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與固體、液體、氣體一樣,等離子體也是物質(zhì)的一種聚積狀態(tài),被稱為物質(zhì)的第四態(tài),氣體放電是產(chǎn)生等離子體最重要和最普遍的方法。等離子體是包含足夠多的正負(fù)電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng),在尺寸大于德拜長(zhǎng)度時(shí)呈現(xiàn)宏觀電中性,等離子體中的粒子主要包括電子、正負(fù)離子、原子/分子(基態(tài)或激發(fā)態(tài))、自由基等。等離子體的正負(fù)粒子之間是相互“自由”和“獨(dú)立”的,粒子運(yùn)動(dòng)受到長(zhǎng)程的電磁力支配。在相互作用的力程范圍內(nèi)存在大量的粒子,這些粒子之間會(huì)發(fā)生多體且自洽的相互作用,使得等離子體中粒子運(yùn)動(dòng)行為在很大程度上表現(xiàn)為集體的運(yùn)動(dòng),存在“集體運(yùn)動(dòng)”是等離子體最重要的特點(diǎn)。

等離子體有多種分類方法,按熱力學(xué)平衡情況,可以分為完全熱平衡等離子體、局部熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體,按系統(tǒng)溫度,可以分為高溫等離子體和低溫等離子體,低溫等離子體又可以分為熱等離子體和冷等離子體。冷等離子體更適合用于等離子體清洗。按氣壓高低,等離子體清洗技術(shù)可分為低壓等離子體清洗和大氣壓等離子體清洗兩類。不同于傳統(tǒng)的清洗手段,等離子體清洗在去除材料表面的污垢的同時(shí)還可以對(duì)材料的表面性能進(jìn)行改變,甚至實(shí)現(xiàn)某些性能的優(yōu)化。

低壓等離子體清洗技術(shù)

相較于大氣壓環(huán)境,低氣壓下放電擊穿電壓更小,氣體更容易發(fā)生電離,有利于生成均勻的等離子體。但是,真空系統(tǒng)作為低壓等離子體清洗的必備組件,會(huì)導(dǎo)致投資成本高,操作復(fù)雜等問題,而且真空腔室限制了產(chǎn)品的尺寸,放置和拿取步驟還需要恢復(fù)至常壓,工序完成時(shí)間長(zhǎng),需采用低效率的分批處理,難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。相較于大氣壓等離子體清洗,低壓等離子體清洗更適合潔凈度要求嚴(yán)格、數(shù)目少、附加值高的一類產(chǎn)品。輝光等離子體清洗、射頻等離子體清洗、電子回旋共振(ECR)/微波等離子清洗等都屬于常見的低壓等離子體清洗形式。

大氣壓等離子體清洗技術(shù)

復(fù)雜且昂貴的真空系統(tǒng),限制了產(chǎn)品規(guī)模連續(xù)處理工藝的發(fā)展,也促進(jìn)了大氣壓等離子體清洗的研究和推廣。大氣壓下,相同間距的擊穿電壓升高,放電后將釋放更多能量,通過更頻繁的碰撞,生成的活性粒子數(shù)量增加,清洗速率將得到有效提升。由于無需囿于真空腔室,大氣壓等離子體清洗裝置具有結(jié)構(gòu)多樣、變化靈活、改進(jìn)方便、小型化等優(yōu)點(diǎn),在節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí),還容易適應(yīng)不同的產(chǎn)品和工作環(huán)境,在微電子行業(yè)材料表面污物去除、活化、改性等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。不過,更多能量注入可能會(huì)引發(fā)氣體溫度升高,增加材料表面熱燒蝕的風(fēng)險(xiǎn)。大氣壓等離子體清洗的放電類型主要包括電暈放電、介質(zhì)阻擋放電和等離子體射流等。