付唯

【摘 要】等离子体清洗技术相比于传统的物理清洗方式和化学清洗方式，具有的诸多优点，因而近些年来在半导体工业生产和木材清洗、光学元件，托卡马克中第一镜处理具有广泛应用。本文首先介绍等离子清洗工艺的基本原理，之后介绍等离子清洗行业目前的发展，介绍用于工业生产加工的等离子清洗技术，对于未来的发展做出展望。

【关键词】材料表面改性、等离子体清洗、清洗原理，低温等离子体

1引言

随着科技的进步，半导体、航天航空制造业、聚变事业等都迅速崛起并且快速发展。材料的性能在其行业发展有着重要的影响，例如对于聚变行业而言，托卡马克中的第一镜的污染物对其反射率有重大影响，从而影响对未来反应堆的光学诊断，其独特的工况环境要求对其清洗的方式为等离子体清洗。对于半导体行业而言，半导体生产或装配过程会生成污染物对半导体的性能造成影响（疏水性等），等离子体清洗技术可以即不破坏材料又可以达到清洗的目的。

等离子体主要通过高温、射频、高能等外界条件产生，是一种电中性、高能量、全部或部分离子化的气态物质。等离子体清洗则常常用的是低温等离子体清洗，低温等离子体的能量约为几十电子伏特，其中所包含的离子、电子、自由基等活性粒子以及紫外线等辐射线很容易与材料表面的杂质分子发生反应而使其脱离，进而可起到清洗的作用。同时低温等离子体能量远低于高能射线，因此在进行低温等离子体清洗时，不会对材料本身进行破坏，对材料表面进行改性[2-3]。

1清洗原理

等离子体有气体放电产生，主要分为两种：活性气体（H2、O2）与惰性气体（Ar2、N2），惰性气体 Ar2、N2 等被激发产生的等离子体主要用于物理清洗，借助轰击作用使材料表面清洁。活性气体H2、O2等被激发的等离子体主要用于化学清洗，借助活泼的自由基，离子等轰击材料表面，与其发生化学反应，进行材料表面的清洗与改性。

这些反应主要有：

（1）原子团等自由基与物体表面的反应，通过与物体表面分子发生化学反应，从而引发物体表面上的物质发生化学反应而被去除;

（2）电子与物体表面的作用，由于电子质量远远小于离子质量，电子优先达到材料表面，电子对材料表面进行轰击，能让吸附在物体表面的气体分子发生分解或解吸;有利于产生化学反应;

（3）离子与物体表面的作用：阳离子有加速冲向带负电荷材料表面，撞击去除掉表面上附着的颗粒性物质，引起表面发热增强扩散，入射离子反向散射，造成晶格损伤等。

2等离子体对光学元件的清洗

在光源光束线中，碳原子可以被辐照的光学原件表面发射的光电子从碳氢化合物中裂解出来，从而碳原子将在光学表面形成一层薄膜，反射镜上沉积的碳膜严重影响其效率[3]。

中国科学研究院利用射频O2/Ar等离子体对反射镜样品镜是用μm30mm硅片制备的。通过化学气相沉积（CVD）的方法，将它们涂上50纳米金膜，然后再涂上10、30或50纳米碳膜表面进行清洗。调节好射频等离子体工艺参数：混合气体气流量比例为O2：Ar=10：1，射频功率为70W，对沉积好的样品进行清洗。

射频等离子体可以去除碳膜，但碳膜的去除会破坏反射镜表面的金层。使用三个样品（x13、C1和d30-1）测量清洁前后的表面粗糙度。射频等离子体清洗前后，样品x13和C1表面粗糙度无明显变化，表明光束线光学元件在射频等离子体清洗过程中可以保持安全。样品d30-1的碳膜粗糙度有所变化，但清洗前粗糙度较大，说明碳膜沉积不均匀。射频等离子体清洗后，d30-1的粗糙度又有所改善。

3等离子体清洗在半导体生产工艺中的应用

其在生产中由于会多次采用胶粘接工艺，比如支架与磁罩之间的粘接、盖板与音膜粘接等，在这些粘接处由于有污染物，所以会造成很大的疏水性，造成在后续点胶工序中出现点胶不均匀甚至不能点胶的问题，所以在点胶工艺前引入等离子体清洗工艺，就能对这个问题起到改善，提高产品的点胶率，从而提高这类声学器件的整体良品率，提升生产的效率[1]。

主要利用活性气体O2等离子体对材料表面污染物（有机物）进行清洗：活泼的氧离子轰击有机物，碰撞后生成二氧化碳或水挥发掉从而达到清洗的目的。

利用等离子清洗对电声器件进行清洗后，用表面的浸润特性来对其进行检测，经过等离子体清洗后的表面比未清洗前要小，这就表明经过等离子清洗后，声学器件表面的亲水性大大增强了，这就对黏胶的流动及浸润提升很大了，这些电声器件在进行点胶工序时，就能使胶更均匀的涂覆在表面，使得后续工艺能正常进行。此外，等离子体清洗还能使得锡丝焊线的拉力强度提高，经过对比清洗前的以及清洗后的锡丝拉力性能，结果显示清洗后的锡丝焊接拉力提高了约10%，产品良率提高了5%，这证明了将等离子体清洗引入电声器件的生产过程中对于声学器件的质量提升具有帮助。

4等离子体对木材的清洗

为了让木材的粘黏性、亲水性、生物相容性、染色性及电性能等得到改善，利用低温等离子体对竹丝材料表面进行改性处理，分析了不同清洗时间和等离子体放电功率对竹丝表面形貌、化学特性和润湿性的影响。许艳青选用年龄为4年的毛竹，分成青丝、黄丝两种，碳化两小时后利用两电极形成介质阻擋放电，产生低温离子体对毛竹进行清洗[6]。

4种竹丝经过低温等离子体处理后表面形貌发生了明显的变化，青丝、黄丝、炭化黄丝的表面变化比较明显，在处理工艺参数等离子体功率/清洗时间为120 W/75 s时，这3种竹丝的表面已经有明显的破坏痕迹，即说明发生炭化。

未经过等离子处理的青丝表面纹孔周围都没有明显破坏，青丝60 W/45 s和60 W/120 s表面相比未清洗的时更加平整，可能是清洗机制产生的活性粒子撞击竹丝壁细胞表面脱落线性聚合物，填充孔径，表面较平整;当增加等离子体放电功率后，产生的活性粒子增多，活性增强，撞击变得越猛烈对表面产生蚀刻。这表示低温等离子体处理参数为60 W/120 s、90 W/75 s、120 W/75 s 时，青丝表面的微观形貌发生了明显变化，低温等离子体对木材清洗有显著的效果，且对其清洗效果影响主要因素为：等离子体放电功率以和清洗的时间。

5托卡马克中第一镜的清洗

作为前发送日托卡马克和未来反应堆的光学诊断系统的关键问题，第一反射镜（FMs）对其性能有很大的影响。FMs的寿命近端燃烧等离子体的时间应该非常短，因为它们确实如此位于非常恶劣的环境中。两个特别不利效应——电荷交换原子的广泛侵蚀，以及杂质从第一墙材料侵蚀沉积-显著降低反射率和表面性FMs。特别是在以取证为主的情况下，即使是薄的或透明的薄膜也会造成严重的变形反射光谱[7]。只有20nm碳膜在调频表面有相当严重的影结果，将反射率从50%降低到11%波长为750nm[8]。尽管有些措施已采取措施减轻杂质的沉积，而不是全部他们完全有效[7]。因此，等离子体清洗被认为是目前最具发展前景的方法之一.清洗被污染的FMs以恢复它们的反射活力[9]。近年来，各种新颖的清洗方法层出不穷如直流、射频（RF）、电感耦合等离子体，电容耦合等离子体，和电子回旋共振[7]清洗，有被广泛研究，希望能恢复反射率延长FMs的寿命。

例如，中国科学院等离子体物理研究所的彭姣在射频等离子体产生装置中进行了清洗试验，射频为13.56 MHz，磁场为200 - 400高斯[]。在清洗过程中产生了稳定的氩辉光等离子体，其密度为（3- 6）x1015 m-3，电子温度小于10 eV，镜面尺寸直径为25mm，厚度为2mm，在氩气压力为0.16 Pa，自偏置为负200 V的条件下进行2小时的镀膜过程。

为了了解反射率的演变，表面形态用扫描电子显微镜（SEM）对清洗后的镜面进行了研究。典型的SS316L金属的图形组织，包括退火孪晶和不规则组织可见多角形晶粒。当碳膜完全从镜子上移除时底物，孪晶和晶粒的边界SS基板因此受到优先溅射的影响更高的溅射产量。因此，典型的SS316L镜面的微结构出现。也可以是可以清楚地看到，镜面变得粗糙而具有连续的清洗周期。在第二次和第三清洗，大部分由于边界的延续，尖锐的边界变得倾斜在去除复涂层后的溅射。此外，许多坑的开是显而易见的。这些坑是SS微观结构的第二相由于吉布斯能较高，溅射更容易。

6未来与展望

等离子清洗技术在国内发展仍然存在局限性，例如，与国外的设备相比，国内设备存在不精确，不稳定的情况。射频电源的制备，和真空系统设备的研发与制作仍然是我国技术制备的难点。但是，基于等离子体清洗的诸多优点，效率高，安全等，因此等离子体清洗技术仍然会逐步取代传统清洗，还是存在巨大潛力。

等离子体清洗技术在诸多领域的适用性和目前的广泛应用决定了其发展前景一片光明，随着等离子体清洗设备的研发和更新，清洗技术愈发成熟，清洗成本降低，等离子体清洗技术会越来越普及。

参考文献：

[1]Yi-Fei Zhang · Hong-Xin Luo · Zhi Guo，Claning of carbon-contaminated optics using O2/Ar plasma.NUCL SCI TECH（2017）28：127

[2]龙乐 . 等离子体清洗及其在电子封装中的应用 [J]. 电子与封装，2008，8（4）：12-15.

LONG Le. Plasma cleaning and its application in electronics packaging[J]. Electronics &Packaging，2008，8（4）：12-15.

[3]李俊岭，余慧 . 等离子体在清洗中的应用浅谈 [C].2003 中国电子制造技术论坛暨 SMT、SMD 技术研讨会，深圳，2003.

LI Junling，YU Hui. The applications for plasma cleaning[C]. 2003 China Electronics Manufacturing Technology Forum & SMT，SMD Technology Seminar，Shenzhen，2003.

[4]杨赛丹，吴瑞珉，吕常青，等 . 常压等离子体技术应用于钢材清洗的现状及思考 [J]. 世界钢铁，2010，10（4）：59-61.

[5]沙春鹏，卢少微，赵雪莹，贾彩霞.等离子体清洗技术在航空制造业中的应用及前景分析[J]能源研究管理，2014（04）：77-80.

[6]许艳青，陈红，杨峰.低温等离子体处理对竹丝装饰材表面性能的影响[J].家具，2019，40（04）：21-27.

[7]Mukhin E et al 2009 Nucl. Fusion 49 085032.

[8]Litnovsky A et al 2011 Fusion Eng. Des. 86 1780.

[9]Moser L et al 2015 J. Nucl. Mater. 463 940.

（作者单位：成都大学机械工程学院）