成臭氧： O· + O₂ + M → O₃ + M（其中M为碰撞伴侣）

生成的臭氧与有机杂质高效反应，将其氧化为例如CO₂和H₂O。

在有水分存在的情况下，臭氧还会导致羟基自由基的生成，其同样具有强氧化作用：

O₃ + H₂ O + UV → 2 OH· + O₂

O· + H₂O →2 OH· （在水中）

H₂O + UV→OH· +H·（在水中）

O₃ + H₂O + UV → O₂ + H₂O₂（在气相中）

OH自由基具有非常高的氧化电位（2.8 V）

过氧化氢和二氧化钛用于水和废水处理。

过氧化氢在紫外辐射作用下分裂为两个羟基自由基：

H₂O₂ + hν → 2 ·OH

添加过氧化氢同样基于羟基自由基（·OH）的生成，它是已知最强的氧化剂之一，能够分解大量有机和无机污染物。

二氧化钛作为光催化剂，在紫外线（<280 nm）作用下被激活，产生电子-空穴对：

TiO₂ + hν → e- + h+

这些电子-空穴对会导致生成诸如·OH和O·等活性物种。

总体而言，紫外辐射与臭氧的结合能够实现表面的彻底清洁和活化。紫外辐射分解有机化合物，而臭氧则进一步将其氧化，并转化为可轻易从表面去除的气态产物。

波长在200至260 nm之间的部分紫外辐射能量足以在初级步骤中分裂碳-碳键，例如在氯化烃的情况下，主要分裂碳-氯键。

下图展示了不同化学键的能量（E，单位为电子伏特eV）与波长（lambda，单位为纳米nm）之间的关系。

x轴表示波长，范围从100 nm到400 nm，y轴表示能量，范围从0 eV到14 eV。

从化学键在曲线上的排列可以看出，N≡N 和 C≡C 等三键的能量最高，其次是双键，最后是单键。这与键强度从三键到双键再到单键依次降低的规律一致。

下表列出了各种分子结合能：

分子键合	结合能 (eV)	波长 (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

利用紫外线和臭氧的高级氧化工艺（AOP）

臭氧本身是一种强氧化剂，在254 nm紫外辐射照射或经热过程作用下，会分解为分子氧和活性氧自由基。这些活性物种在分解部件表面的有机污染物方面非常有效。因此，紫外氧化也被称为高级氧化工艺（Advanced Oxidation Process，AOP）。

一方面，紫外氧化基于紫外辐射断裂分子中化学键的能力。在使用UV-C辐照时，尤其是在真空紫外范围（172 nm和185 nm），长链分子会通过直接光解被分解。

该工艺的优点包括无化学品清洁、避免残留物，以及能够处理复杂几何形状的部件。该方法还可以在室温下进行，因此对敏感的光学部件特别温和。

空气主要由其主要成分氮气和氧气吸收。分子氧的Schumann-Runge谱带对紫外（UV）范围内的吸收尤为重要。

Schumann-Runge谱带是氧分子在175至204 nm紫外光谱范围内的一系列吸收带。

因此，172 nm和185 nm在空气中具有非常强的吸收，穿透深度也因此较低。

臭氧在242 nm至320 nm光谱范围内的紫外吸收被称为Hartley带，其吸收最大值约在255 nm处。

典型的穿透深度为：

172 nm：穿透深度约为0.1 cm至最大3 mm
185 nm：穿透深度约为10～20 mm

这些数值清楚地表明，这些波长的紫外辐射在大气中被强烈吸收，穿透深度非常有限。

AOP工艺处理与工艺优化（紫外线与臭氧）

吸收程度对波长的依赖性表明，紫外辐射的波长在氧化过程中起着重要作用。短波辐射对距离的依赖性很强。

臭氧在靠近UVC灯的区域生成。
臭氧吸收波长小于300 nm的辐射，在约255 nm～260 nm处吸收最大。
臭氧分子的寿命可达数分钟。

因此，工艺参数包括：

辐照剂量
紫外灯功率
持续时间
距离
氧含量／O₂分压

环境大气中的氧含量对工艺效率起着决定性作用：

空气的氧含量为20.9%。

提高氧含量：
- 将氧含量提高到20.9%以上可以增加臭氧生成量。
- 但是，过高的O2浓度会影响紫外线透过率，从而降低直接光解效果。
降低氧含量：
- 当氧浓度低于20%时，臭氧生成量会减少。
- 此时直接光解变得更加重要。
受控气氛：
- 在某些应用中，可采用具有优化O2含量的受控气氛来最大化工艺效率。在几厘米的距离范围内，1%的氧含量较为常见。

穿透深度与表面效应：185 nm紫外辐射和臭氧的穿透深度有限，这使得该工艺主要以表面处理为主：

紫外辐射（185 nm）：
- 在常压空气中的穿透深度仅为几毫米。
- 在固体材料和液体中，穿透深度更低，通常在纳米范围内。
臭氧：
- 臭氧比紫外辐射能更深地渗入材料内部。
- 穿透深度取决于材料的孔隙率和化学成分。
- 在玻璃或金属等致密材料中，其作用仅限于表面。
表面改性：
- 有限的穿透深度会导致选择性表面改性。
- 这有利于在不影响材料整体性能的情况下清洁和活化表面。
几何因素：
- 处理效率在很大程度上取决于待清洁部件的几何形状。
- 复杂形状或凹槽可能会导致阴影效应。

为了最大限度地提高光化学清洁和氧化的效率，可以优化以下参数：

紫外强度和照射时间：
紫外灯与处理对象之间的距离
氧含量和湿度
旋转或移动部件，以确保所有表面均匀处理。

下图展示了在辐照箱中利用UVC和臭氧进行表面清洁和表面活化以及臭氧生成的过程。直接紫外辐照与臭氧生成相结合，可实现高效的表面清洁和表面活化。

总结：紫外氧化的优势

紫外氧化提供了一种快速高效的污染物去除方法。
可分解多种有机和无机污染物，包括难以分解的物质
与化学氧化方法相比，无需向系统中引入额外的化学品
该过程可在室温和常压下进行
由于表面能较高，润湿性更好
无需使用前驱体化学品
可实现现场制备
产生的臭氧纯度高

然而，使用过程中必须考虑安全因素，因为紫外辐射和产生的臭氧均可能危害健康。因此需要采取适当的屏蔽、通风和排气处理措施。

辐照箱中的紫外氧化

紫外辐射会在辐照箱内产生臭氧和氧化基团，塑料和弹性体会受到侵蚀。辐照箱内部应尽量避免使用这些材料。所用材料也必须耐受氧化性物质。

必须确保臭氧不会泄漏并能被有效排出。

Opsytec Dr. Gröbel GmbH 可根据客户需求定制产臭氧型辐照箱。欢迎您与我们探讨贵司的具体需求。

用于高级氧化工艺（AOP）的紫外辐照箱，配备UVC（185 nm和254 nm）及臭氧

* 在适当浓度下，臭氧是一种毒性很强的气体。根据TRGS 900，德国目前没有针对臭氧的强制性职业接触限值。历史上的MAK值为0.1 ppm（百万分之一），相当于每m³空气中含0₃ 0.2 mg，该数值仍作为参考基准；风险评估依据BAuA的评估标准以及运营者自身设定的限值进行。由于其特有的气味，即使在如此低的浓度下也能被察觉，因此相关人员可自行采取必要的防护措施，例如排气通风。然而，这种特有的气味只能在短时间内被察觉。

臭氧尤其会对肺部造成损害。1至2 ppm的浓度持续数小时可导致头痛、胸痛、上呼吸道干燥及刺激。更高浓度甚至可能导致肺水肿，并造成持久的健康影响。

该工艺在制造流程中的应用位置详见应用页面半导体制造中的紫外清洁与紫外照射（晶圆上172 nm波长的VUV活化）以及光学与精密元件（连接前的残留污染处理）。

关于使用UVC和臭氧进行表面清洁的常见问题

185 nm辐射能否与254 nm辐射分开测量？
不能。使用宽波段辐射计无法分别测量185 nm和254 nm辐射。目前没有合适的短波光学滤光片能够将185 nm辐射与254 nm辐射可靠地分离。

172 nm与185 nm有什么区别？
这两种波长都会产生臭氧，但在光子能量和作用范围上有所不同。185 nm来自产臭氧型汞低压灯，光子能量为6.7 eV，其在空气中的穿透深度约为10～20 mm。172 nm来自氙准分子灯，光子能量为7.2 eV，但在空气中被强烈吸收，实际可用距离仅为0.1 cm至最多3 mm。原因是分子氧在175～204 nm范围内的Schumann-Runge吸收。因此在172 nm时，工作距离必须控制在毫米范围内。

氧含量起什么作用？
氧含量决定该工艺主要通过臭氧作用还是通过直接光解作用实现。空气中氧含量为20.9%。氧含量越高，臭氧生成越多，但同时会削弱紫外线的透过率，从而降低直接光解效果。当氧含量低于约20%时，臭氧生成减少，直接光解的作用相应增强。在工作距离为几厘米时，常见的氧含量约为1%。除氧含量外，辐照剂量、灯功率、照射时间和距离也会影响最终效果。

生成的臭氧有多危险？
在足够浓度下，臭氧是一种剧毒气体。德国TRGS 900未对臭氧规定强制性职业接触限值；历史上的MAK值为0.1 ppm，相当于每立方米空气中0.2 mg臭氧，可作为参考值。若持续数小时暴露于1～2 ppm浓度下，可能引发头痛、胸痛以及上呼吸道干燥和刺激；更高浓度可能导致肺水肿，并产生长期影响。即使浓度很低，也能明显闻到其特有气味，但仅能短暂察觉——因此排气装置是安装的必要组成部分。