物体表面的激光清洗技术.pdf

1、产品与技术P r o d u c t s&T e c h n o l o g yWME M3期2 0 0 7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L a s e rC l e a n i n gT e c h n o l o g yf o rS u r f a c eA b s t h a c t:T h eA r t i c l eg i v e sa n

2、a c c o u n to fp r i n c i p l e,i n f l e n c ef a c t o r sa p p l i e dl a s e r sa n dt e c h n o-l o g i c a lp r o c e s s e sa b o u tl a s e rc l e a n i n go fm i c r o p a r t i c l e sf r o m t h es u r f a c eo fb o d i e s.I th a sb e e ns u c-c e s s f u l l ya p p l i e dt oa s t r o

3、 n o m i c a lt e l e s c o p e,a i rb e a r i n gs u r f a c eo fm a g n e t i ch e a ds l i d e r se t c.E x c i m e rl a s e rc l e a n i n g i su s e d a sa n a f f e c t i v e c l e a n i n g t e c h n i q u e i n c l u d i n g s e m i c o n d u c t o r s,e l e c t r o n i c s,a e r o s p a c e

4、,a u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dn u c l e a rp o w e r.激光清洗是一种新型的激光表面处理技术,近1 0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。(

5、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.L u等 2 将激光清洗划分为两种类型:一为干式激光清洗(d r yl a s e rc l e a n i n g),另一种为蒸气激光清洗(s t e a m l a s e rc l e a n i n g)。前者,附着在物体表面的微小颗粒在短脉

6、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5 0 m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=h r8 z2+h 28 z3(1)式中r颗粒半径;h材料的L i f s h i t z-V a n d e rw a

7、a l s常数;粘着面积半径;z颗 粒 和 物 体 表 面 间 的 原 子 间 距,约 为0.4 n m。(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=h r8 z2+h 28 z3+4 r(2)式中液体表面张力。8 4WME M3期2 0 0 7年6月产品与技术P r o d u c t s&T e c h n o l o g y1.2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+

8、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=E T(d,t)(6)故当f F,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

9、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。ppvps a t(T)(7)Ts a t(p)TvT(8)式中p 环境液体压力;pv 气泡内的蒸气压;ps a t 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=ps a t(Tv)ps a t(T)。气泡长大速度v,经理论分析得到下列关系式 3,4。v(T)=2 pv(T)-p3 1(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

10、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)v f d t,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=%p22 cd t(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=2 c(pv-p)v f 12(1 1)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

11、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1 1 给出了使用3种波长,脉宽5 n s的Y A G激光图1洁净度与波长、能量密度关系基材:石英,微粒:铝,Y A G激光器,5 0 0个脉冲,7 n s。8 5产品与技术P r o d u c t s&T e c h n o l o g yWME M3期2 0 0 7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:K

12、r F准分子。器,经5 0 0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=1 0 6 4 n m时阈值能量密度约为4 0 m J/c m2;=5 3 2 n m时 约 为3 0 m J/c m2;=2 6 6 n m时 约 为1 0 m J/c m2。在高于其阈值的某一能量密度下辐照,例如,在8 0 m J/c m2下使用=2 6 6 n m的激光照射,其洁净度可达9 0%;=5 3 2 n m时所得洁净度为7 0%;而=1 0 6 4 n m时所得洁净度不到3 0%。激光束的波长愈短所需的能量密度愈低

13、。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,=2 6 6 n m时交点对应能量密度为2 3 m J/c m2;=5 3 2 n m为3 3 m J/c m2;而=1 0 6 4 n m则为3 7 m J/c m2。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

14、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2 4 8 n m,脉宽2 3 n s,最大脉冲频率3 0 H z,最大脉冲能量3 0 0 m J的K r F准分子激光器,清洗磁头滑座空气轴承A l2O3T i C表面的Z r O2微粒。表面上微粒分布密度约为1 0 0 0个/c m2。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

15、,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,Y A G激光器,5 0 0个脉冲,7 n s。图3洁净度与脉冲次数关系清洗物:空气轴承(A l2O3T i C)表面Z r O2微粒,激光器:K r F准分子,f=5 H z。8 6WME M3期2 0 0 7年6月产品与技术P

16、 r o d u c t s&T e c h n o l o g y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:K r F准分子,频率1 0 H z,脉冲次数:1 0 0。量密度1 0 0 m J/c m2,重复频率1 0 H z,同一位置经1 0 0次脉冲照射后,光束由正面入射的洁净度仅有2 4%,而背面入射的洁净度达1 0 0%。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5 0 m J/c m2。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5 0 m J/c