金属表面去油用等离子体技术(上)

清华大学 ■ 范崇治 译 ■ 殷志强 校

0 引言

所有金属卷带经压轧工艺处理后，两面都会覆有油污。一些金属，如碳钢带，在最后打卷前会附加不同油膜(运输保护用油)，这种油具有防腐功效。经后续工艺的处理，金属带上会覆盖有起保护、保护装饰和其他作用的涂层。为了使涂层能较好地附着，必须去除金属表面油污。

去除金属表面的油脂和油污，通常联合采用湿化学法和机械刷洗处理。不同的清洁过程必须进行监测和控制，以期得到稳定的清洁结果。清洁过程通常采用电解法来提高去油效率。当然，清洁还可在真空下进行，采用的方法有：加热法(油的热蒸发)；物理去除法，如反应溅射法；化学处理法，如等离子刻蚀法(等离子清洁)或联合使用。真空处理法的好处是化学易控制，因为化学物质只用一次。

当有油金属表面暴露于真空中，油的蒸发率高于在大气状况下，可通过加热温度到几百℃来增强“真空蒸馏”预清洁处理。许多油是相对易挥发的煤油，因此不需要太高的预清洁温度，事实上预清洁温度在不改变金属带的性质下，可尽可能地增高。对绝大多数铝合金，温度为150 ℃不会改变它们的机械性质，但许多油脂不能承受该高温而导致不发生聚合作用，因此预清洁温度通常取决于油本身。在很多情况下温度是如此低，因此去除油污需较长时间，使得单独真空加热法变得不切实际。物理清洁过程，如溅射，可用于清洁，与材料的化学性质无关，对去油来讲溅射也是不实际的，因为它太慢。在氧气等离体中反应溅射刻蚀和等离子清洁是快得多的过程，并曾广泛应用于许多不同表面的处理。在氧气放电的等离子体中，活性氧与油发生作用，形成易挥发物质，它可被真空泵抽走，如果反应充分，良好的反应产物就形成了。CxHy表示一般碳氢分子，O2表示被等离子激活的氧、振动激发的氧分子或原子氧。事实上只有部分油和氧等离子作用，见式(1)，反应无需进行到底。

最近研究表明，退火后和冷轧的铝带表面上残余碳污的去除，采用氧等离子技术是非常有效的。用来清洁的氧等离子体是用不同方法产生的，主要是射频的辉光放电和ECR等离子体，但是大面积的金属带在通常等离子设备中完成既不方便，成本又高。本工作中描述了分布式直线型空心等离子源的设计和运行，该直线型等离子源是用在直线系统中提供金属带加热和等离子刻蚀。

空心阴极放电广泛应用于不同领域，包括等离子刻蚀。空心阴极可同时作为电子源、基材的加热源和化学反应的原子团源。空心阴极应用于等离子体反应刻蚀，一个基材需放置在靠近阴极的地方，甚至在阴极里。在空心阴极等离子体内形成的化学活性物质可用高气流的对流方法传输。磁场可用来拉出等离子超出随后阴极的限制。有时这两种方法都可用于在远离源的位置提供化学反应。

我们把去除油的功能叫清洁，在本文“清洁”定义为一种情况，能保证金属顺利满足进行下一步处理的要求。如用层压法将铝箔附着到塑料或纸基上，阳极化的涂层不应具有疤面的外观，转换涂层应在基材上粘牢，扩散的涂层应均匀等。清洁状态因此没有统一的定义，作为一个化学的表面情况清洁状态也难于计量，数分钟内发生碳污染也是一个熟知的现象。金属表面清洁度通常采用接触角来分析，许多工业涂层的粘附性和这一参数有关，在我们的工作中，当接触角减小到10°时，认为金属表面是清洁的，在金属工业中这一角度说明金属得到好的涂层粘附。

1 实验

1.1 分布式直线型空心阴极

分布式空心阴极等离子源由水冷不锈钢罩和带孔底板组成，带孔底板有64个孔，沿长轴间隔6 mm(图1)，气流流入不锈钢罩，从小孔逸到真空室，导致罩内比真空室气压高。本文对直流或交流(100 kHZ)电源、不同的底平面材料和厚度、孔的直径和外磁场因素进行了研究。独立改变气流和抽速来改变压强，底平面用铝、钛或不锈钢，两个磁棒的组合体用来强化分布式空心阴极放电，一个磁棒放在空心阴极顶上，一个放在基底下面，距底平面约25 mm(图2)，磁场强度在孔洞中约0.025 T。

图1 直线型分布式空心阴极的简图

图2 直线型真空系统由清洁区和涂层区组成，清洁区是多通道直线型排列的空心阴极(分布式空心阴极)，涂层区磁控区

在所有孔中空心阴极放电依赖于阴极材料和尺寸，以及气流量和压力。氧气情况下空心阴极放电压强在80～100 Pa，用不锈钢(直流)和铝(交流)作底板，压力数据分析指出，当孔直径大于2lD(lD为阴极暗区的宽度)时，在孔中存在辉光放电。

由空心阴极放电产生的氧等离子的参数采用Langmuir探针来测量，没有磁场加强时，氧气压约90 Pa，电流4 A，基材处电子温度、电子浓度分别为1.2 eV、2.5×1010/cm3。增强磁场，两个参数增加至少1.5倍，在基材平面沿着空心阴极长轴的变化不超过10%。

图3表示了分布式空心阴极的伏安特性，在电流为1～2 A范围，正常的辉光放电是在空心阴极外面变化到孔洞中。当电流约为8 A时，空心阴极放电变成电弧，电弧放电集中在一个或几个孔中，有时它从孔到孔的移动，由于离子加热了孔的表面引起热电子发射导致电弧，因此底板的冷却是增加电流上限的关键，一般工作时电流为2～8 A。

图3 多孔直线型排列空心阴极的伏安特性(氩气压强为100 Pa）

用氧等离子火焰去除金属表面油的去除率，通常是由直指向基材的氧原子流量控制的。在不同的空心阴极辉光放电等离子流中，氧原子的数量用等离子的原子氧发射(777 nm)强度进行了比较。实验表明，原子氧发射强度与阴极功率呈线性关系，减少压强，增加等离子火焰和原子氧的氧发射。用磁棒增加了原子氧发射约2倍，在相同功率下，选择阴极尺寸和放电条件以便得到最大原子氧发射。

1.2 分布式空心阴极等离子清洁

等离子清洁是在直线型沉积系统中进行的(图2)。在沉积过程中系统用机械泵/罗兹泵排气，抽速约30 L/s，对铝(厚0.13 mm)和不锈钢(厚0.64 mm)有油污金属片进行清洁，铝表面有轻质润滑油，浓度是3～10 mg/m2，在不锈钢上油浓度是它的10倍，金属片在直线型分布或空心阴极下移动进行清洁，金属片可接地，也可悬挂，基材预热可用红外辐射在固定的地方进行。

(待续)