等离子体表面清洗的应用

利用等离子体通过化学或物理作用时对工件（生产过程中的电子元器件及其半成品、零部件、基板、印制电路板）表面进行处理，实现分子水平的污渍、脏污去除（一般厚度在3nm～30nm），提高表面活性的工艺叫做等离子体清洗。等离子体清洗在微电子封装、光学元件制备、复合材料制备等领域有重大应用价值，手机防指纹镀膜研究中的纳米膜层与手机玻璃构成复合材料，等离子体清洗在其中起到处理脏污、增强界面粘结性能的作用，近年来一些新型手机用到的P2i防水纳米涂层也是利用同样的原理。

等离子体清洗利用活性粒子与样品的相互作用实现均匀、可重复的清洗工艺，过程中不会产生污染物，生产成本较低，与物理清洗相比更为高效，与化学清洗相比更为清洁。此外，等离子体清洗还能在玻璃表面增加羟基、羧基等活性基团，提供与后续常压雾化喷涂中所用到的AF药液（Anti-Fingerprint）中的主要成分发生反应的位点。

表面反应以化学反应为主的等离子体清洗，习惯上称等离子清洗，许多气体的等离子态可产生高活性的粒子。典型的等离子体清洗工艺用氧等离子体通过化学反应，能够使非挥发性有机物变成易挥发性的CO2和水汽，去除污染物，使表面清洁。表面反应以物理反应为主的等离子体清洗，也称为溅射腐蚀或离子铣。表面物理溅射是指等离子体中的正离子在电场获得能量去轰击表面，撞击移去表面分子片段和原子，使污染物从表面去除，并能够使表面在分子大小级别改变微观形态，变得粗糙化，从而改善表面的粘结性能。氩气本身是惰性气体，等离子态的氩气并不和表面发生反应，最常用的工艺是氩等离子通过物理溅射使表面清洁。

最初，由于等离子体发生技术局限在真空环境中，因此等离子体表面清洗工艺是在真空室内完成的，其中设备中的真空泵用于抽走副产品，真空腔用于将反应气体变成等离子体，一定程度上达到了无污染的效果，但是真空环境中的等离子体清洗系统所需要的条件苛刻，成本过高，而且后续工艺中也被限制在真空环境下完成，效率太低。因此，现阶段等离子体表面清洗普遍利用大气压介质阻挡放电或大气压辉光放电产生的等离子体进行处理，与之相配套的是超净工作环境和大气环境下进行的后续工艺。

低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至十几电子伏特，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。在适宜的工艺条件下处理材料表面，使材料的表面形态发生了显著变化，引入了多种含氧基团，使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性，有利于粘结、涂覆和印刷。 目前各种薄膜的生产已经普遍采用电晕处理的方法来解决表面亲和性的问题。但由于电晕只能在两个相邻的平行电极间进行，且距离不能过大，所以电晕处理的方法不适合用来处理三维物体的表面极化问题。如果用火焰法来处理，其弱点是所有聚合物都是易燃和熔点低。当有机材料置于高温火焰下时，会因受高温的处理而变形、变色、表面粗糙、燃烧和散发出有毒气体。且处理工艺难以掌握。 三维物体表面的改性处理采用低温等离子体流处理工艺为最佳方案。其原理如图1.1 所示。在电极两端施加交流高频高压，使两电极间的空气产生气体辉光放电而形成等离子区。等离子在气流的吹动下到达被处理物体的表面而实现对3D 表面进行改性的目的。