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與固體、液體、氣體一樣,等離子體也是物質的一種聚積狀態(tài),被稱為物質的第四態(tài),氣體放電是產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),在尺寸大于德拜長度時呈現(xiàn)宏觀電中性,等離子體中的粒子主要包括電子、正負離子、原子/分子(基態(tài)或激發(fā)態(tài))、自由基等。等離子體的正負粒子之間是相互“自由”和“獨立”的,粒子運動受到長程的電磁力支配。在相互作用的力程范圍內存在大量的粒子,這些粒子之間會發(fā)生多體且自洽的相互作用,使得等離子體中粒子運動行為在很大程度上表現(xiàn)為集體的運動,存在“集體運動”是等離子體最重要的特點。

等離子體有多種分類方法,按熱力學平衡情況,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還可以對材料的表面性能進行改變,甚至實現(xiàn)某些性能的優(yōu)化。

低壓等離子體清洗技術

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,會導致投資成本高,操作復雜等問題,而且真空腔室限制了產品的尺寸,放置和拿取步驟還需要恢復至常壓,工序完成時間長,需采用低效率的分批處理,難以實現(xiàn)連續(xù)生產。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格、數(shù)目少、附加值高的一類產品。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

復雜且昂貴的真空系統(tǒng),限制了產品規(guī)模連續(xù)處理工藝的發(fā)展,也促進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構多樣、變化靈活、改進方便、小型化等優(yōu)點,在節(jié)約經濟成本的同時,還容易適應不同的產品和工作環(huán)境,在微電子行業(yè)材料表面污物去除、活化、改性等領域得到了成功應用。不過,更多能量注入可能會引發(fā)氣體溫度升高,增加材料表面熱燒蝕的風險。大氣壓等離子體清洗的放電類型主要包括電暈放電、介質阻擋放電和等離子體射流等。