光学滤光片镀膜前清洗技术及发展趋势

陈凤金，苏现军

（1．中国空空导弹研究院   河南 洛阳  471000

2.红外探测器技术航空科技重点实验室，河南洛阳，471000）

摘  要：综述了光学滤光片镀膜前常用的基片清洗方法，包括擦洗清洗、超声波清洗、汽相清洗和离子束清洗方法，阐述了光学滤光片镀膜前基片清洗工艺和其他清洗技术一样，主要朝绿色环保、全自动、高效、低成本等方向的趋势发展。

关键词：光学滤光片，镀膜，清洗，超声波，汽相

Cleaning Technics and Applications of Optical Filters Before Coating

Chen Fengjin ,Su Xianjun

(1．China Airborne Missile Academy, Luoyang Henan 471000, China

2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Infrared Detector, Luoyang Henan, 471000）

Abstract:The cleaning technics before coating were introduced, such as cleanse, ultrasonic and vapor Phase. The cleaning applications trend of the optical filters befaore congting were put forward，which towards green,automatic ,high efficiency and low cost .

 Key words: optical filters,coating,cleaning, ultrasonic, vapor phase

一、前言

    在探测器制造加工工艺中，很多都涉及清洗技术，如芯片制作期间的基片清洗，外延生长片的清洗，镀膜加工前基片的清洗，以及滤光片等光学元件加工的清洗等等。随着科技的发展，半导体器件的生产对清洁度的要求越来越高。也不断有复杂的新洗净系统和设备投入使用。在光学仪器、精密机械以及电子机械领域也越来越多地需要精密工业清洗^[1]。无论是半导体薄膜的生长还是基于半导体薄膜的器件制备，衬底的清洗和处理是必不可少的一个环节^[2][3]。半导体衬底片是外延生长以及后续工艺的基础，衬底制备包括清洁处理等工艺，它的好坏直接影响外延和后续工艺，衬底成为光电子器件工艺的出发点^[3]，衬底的清洗分为化学清洗和物理清洗。不同的基底材料其清洗方法和流程各不相同，相同的材料应用领域不一样，对清洁的要求不同，清洗方法也不尽相同，即使是同种材料的同种用途，清洗方法也有各异。如GaAs衬底和蓝宝石的化学清洗方法^[4]各不相同，抛光硅片的化学清洗^[3]就有SPM方法、RCA方法等五种方法。

对于镀膜元件来说，基底清洁程度是影响镀膜产品质量好坏的关键因素之一^[6]，保障元件镀膜前表面高洁净度，降低薄膜内的杂质污染物，镀膜前元件的洁净清洗至关重要。基片进入镀膜室前，不管镀层要求如何，均应进行认真的镀前处理（即清洗处理），以达到去油、去污和脱水的目的，是提高膜层牢固度的重要举措^[7]。文章叙述了滤光片镀膜工艺常用的清洗方法和技术，阐述了滤光片镀膜前保持高洁净度的清洗技术发展趋势。

二、滤光片镀膜工艺常用清洗方法

在清洗行业中，根据清洗时使用的清洗媒体（清洗剂）种类把清洗工艺分为两大类^[8]：即湿式清洗和干式清洗。对真空镀膜来说^[9]，镀膜基底清洗方法一般分为去除基底表面物理附着物的清洗方法和去除化学附着物的清洗方法，即物理清洗和化学清洗。而不同的基底在真空镀膜前的清洗方法也各有差异，光学滤光片镀膜前清洗主要是采用湿式清洗，主要包括如下几种：

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作者简介：陈凤金，男，（1976—），江西赣州人，高级工程师，主要从事红外探测器及光学薄

膜技术研究。 通讯地址：河南省洛阳市030信箱光电所（471000）；Email：Cfjin-mail@tom.com  

1、擦拭清洗

擦拭清洗方法是兼有机械摩擦和化学作用的双重效果，使除污效果更为有效。滤光片等光学元

件在转入镀膜加工工序前，其基底都经过研磨抛光，达到一定的光洁要求，光学元件表面残留有各

类油污，存在粘接性强的附着物，同时还残留有部分研磨膏、抛光砂等颗粒物。为达到良好的清洗效果，满足滤光片的镀膜需求，滤光片基底首先应进行擦拭清洗，以清除基底表面油污及研磨膏、抛光砂等附着物。

滤光片基底在擦拭清洗前通常在某种化学试剂（如丙酮或其他清洗剂）中先浸泡一段时间，然后用脱脂棉蘸该试剂在基底表面进行擦拭。如锗、石英、蓝宝石等基底的擦拭清洗通常用蘸有丙酮的脱脂棉，然后用蘸有清洗剂的脱脂棉擦拭清洗。擦拭清洗前配以超声波清洗几分钟，效果会更好，再用去离子水冲洗。

2、超声波清洗法

超声波清洗的主要作用机理^[10]是超声空化作用、超声空化二阶效应产生的微声流的洗刷作用以及超声空化在固体和液体界面所产生的高速微射流的冲击作用，促进洗液的化学物理反应效果，从而除去污染物的一种有效的清洗方法。是一种真正高速、高质量、易实现自动化的清洗技术。

滤光片真空镀膜加工对基底表面清洁度要求较高，超声波清洗技术是使基底表面能达到镀膜所需清洁度要求的最为理想的技术之一。与其它清洗方法相比，超声波清洗具有洗净率高、残留物少、清洗时间短、清洗效果好等优点。为了达到更好的超声清洗效果，根据污染物种类的不同，需选择合适的超声频率和不同的清洗介质。滤光片基底在镀膜前的超声清洗选择的频率多在20～80KHz范围的超声，对于超声清洗介质，可以按以下准则选取，表面张力小，对超声波衰减小，对油脂的溶解能力大，无害物质，选择去离子水、中性清洗剂、异丙醇、丙酮等。

镀膜前滤光片超声波清洗过程中，为达到更好的清洗效果，常对媒介进行一定程度的升温。

3、汽相清洗方法（蒸汽除油）

    蒸汽清洗^[11]通常是指有机溶剂蒸汽清洗，习惯上常称为蒸汽除油。蒸汽清洗主要是通过有机溶剂蒸发、液化冷凝到基底表面、溶解污物的过程，从而达到清洗基底表面高洁净度的一种清洗方法。

    蒸气清洗装置的清洗槽中有机溶剂经过持续加热后沸腾，形成大量气化蒸汽，使清洗槽上部空间充满有机溶剂蒸汽，有机蒸汽在基底表面冷凝液化，使基底表面污物溶解，在重力作用下含有污垢的溶剂液体从被清洗材料表面向下流动而进入液相溶剂中，最终脱离基底表面实现洁净表面。装置中通常采用蛇形冷凝管，可以使有机溶剂蒸汽冷凝液化，使蒸汽式中保持在槽内。

在滤光片的真空镀膜前的蒸汽清洗过程中，过去通常采用氟利昂或CFC113作为蒸汽清洗的有机溶剂，主要是因为该类溶剂沸点低，在加热状态下容易获得蒸汽状态。另一原因是该溶剂去污能力强。现在因环保方面的考虑，国际上已经禁止使用氟利昂或CFC113，而采用其他的替代品。在光学滤光片镀膜前的蒸汽清洗工序中，采用141B溶剂代替氟利昂，经加热沸腾后，将前期经其他工序清洗的基片由工件蓝中放入槽内，放置时间为10～20min。

4、离子束清洗

滤光片镀膜前经过一系列的清洗过程之后，在基片放入真空室的过程中以及在真空室抽取真空的过程中，装入镀膜设备真空室以及进行蒸镀前，基片均有可能被二次污染，从而影响滤光片蒸镀效果和薄膜特性，通常采用离子束清洗技术，对基片进行的最后一道处理，以消除二次污染，保证基片在镀膜前的真正清洁。离子束清洗技术的清洁机理是：吸附或黏附在基片上的污物在高能离子束的轰击下脱离基片；或通过高热能的氧离子氧化污物分子，使它易于被离子碰撞而脱离基片。

滤光片镀膜前的清洗通常采用擦拭清洗和超声波清洗交叉进行，换用不同的清洁剂擦拭和超声清洗，经多个循环，用去离子水冲洗干净后，用汽相清洗方法，以满足镀膜前的清洁要求。

三、滤光片镀膜前清洗技术的发展探讨

    随着科技的迅速发展，与其他清洗技术一样，滤光片基底在镀膜前的清洗主要朝着绿色环保、自动化、高效、低成本的清洗方向发展。

1、绿色清洗

现有的清洗工艺中，根据不同的清洗方法和被清洗物件上污物的种类与性质，在清洗工艺流程中大多涉及各类酸、碱等强腐蚀性的化学试剂，化学试剂的强腐蚀性和挥发性对操作人员的危害以及这些清洗废液的处理带来的环境危害是不可避免的。以中性清洗剂代替强酸、强碱的的清洗作用是一个趋势，以减少对环境的污染，改善劳动环境。

    在探测器制造及滤光片镀膜加工所涉及的清洗工艺中，之前常用到氟利昂作为清洗剂。随着《蒙特利尔议定书》^[12]的签订和修订，对全氯氟烃、甲基氯仿、含氢氯氟烃等七类消耗臭氧层物质的生产和使用做了严格的管制规定，应用于电子光学清洗剂的CFC系试剂，采用HCFC系试剂代替。而HCFC系试剂也只是过渡，也将被更为环保的的试剂所代替。各国的环保法规对于挥发性有机物释放量的限制日益严格,开发环境友好的替代溶剂已成为当务之急^[13]。绿色清洗技术研究已经成为国内外关注的焦点之一，吉小超等^[14]研究了通过高温清洗、喷射清洗、酶清洗、振动清洗等面向再制造的绿色清洗技术；高超群等^[16]提出了一种绿色二氧化碳超流体半导体清洗设备，它可实现超流体清洗和超临界干燥，二氧化碳循环使用，属于新型高效的下一代绿色半导体清洗设备。UVTech System Inc. (Wayland, Mass.) ^[17]的研究人员开发了一种光反应清洗技术，利用UV辐照的一种更为洁净的清洗工艺。中国科学院郭新贺^[18]等人研究了以CO₂为介质的新型干冰微粒喷射清洗方法。

2、高效低成本全自动清洗

    光学元件在镀膜前的清洗过程中，涉及手工擦拭清洗、超声清洗、汽相清洗等多个环节，有时几种清洗方法循环交叉进行，镀膜前的清洗工作占整个镀膜工作量的很大一部分时间。随着制造业的快速发展，生产加工的各种工件批量大，数量多，传统的手工清洗操作方法不能满足工业化生产的需要，军用电子产品的高可靠性对清洗工艺也提出新的要求，迫使我们改变了以往纯溶剂型手工清洗工艺，发展出新的溶剂型与水基都适用的新型自动化清洗工艺，更适用于变批量多品种的产品特点。

在现有的清洗技术中，很多采用湿法化学清洗方法，该方法有些需采用大量的化学试剂，需要用水冲洗，耗水量大，浪费大量的资源，化学试剂及其残留物还给生态环境造成了极大的影响甚至破坏，复杂的清洗流程也加大了半导体及光学等加工工艺的复杂性和成本。为了满足加工工艺的发展需求，人们对许多新型的清洗方法进行了大量的研究，以期获得更经济、更有效、更环保、更方便的高效低成本的清洗方法。

近年来，在国际上广泛关注一种以CO₂为基础的半导体清洗工艺，其绿色无污染、无损伤较经济、清洗效果好等特点使其在众多新型清洗方法中更具优势，具有极大的潜力和应用价值；有采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化工艺过程的激光清洗技术^[19]；还有研究以超临界二氧化碳(SCCO₂)为清洗介质的清洗技术^[13]，称为SCCO₂清洗技术，也是一种环保、高效的清洗技术。

由于镀膜前滤光片对基底高清洁度要求的特性，有些能够运用于半导体清洗工艺的清洗技术能否应用于滤光片镀膜前的清洗，其适用性还在进一步研究探索。

四、结束语

    在光学滤光片镀膜前的清洗过程中，多采用某种清洗剂等化学试剂进行擦拭、超声波清洗和汽相清洗等方法，以满足滤光片基底镀膜前的清洁要求。绿色高效低成本的清洗技术是一种趋势，也是整个清洗行业的一个趋势。由于镀膜前滤光片对基底高清洁度要求的特性，某些能够应用于其它清洗工艺的清洗技术是否能够满足和适合滤光片镀膜前的清洗工艺还亟待进一步研究探索。

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