Plasma cleaning

Введение

Плазменная очистка - это удаление примесей и загрязняющих веществ с поверхностей с помощью энергетической плазмы или плазмы с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD), созданной из газообразных видов. Используются такие газы, как аргон и кислород, а также смеси, такие как воздух и водород/азот. Плазма создается с использованием высокочастотных напряжений (обычно от kHz до >MHz) для ионизации газа низкого давления (обычно около 1/1000 атмосферного давления), хотя плазмы атмосферного давления теперь также распространены.

Методы

В плазме атомы газа возбуждаются до более высоких энергетических состояний и также ионизируются. Когда атомы и молекулы "расслабляются" до нормального, более низкого энергетического состояния, они выделяют фотоны света, что приводит к характерному "свечению" или свету, связанному с плазмой. Разные газы дают разные цвета. Например, кислородная плазма излучает светло-синий цвет. Активированные виды плазмы включают атомы, молекулы, ионы, электроны, свободные радикалы, метастабильные и фотоны в коротковолновом ультрафиолетовом диапазоне (вакуумный УФ или VUV для краткости). Затем эта смесь взаимодействует с любой поверхностью, помещенной в плазму. Если используемым газом является кислород, плазма является эффективным, экономичным и экологически безопасным методом критической очистки. Энергия VUV очень эффективна в разрушении большинства органических связей (т.е. CH, CC, C=C, CO и CN) поверхностных загрязнителей. Это помогает расщеплять высокомолекулярные загрязнители. Второе очистное действие осуществляется кислородными видами, созданными в плазме (O2+, O2−, O3, O, O+, O−, ионизированным озоном, метастабильным возбужденным кислородом и свободными электронами). Эти виды вступают в реакцию с органическими загрязнителями, образуя H2O, CO, CO2 и углеводороды с меньшей молекулярной массой. Эти соединения имеют относительно высокое давление паров и выводятся из камеры во время обработки. Полученная поверхность ультрачистая. На фиг. 2, относительная концентрация углерода на глубине материала показана до и после очистки возбужденным кислородом [1]. Если деталь состоит из легко окисляющихся материалов, таких как серебро или медь, для обработки используются инертные газы, такие как аргон или гелий. Атомы и ионы, активированные плазмой, ведут себя как молекулярный песчаный взрыв и могут разрушать органические загрязнители. Эти загрязнители испаряются во время обработки и выводятся из камеры. Большинство этих побочных продуктов - это небольшое количество газов, таких как углекислый газ и водяной пар с следовым количеством окиси углерода и других углеводородов. Можно оценить, является ли органическое удаление полным или нет, измеряя угол соприкосновения. При наличии органического загрязнителя угол соприкосновения воды с устройством высок. Удаление загрязняющего вещества уменьшает угол контакта до характеристики контакта с чистой подложкой. Кроме того, XPS и AFM часто используются для проверки применений для очистки и стерилизации поверхностей. Если обработанная поверхность покрыта узорным проводящим слоем (металл, ITO), обработка путем прямого контакта с плазмой (способной сокращаться до микроарков) может быть разрушительной. В этом случае может применяться очистка нейтральными атомами, возбужденными в плазме до метастабильного состояния. Результаты тех же самых применений на поверхностях образцов стекла, покрытых слоями Cr и ITO, показаны на фиг. Третье. После обработки угол контакта капли воды уменьшается до значения, меньшего, чем его значение на неочищенной поверхности. На фиг. В таблице 4 показана кривая релаксации для отпечатка капель для образца стекла. На фиг. 1 показана фотография той же капли на неочищенной поверхности. 4 вставка. Время релаксации поверхности, соответствующее данным, показанным на фиг. 4 - это около 4 часов. Плазменное обессиление - это процесс, при котором плазменная очистка используется исключительно для удаления углерода. Плазменное обессиление всегда производится с помощью кислорода.

In plasma, gas atoms are excited to higher energy states and also ionized. As the atoms and molecules 'relax' to their normal, lower energy states they release a photon of light, this results in the characteristic “glow” or light associated with plasma. Different gases give different colors. For example, oxygen plasma emits a light blue color. A plasma’s activated species include atoms, molecules, ions, electrons, free radicals, metastables, and photons in the short wave ultraviolet (vacuum UV, or VUV for short) range. This mixture then interacts with any surface placed in the plasma. If the gas used is oxygen, the plasma is an effective, economical, environmentally safe method for critical cleaning. The VUV energy is very effective in the breaking of most organic bonds (i. e., C–H, C–C, C=C, C–O, and C–N) of surface contaminants. This helps to break apart high molecular weight contaminants. A second cleaning action is carried out by the oxygen species created in the plasma (O2+, O2−, O3, O, O+, O−, ionised ozone, metastable excited oxygen, and free electrons). These species react with organic contaminants to form H2O, CO, CO2, and lower molecular weight hydrocarbons. These compounds have relatively high vapor pressures and are evacuated from the chamber during processing. The resulting surface is ultra clean. In Fig. 2, a relative content of carbon over material depth is shown before and after cleaning with excited oxygen [1]. If the part consists of easily oxidized materials such as silver or copper, the treatment uses inert gases such as argon or helium instead. Plasma activated atoms and ions behave like a molecular sandblast and can break down organic contaminants. These contaminants vaporize during processing and are evacuated from the chamber. Most of these by products are small quantities of gases, such as carbon dioxide and water vapor with trace amounts of carbon monoxide and other hydrocarbons. Whether or not organic removal is complete can be assessed with contact angle measurements. When an organic contaminant is present, the contact angle of water with the device is high. Contaminant removal reduces the contact angle to that characteristic of contact with the pure substrate. In addition, XPS and AFM are often used to validate surface cleaning and sterilization applications. If a surface to be treated is coated with a patterned conductive layer (metal, ITO), treatment by direct contact with plasma (capable for contraction to microarcs) could be destructive. In this case, cleaning by neutral atoms excited in plasma to metastable state can be applied. Results of the same applications to surfaces of glass samples coated with Cr and ITO layers are shown in Fig. 3. After treatment, the contact angle of a water droplet is decreased becoming less than its value on the untreated surface. In Fig. 4, the relaxation curve for droplet footprint is shown for glass sample. A photograph of the same droplet on the untreated surface is shown in Fig. 4 inset. Surface relaxation time corresponding to a data shown in Fig. 4 is about 4 hours. Plasma ashing is a process that uses plasma cleaning solely to remove carbon. Plasma ashing is always done with O2 gas.

Чистка и стерилизация

Плазменная очистка удаляет загрязнение органическими веществами путем химической реакции или физической абляции углеводородов на обработанных поверхностях. Плазменная очистка может использоваться вместо влажных химических процессов, таких как гравировка пираньей, которые содержат опасные химические вещества, повышают опасность загрязнения реагентом и рискуют гравировать обработанные поверхности.