物体表面的激光清洗技术.pdf

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产品与技术Products&TechnologyWMEM3期2007年6月物体表面的激光清洗技术张魁武摘要:

文章论述了激光清洗物体表面微小颗粒的原理、所用激光器、影响因素及工艺技术。

并介绍了激光清洗技术在天文望远镜、磁头滑座空气轴承表面的具体应用。

准分子激光器是半导体器件、微电子、航空航天、汽车工业和核动力的有效清洗工具。

关键词:

激光清洗微颗粒LaserCleaningTechnologyforSurfaceAbsthact:

TheArticlegivesanaccountofprinciple,inflencefactorsappliedlasersandtechno-logicalprocessesaboutlasercleaningofmicroparticlesfromthesurfaceofbodies.Ithasbeensuc-cessfullyappliedtoastronomicaltelescope,airbearingsurfaceofmagneticheadslidersetc.Excimerlasercleaningisusedasanaffectivecleaningtechniqueincludingsemiconductors,electronics,aerospace,automotiveindustryandnuclearpower.激光清洗是一种新型的激光表面处理技术,近10年来迅速发展,已由实验室进入实际应用。

人们对激光清洗的机理进行了系统深入地研究,清洗工艺日趋成熟,现在已有成套的激光清洗商品出售。

在许多应用中,激光清洗技术已成为不可替代的技术。

激光清洗与传统的化学清洗、机械刷磨、流体颗粒冲刷、超声清洗等相比,具有以下优点:

（1）激光清洗属于干洗,不需碳氟氯化合物及其他有机溶剂,没有废液排放,不会造成环境污染,清洗残渣很少。

（2）能有效清洗其他方法难以去除干净的吸附在物体表面的亚微米粒子。

（3）能对其他方法难以达到或危险的地方进行清洗,易于实现远距离遥控清洗。

（4）清洗效率较高,成本较低。

（5）可控性好、柔性高,易于实现选区定域、实时的精密清洗。

（6）热影响区小,对于光剥离清洗则是打开材料的结合键,没有热作用发生,对周边材料没有热损伤。

（7）可在大气中进行清洗,不需要抽真空。

1基本原理物体表面附着的微粒主要为氧化物和灰尘1。

Y.E.Lu等2将激光清洗划分为两种类型:

一为干式激光清洗（drylasercleaning）,另一种为蒸气激光清洗（steamlasercleaning）。

前者,附着在物体表面的微小颗粒在短脉冲激光辐照下快速加热,使颗粒和基体表面热膨胀,形成很大的清洗力,克服基体表面对颗粒的粘着力,而将颗粒清除。

由于颗粒从物体表面剥离阈值远小于基体自身表面材料的剥离阈值,故颗粒被去除掉了,而基体并不会受到损伤。

蒸气清洗的机制是在激光作用下,物体表面的液体薄膜骤然气化膨胀,从而将颗粒抛掉。

1.1粘着力

（1）干式激光清洗微米级颗粒在物体表面的粘着力以范德华力为主,大于50m的颗粒以静电力为主。

对于小颗粒,范德华力超过万有引力,与固体表面单位面积上的粘着力F,近似计算公式如下F=hr8z2+h28z3

（1）式中r颗粒半径;h材料的Lifshitz-Vanderwaals常数;粘着面积半径;z颗粒和物体表面间的原子间距,约为0.4nm。

（2）蒸气激光清洗当物体表面有液体薄膜存在时,除了范德华力外,还有表面张力,此时粘着力F由下式计算F=hr8z2+h28z3+4r

（2）式中液体表面张力。

84WMEM3期2007年6月产品与技术Products&Technology1.2清洗力

（1）干式激光清洗脉冲激光照射会引起微粒各部位的湿度不均匀急剧升高,在微粒中产生热应力。

当微粒从表面脱离时,必然会有位移发生。

根据应力和应变的相互关系,需满足下列条件才会获得清洗效果（d,t）/E+T（d,t）=（d,t）z（3）式中微粒线胀系数;E微粒弹性模量;（d,t）时间t瞬时在颗粒和物体界面上的微粒表面热应力;（d,t）时间t瞬时在颗粒和物体界面上的微粒应变位移量;T（d,t）颗粒和物体界面上微粒的温升。

T（d,t）=T（d,t）-T0（4）式中T0颗粒和物体界面上微粒的原始温度。

由于微粒受物体表面粘着力F的约束,故其热应力（d,t）应满足下式关系（d,t）=-F（5）定义单位面积的清洗力f为f=ET（d,t）（6）故当fF,即单位面积上清洗力超过单位面积粘着力时,微粒会从物体表面脱离,物体表面得到清洗。

f=F称作清洗力阈值。

（2）蒸气激光清洗当被清洗物体表面涂有不吸收清洗所用激光波长能量的液体薄膜时,在激光作用下,物体表面被加热,在固液界面产生蒸气泡,气泡内的压力和温度分析如下。

ppvpsat（T）（7）Tsat（p）TvT（8）式中p环境液体压力;pv气泡内的蒸气压;psat饱和蒸气压;Tv气泡内温度;T周围液体温度。

在表面充分润湮条件下,TvT,则有pv=psat（Tv）psat（T）。

气泡长大速度v,经理论分析得到下列关系式3,4。

v（T）=2pv（T）-p31（T）#$（9）式中v（T）汽泡长大速度;1（T）温度T时,液体的密度。

气泡尺寸不会大于过热液体层的厚度。

根据有关研究成果可推导出应力波产生的压力。

假设在液/固界面上,由液体气化建立的蒸气层作用如同平面活塞,压迫其周围的液体层产生应力波;气泡内蒸气压近似认为是过热层的平均饱和蒸气压;蒸气层的膨胀速度等于气泡长大速度,于是蒸气/液体界面的单位面积从蒸气层的膨胀得到的平均能量是%（pv-p）vfdt,v和f分别是蒸气的膨胀速度和体积百分数。

每单位面积产生的压力波能量E由下式计算E=%p22cdt

（1）式中液体密度;c应力波传播速度;p应力波产生的压力。

根据能量守恒定律,在液/固界面上的应力波压力p由下式计算p=2c（pv-p）vf12（11）清洗力等于粘着力时的激光能量密度定义为激光清洗的阈值能量。

2影响清洗效果的因素激光清洗去除的微粒子数与同一表面积内清洗前的微子数的比值,定义为清洗表面的洁净度,以百分数表示。

它是衡量激光清洗效果的主要指标。

激光束的波长、能量密度、脉冲次数、偏振状态、入射方向、使用的气流以及被清洗物体的材料和污染物的性质、大小等,都对清洗效果有重要影响。

2.1激光波长图11给出了使用3种波长,脉宽5ns的YAG激光图1洁净度与波长、能量密度关系基材:

石英,微粒:

铝,YAG激光器,500个脉冲,7ns。

85产品与技术Products&TechnologyWMEM3期2007年6月图4激光束不同入射方向清洗示意图基材:

石英,微粒:

铝,激光器:

KrF准分子。

器,经500次脉冲照射粘附在石英基体上的铝颗粒的清洗效果。

由图1可知,波长愈短产生清洗作用所需的最低注入能量密度（以下称为阈值能量密度）愈小。

波长=1064nm时阈值能量密度约为40mJ/cm2;=532nm时约为30mJ/cm2;=266nm时约为10mJ/cm2。

在高于其阈值的某一能量密度下辐照,例如,在80mJ/cm2下使用=266nm的激光照射,其洁净度可达90%;=532nm时所得洁净度为70%;而=1064nm时所得洁净度不到30%。

激光束的波长愈短所需的能量密度愈低。

可见为了获得彻底的清洗效果,激光清洗宜选用较短的波长。

图2是3种波长激光的单位面积峰值清洗力和单位面积粘着力,随注入能量密度的变化关系。

由图2可知,为了获得一定的清洗力,使用的激光波长愈短,需要的能量密度阈值愈低。

图2中,单虚线与3条不同波长斜线相交,=266nm时交点对应能量密度为23mJ/cm2;=532nm为33mJ/cm2;而=1064nm则为37mJ/cm2。

对于特定激光能量密度,波长愈短其清洗力峰值愈高,从而可获得更高的洁净度。

2.2能量密度单位面积清洗力峰值随能量密度线性增加（图2）。

因此,洁净度也随能量密度大致呈线性增加。

当能量密度过低,单位面积清洗力太小时,不能产生清洗效果。

对一定波长的激光束,只有当能量密度达到某一定值,即清洗力达到一定大小时,才能产生清洗效果。

这时的能量密度就是该波长激光束开始产生清洗效果的阈值（见图1）。

2.3脉冲次数在高于能量密度阈值的脉冲激光束照射下,物体表面的洁净度随脉冲次数增加而提高。

使用波长248nm,脉宽23ns,最大脉冲频率30Hz,最大脉冲能量300mJ的KrF准分子激光器,清洗磁头滑座空气轴承Al2O3TiC表面的ZrO2微粒。

表面上微粒分布密度约为1000个/cm2。

在两种能量密度下,洁净度以相似的比率随脉冲次数增加而提高,如图3所示5。

为避免损伤被清洗物体表面,可采用较低的能量密度,增加脉冲次数来获得高的洁净度。

在不损伤表面条件下,选用较高的能量密度,可减少脉冲次数,提高清洗效率。

2.4激光束入射方向准分子激光束从石英基体的正面和背面照射,清洗其表面粘附的微粒,如图4所示。

照射前后用光学显微镜观察石英表面,测量清洗的洁净度。

在能图2峰值清洗力与波长能量密度关系基材:

石英,微粒:

铝,YAG激光器,500个脉冲,7ns。

图3洁净度与脉冲次数关系清洗物:

空气轴承（Al2O3TiC）表面ZrO2微粒,激光器:

KrF准分子,f=5Hz。

86WMEM3期2007年6月产品与技术Products&Technology图6不同尺寸铝微粒的清洗力与激光束入射方向关系基材:

石英,激光器:

准分子图5洁净度与激光入射方向关系基材:

石英,微粒:

铝,激光器:

KrF准分子,频率10Hz,脉冲次数:

100。

量密度100mJ/cm2,重复频率10Hz,同一位置经100次脉冲照射后,光束由正面入射的洁净度仅有24%,而背面入射的洁净度达100%。

可见,对于能透过准分子激光的石英来说,从背面入射比从正面入射能更有效地清除粘附于表面的微粒。

由图5可清楚地看到,从石英表面清洗铝微粒的能量密度阈值,无论激光束从背面入射,还是从正面入射,都是50mJ/cm2。

不同的是在超过能量密度阈值后,从背面入射的洁净度随能量密度的增加,以更快的速度提高。

背面入射比正面入射可得到更高的洁净度。

这是因为前者在微粒与基体界面上的温升较高,产生较大的清洗力,且背面入射单位面积清洗力不受微粒尺寸大小的影响。

而正面入射,其单位面积清洗力,随微粒尺寸增大而下降（在恒定的能量密度条件下）,如图6所示1。

例如,在能量密度为50mJ/cm2时,背面入射的单位面积清洗力大约与单位面积粘着力相等,而正面入射对各种尺寸粒子,其清洗力均小于粘着力。

再如,在能量密度为100mJ/cm2时,只能使直径小于0.5m的铝粒子的清洗力大于与石英的粘着力,得到清洗,而大于0.5m的铝粒子仍留在石英表面。

显然,此时用背面入射会得到彻底的清洗。

2.5光束偏振状态沉积的金属薄膜和具有压电或电磁性的材料,采用偏振光清洗效果较好。

基体可以是玻璃、石英、硅和金属合金。

实验证明偏振激光清洗效果比非偏振激光清洗效果更好的材料有硅化玻璃、铬薄膜、镍薄膜、铝薄膜、锡合金、铟锡氧化物、铌酸锂、钽酸锂、丙烯酸和光阻材料等。

2.6吹惰性气体使用惰性气体吹拂清洗照射区,可大大减少清洗下来的废料再次粘附于基体表面的可能性,从而有效地提高洁净度。

所用惰性气体需经过严格地过滤和干燥。

例如,E.C.Harrey6使用3nm的微粒过滤器和氧气/湿气洗涤器净化,达到了很高的洁净度。

2.7基体材料和污染物质不同的污染物质和基材,清洗工艺参数有着明显差异。

表16给出了某些材料用KrF准分子激光器（每脉冲最大输出能量600mJ,最大重复频率30Hz）清洗的最佳能量密度、平均能量通量和峰值功率。

能量密度是瞬时照射到目的物上的能量除以光斑面积。

平均能量通量是单位面积上多次脉冲照射的能量总和。

峰值功率为注入能量除以激光的脉冲密度。

此处计算的激光脉冲形状类似帽顶,脉宽34ns。

表1数据大部分已经实验验证。

由表1可见,不同基材和污染物的合适清洗工艺参数差别很大。

3器件表面微粒激光清洗光学器件表面当附着的微粒尺寸与入射光波长相当或更小时,产生小尺寸效应,使吸收激增,光散射及损耗严重,使光谱反射因数下降,激光损伤阈值下降。

表面若有Na+和K+等碱金属离子,还会使玻璃基底发生微腐蚀,将直接影响镀膜质量。

87产品与技术Products&TechnologyWMEM3期2007年6月表1推荐激光清洗工艺参数石英不锈钢钢铒（Er）钽（Ta）钨（W）镍合金镍/铁合金锆（Zr）铬（Cr）高密度聚乙烯聚丙烯丙烯酸聚碳酸酯尼龙聚四氟乙烯二氧化铪镍薄膜铌酸锂钽酸锂硅基材微粒、漆、指纹、烟雾锈渍锈氧化物氧化物氧化物氧化物氧化物氧化物氧化物微粒、漆微粒、漆微粒、漆微粒、漆微粒、漆微粒、漆微粒、指纹、粘合剂乙二醇、指纹、微粒、油微粒微粒微粒污染物能量密度/（J/cm2）0.311.630.410.800.140.360.240.310.500.731.141.361.232.300.350.850.220.300.840.930.240.270.160.330.260.310.260.270.771.160.210.530.340.970.130.180.030.050.030.050.260.35平均能量通量/（J/cm2）2.4420.567.9724.542.9312.870.702.780.500.731.284.3219.4422.991.312.580.884.193.584.940.963.121.3310.342.563.272.572.581.852.757.0917.2716.373.10.721.220.81.280.81.261.82.5峰值功率/MW7.847.812.023.44.29.66.908.9014.821.433.640.657.267.19.6019.706.408.9026.927.33.254.932.934.674.044.704.544.702.934.393.124.8010.028.521.235.823.537.623.537.17.610.3在半导体工业中,由于基片表面不够洁净导致芯片失效的损失超过制造过程各环节总损失的一半以上,因此,表面清洗技术的发展决定着超精密加工技术发展的未来。

鉴于此,对超光滑表面清洗技术的研究,尤其是超光滑表面纳米级颗粒清洗的研究,已引起电子、微电子、半导体及光学等领域工作者的高度重视。

3.1大型天文望远镜镜面清洗天文观测设备中镜面被微粒污染,光谱反射因数下降,影像背景加重。

这是天文观测遇到的重大问题之一。

南欧天文台有一座望远镜,其主镜的直径为!

8.2m。

这样大的镜面使用传统方法难以清洗。

试验采用KrF准分子激光清洗,获得了良好的效果7。

（1）镜面试样准备在铝制基材上制备BK7玻璃涂层试样,在望远镜安装地露天放置312个月。

该地区主要污染物有直径几百微米的石英砂,部分试样表面还有水痕。

（2）清洗工艺微粒污染的镜面激光清洗的效果用光谱反射因数提高的百分数衡量。

激光清洗在确保镜面不受损伤的条件下进行。

为此应准确测定所用波长激光束不产生镜面损伤的能量密度阈值。

表2给出了涂BK7玻璃铝镜面的能量密度损伤阈值。

从表2可知,损伤阈值随波长增加而提高。

从避免损伤镜面出发,选择较长的波长清洗比较安全。

例如,在表2中,波长为193nm时损伤阈值为115mJ/cm2,使用很接近阈值的能量密度90mJ/cm2,经10个脉冲照射,仅使光谱反射因数提高13%,清洗效果较差。

波长为248nm和351nm,获得的光谱反射因数提高百分数相同,但前者使用的能量较低。

激光清洗使用的能量密度对光谱反射因数提高的关系见图7。

当能量密度低于50mJ/cm2时,光谱反射因数几乎没有提高。

5个脉冲照射,光谱反射因数在230mJ/cm2时达到最高峰,15个脉冲照射,光谱反射在160mJ/cm2时达到最高值。

继续提高能量密度将使光谱反射因数下降,这是因为镜面涂层开始出现损伤的结果。

在波长为248nm时,使用每个位置5个脉冲,（16030）mJ/cm2的能量密度清洗不会出现镜面损伤,光谱反射因数可提高25%以上。

图8是每个照射点的脉冲次数与光谱反射因数提高百分数的关系。

从图8可见,当能量密度为136mJ/cm2和162mJ/cm2时,经5个脉冲照射,清洗效果基本表2涂BK7玻璃的铝镜面损伤阈值19324835111522049090130200132020波长/nm损伤阈值/（mJ/cm2）清洗用能量密度/（mJ/cm2）光谱反射因数升高百分数/%注:

每点照射10个脉冲。

图7能量密度对光谱反射因数提高的影响实验条件:

=248nm,脉宽30ns,面积44mm288WMEM3期2007年6月产品与技术Products&Technology图8脉冲次数对光谱反射因数提高的影响实验条件:

=248nm,脉宽30ns饱和。

第1个脉冲已使光谱反射因数提高到最大可能的43%左右。

35个脉冲就可获得满意的清洗效果。

激光清洗的同时应吹辅助气或抽气,以便及时吹走（或吸走）辐照区脱落下来的微粒,以防二次污染。

3.2磁头滑座空气轴承的清洗在磁盘驱动工业中,为提高记录密度,磁头飞行高度值不断减小。

目前该高度值在0.1m左右。

亚微米的微细颗粒可能损坏滑座和磁盘表面,导致驱动系统失灵。

实践中发现,亚微米颗粒在滑座表面聚集是使界面损伤的主要原因。

传统的超声清洗效果很差,因此,清洗磁头滑座空气轴承是亟待解决的技术难题。

实验证明,激光清洗是有效的新方法5。

（1）试件和设备磁头滑座空气轴承系由三氧化二铝（Al2O3）和碳化钛（TiC）制造,表面粘附二氧化锆（ZrO2）微粒。

用强气流吹掉松散的微粒,再进行激光清洗。

清洗前后用光学显微镜检查表面粘附的微粒数目。

激光清洗设备用KrF准分子激光器,波长=248nm,脉宽23ns,最大脉冲频率30Hz,最大脉冲能量300mJ。

经石英透镜聚焦照射到空气轴承上。

（2）清洗工艺使用脉冲重复频率5Hz,经100个脉冲照射,磁头滑座空气轴承表面洁净度与注入能量密度的关系见图95。

在100mJ/cm2以下几乎没有什么微粒被洗掉,在100mJ/cm2刚刚开始有清洗作用。

由此可知,清洗磁头滑座空气轴承ZrO2微粒的能量密度阈值是100mJ/cm2。

到400mJ/cm2时,其洁净度接近100%。

合适的清洗脉冲次数见图3。

脉冲重复频率几乎对清洗效果洁净度没有什么影响,见图10。

4结语作为一种新型的清洗技术,激光清洗技术具有广泛的应用,引起了相关行业的极大关注。

如在微电子行业、微型机械工业、文物保护行业、电子输送行业、船舶军工、航空航天行业都有广阔的应用前景。

参考文献（略）图9洁净度与能量密度的关系清洗物:

空气轴承（Al2O3TiC）表面ZrO2微粒实验条件:

KrF准分子激光器,f=5Hz,100个脉冲图10洁净度与重复频率的关系清洗物:

空气轴承（Al2O3TiC）表面ZrO2微粒实验条件:

KrF准分子激光器,f=5Hz,100个脉冲,能量密度200mJ/cm289