付唯

【摘 要】等離子體清洗技術(shù)相比于傳統(tǒng)的物理清洗方式和化學(xué)清洗方式，具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，因而近些年來在半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)和木材清洗、光學(xué)元件，托卡馬克中第一鏡處理具有廣泛應(yīng)用。本文首先介紹等離子清洗工藝的基本原理，之后介紹等離子清洗行業(yè)目前的發(fā)展，介紹用于工業(yè)生產(chǎn)加工的等離子清洗技術(shù)，對(duì)于未來的發(fā)展做出展望。

【關(guān)鍵詞】材料表面改性、等離子體清洗、清洗原理，低溫等離子體

1引言

隨著科技的進(jìn)步，半導(dǎo)體、航天航空制造業(yè)、聚變事業(yè)等都迅速崛起并且快速發(fā)展。材料的性能在其行業(yè)發(fā)展有著重要的影響，例如對(duì)于聚變行業(yè)而言，托卡馬克中的第一鏡的污染物對(duì)其反射率有重大影響，從而影響對(duì)未來反應(yīng)堆的光學(xué)診斷，其獨(dú)特的工況環(huán)境要求對(duì)其清洗的方式為等離子體清洗。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)而言，半導(dǎo)體生產(chǎn)或裝配過程會(huì)生成污染物對(duì)半導(dǎo)體的性能造成影響（疏水性等），等離子體清洗技術(shù)可以即不破壞材料又可以達(dá)到清洗的目的。

等離子體主要通過高溫、射頻、高能等外界條件產(chǎn)生，是一種電中性、高能量、全部或部分離子化的氣態(tài)物質(zhì)。等離子體清洗則常常用的是低溫等離子體清洗，低溫等離子體的能量約為幾十電子伏特，其中所包含的離子、電子、自由基等活性粒子以及紫外線等輻射線很容易與材料表面的雜質(zhì)分子發(fā)生反應(yīng)而使其脫離，進(jìn)而可起到清洗的作用。同時(shí)低溫等離子體能量遠(yuǎn)低于高能射線，因此在進(jìn)行低溫等離子體清洗時(shí)，不會(huì)對(duì)材料本身進(jìn)行破壞，對(duì)材料表面進(jìn)行改性[2-3]。

1清洗原理

等離子體有氣體放電產(chǎn)生，主要分為兩種：活性氣體（H2、O2）與惰性氣體（Ar2、N2），惰性氣體 Ar2、N2 等被激發(fā)產(chǎn)生的等離子體主要用于物理清洗，借助轟擊作用使材料表面清潔?；钚詺怏wH2、O2等被激發(fā)的等離子體主要用于化學(xué)清洗，借助活潑的自由基，離子等轟擊材料表面，與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行材料表面的清洗與改性。

這些反應(yīng)主要有：

（1）原子團(tuán)等自由基與物體表面的反應(yīng)，通過與物體表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引發(fā)物體表面上的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被去除;

（2）電子與物體表面的作用，由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子質(zhì)量，電子優(yōu)先達(dá)到材料表面，電子對(duì)材料表面進(jìn)行轟擊，能讓吸附在物體表面的氣體分子發(fā)生分解或解吸;有利于產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);

（3）離子與物體表面的作用：陽離子有加速?zèng)_向帶負(fù)電荷材料表面，撞擊去除掉表面上附著的顆粒性物質(zhì)，引起表面發(fā)熱增強(qiáng)擴(kuò)散，入射離子反向散射，造成晶格損傷等。

2等離子體對(duì)光學(xué)元件的清洗

在光源光束線中，碳原子可以被輻照的光學(xué)原件表面發(fā)射的光電子從碳?xì)浠衔镏辛呀獬鰜?，從而碳原子將在光學(xué)表面形成一層薄膜，反射鏡上沉積的碳膜嚴(yán)重影響其效率[3]。

中國科學(xué)研究院利用射頻O2/Ar等離子體對(duì)反射鏡樣品鏡是用μm30mm硅片制備的。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法，將它們涂上50納米金膜，然后再涂上10、30或50納米碳膜表面進(jìn)行清洗。調(diào)節(jié)好射頻等離子體工藝參數(shù)：混合氣體氣流量比例為O2：Ar=10：1，射頻功率為70W，對(duì)沉積好的樣品進(jìn)行清洗。

射頻等離子體可以去除碳膜，但碳膜的去除會(huì)破壞反射鏡表面的金層。使用三個(gè)樣品（x13、C1和d30-1）測(cè)量清潔前后的表面粗糙度。射頻等離子體清洗前后，樣品x13和C1表面粗糙度無明顯變化，表明光束線光學(xué)元件在射頻等離子體清洗過程中可以保持安全。樣品d30-1的碳膜粗糙度有所變化，但清洗前粗糙度較大，說明碳膜沉積不均勻。射頻等離子體清洗后，d30-1的粗糙度又有所改善。

3等離子體清洗在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

其在生產(chǎn)中由于會(huì)多次采用膠粘接工藝，比如支架與磁罩之間的粘接、蓋板與音膜粘接等，在這些粘接處由于有污染物，所以會(huì)造成很大的疏水性，造成在后續(xù)點(diǎn)膠工序中出現(xiàn)點(diǎn)膠不均勻甚至不能點(diǎn)膠的問題，所以在點(diǎn)膠工藝前引入等離子體清洗工藝，就能對(duì)這個(gè)問題起到改善，提高產(chǎn)品的點(diǎn)膠率，從而提高這類聲學(xué)器件的整體良品率，提升生產(chǎn)的效率[1]。

主要利用活性氣體O2等離子體對(duì)材料表面污染物（有機(jī)物）進(jìn)行清洗：活潑的氧離子轟擊有機(jī)物，碰撞后生成二氧化碳或水揮發(fā)掉從而達(dá)到清洗的目的。

利用等離子清洗對(duì)電聲器件進(jìn)行清洗后，用表面的浸潤特性來對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過等離子體清洗后的表面比未清洗前要小，這就表明經(jīng)過等離子清洗后，聲學(xué)器件表面的親水性大大增強(qiáng)了，這就對(duì)黏膠的流動(dòng)及浸潤提升很大了，這些電聲器件在進(jìn)行點(diǎn)膠工序時(shí)，就能使膠更均勻的涂覆在表面，使得后續(xù)工藝能正常進(jìn)行。此外，等離子體清洗還能使得錫絲焊線的拉力強(qiáng)度提高，經(jīng)過對(duì)比清洗前的以及清洗后的錫絲拉力性能，結(jié)果顯示清洗后的錫絲焊接拉力提高了約10%，產(chǎn)品良率提高了5%，這證明了將等離子體清洗引入電聲器件的生產(chǎn)過程中對(duì)于聲學(xué)器件的質(zhì)量提升具有幫助。

4等離子體對(duì)木材的清洗

為了讓木材的粘黏性、親水性、生物相容性、染色性及電性能等得到改善，利用低溫等離子體對(duì)竹絲材料表面進(jìn)行改性處理，分析了不同清洗時(shí)間和等離子體放電功率對(duì)竹絲表面形貌、化學(xué)特性和潤濕性的影響。許艷青選用年齡為4年的毛竹，分成青絲、黃絲兩種，碳化兩小時(shí)后利用兩電極形成介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生低溫離子體對(duì)毛竹進(jìn)行清洗[6]。

4種竹絲經(jīng)過低溫等離子體處理后表面形貌發(fā)生了明顯的變化，青絲、黃絲、炭化黃絲的表面變化比較明顯，在處理工藝參數(shù)等離子體功率/清洗時(shí)間為120 W/75 s時(shí)，這3種竹絲的表面已經(jīng)有明顯的破壞痕跡，即說明發(fā)生炭化。

未經(jīng)過等離子處理的青絲表面紋孔周圍都沒有明顯破壞，青絲60 W/45 s和60 W/120 s表面相比未清洗的時(shí)更加平整，可能是清洗機(jī)制產(chǎn)生的活性粒子撞擊竹絲壁細(xì)胞表面脫落線性聚合物，填充孔徑，表面較平整;當(dāng)增加等離子體放電功率后，產(chǎn)生的活性粒子增多，活性增強(qiáng)，撞擊變得越猛烈對(duì)表面產(chǎn)生蝕刻。這表示低溫等離子體處理參數(shù)為60 W/120 s、90 W/75 s、120 W/75 s 時(shí)，青絲表面的微觀形貌發(fā)生了明顯變化，低溫等離子體對(duì)木材清洗有顯著的效果，且對(duì)其清洗效果影響主要因素為：等離子體放電功率以和清洗的時(shí)間。

5托卡馬克中第一鏡的清洗

作為前發(fā)送日托卡馬克和未來反應(yīng)堆的光學(xué)診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，第一反射鏡（FMs）對(duì)其性能有很大的影響。FMs的壽命近端燃燒等離子體的時(shí)間應(yīng)該非常短，因?yàn)樗鼈兇_實(shí)如此位于非常惡劣的環(huán)境中。兩個(gè)特別不利效應(yīng)——電荷交換原子的廣泛侵蝕，以及雜質(zhì)從第一墻材料侵蝕沉積-顯著降低反射率和表面性FMs。特別是在以取證為主的情況下，即使是薄的或透明的薄膜也會(huì)造成嚴(yán)重的變形反射光譜[7]。只有20nm碳膜在調(diào)頻表面有相當(dāng)嚴(yán)重的影結(jié)果，將反射率從50%降低到11%波長為750nm[8]。盡管有些措施已采取措施減輕雜質(zhì)的沉積，而不是全部他們完全有效[7]。因此，等離子體清洗被認(rèn)為是目前最具發(fā)展前景的方法之一.清洗被污染的FMs以恢復(fù)它們的反射活力[9]。近年來，各種新穎的清洗方法層出不窮如直流、射頻（RF）、電感耦合等離子體，電容耦合等離子體，和電子回旋共振[7]清洗，有被廣泛研究，希望能恢復(fù)反射率延長FMs的壽命。

例如，中國科學(xué)院等離子體物理研究所的彭姣在射頻等離子體產(chǎn)生裝置中進(jìn)行了清洗試驗(yàn)，射頻為13.56 MHz，磁場(chǎng)為200 - 400高斯[]。在清洗過程中產(chǎn)生了穩(wěn)定的氬輝光等離子體，其密度為（3- 6）x1015 m-3，電子溫度小于10 eV，鏡面尺寸直徑為25mm，厚度為2mm，在氬氣壓力為0.16 Pa，自偏置為負(fù)200 V的條件下進(jìn)行2小時(shí)的鍍膜過程。

為了了解反射率的演變，表面形態(tài)用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)清洗后的鏡面進(jìn)行了研究。典型的SS316L金屬的圖形組織，包括退火孿晶和不規(guī)則組織可見多角形晶粒。當(dāng)碳膜完全從鏡子上移除時(shí)底物，孿晶和晶粒的邊界SS基板因此受到優(yōu)先濺射的影響更高的濺射產(chǎn)量。因此，典型的SS316L鏡面的微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。也可以是可以清楚地看到，鏡面變得粗糙而具有連續(xù)的清洗周期。在第二次和第三清洗，大部分由于邊界的延續(xù)，尖銳的邊界變得傾斜在去除復(fù)涂層后的濺射。此外，許多坑的開是顯而易見的。這些坑是SS微觀結(jié)構(gòu)的第二相由于吉布斯能較高，濺射更容易。

6未來與展望

等離子清洗技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展仍然存在局限性，例如，與國外的設(shè)備相比，國內(nèi)設(shè)備存在不精確，不穩(wěn)定的情況。射頻電源的制備，和真空系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)與制作仍然是我國技術(shù)制備的難點(diǎn)。但是，基于等離子體清洗的諸多優(yōu)點(diǎn)，效率高，安全等，因此等離子體清洗技術(shù)仍然會(huì)逐步取代傳統(tǒng)清洗，還是存在巨大潛力。

等離子體清洗技術(shù)在諸多領(lǐng)域的適用性和目前的廣泛應(yīng)用決定了其發(fā)展前景一片光明，隨著等離子體清洗設(shè)備的研發(fā)和更新，清洗技術(shù)愈發(fā)成熟，清洗成本降低，等離子體清洗技術(shù)會(huì)越來越普及。

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（作者單位：成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）