真空低压等离子体清洗技术-plasma cleaning

等离子体清洗是微米级甚至纳米级处理，可在不改变材料原有性能的情况下对材料的表面进行改性。等离子体处理过程是绿色节能且清洁环保的，因为等离子体清洗不需要任何有机溶剂和水，只需要少量的清洗所需要的工艺气体，因此不会存在环境污染的问题。等离子体清洗可以在短时间内与污染物反应且较高的选择性能满足绝大多数材料的表面处理要求，同时不会损坏其它的零件。目前工业中主要使用的等离子体清洗技术主要分为两类：真空低压等离子体清洗技术与大气常压等离子体弧放电清洗技术。

真空低压等离子体清洗技术的等离子体产生原理与大气常压等离子体放电清洗的等离子体产生原理是截然不同的。根据等离子体产生的原理，真空低压等离子体清洗技术主要可以分为三类，分别是容性耦合（CCP），感性耦合（ICP）以及螺旋波等离子体（HWP）等，其中CCP与ICP的放电结构分别如下图所示。

图1.1(a)容性耦合等离子体源，(b)感性耦合等离子体源

容性耦合等离子体源如图1.1(a)所示，放电装置相当于一个平板电容器，通电后，两极板之间会产生电场，等离子体也就在两极板之间产生。其中一个电极与射频电源的匹配网络相连，另一个极板接地。构成电容的两个极板主要作用是存储电荷，当处于射频交流电的正半周时，相当于电源再给电容充电，当处于负半周时，此时的电容本身相当于一个电源起到放电作用，如此循环连续不断的充电和放电过程，相当于电容中一直有电流流过。在电极尺寸规格相同的CCP中，等离子体中的电子从接地电极直接流到输出电极，流到侧壁的电流非常小，因此，等离子体鞘层厚度和鞘层电压降是对称的，且流经鞘层的电流密度是相同的，不会在任何的电极上形成偏压。对于电极尺寸规格不同的CCP放电，通常情况下作为输出电极的极板面积要比作为接地电极的极板面积小，为维持总电流守恒，流经输出电极的电流密度更大，这样在输出电极表面的电荷密度就会高于接地电极，并且形成负的直流偏压，即输出电极的平均鞘层的电压降比接地电极的鞘层电压降大。这种直流自偏压有助于增强离子的能量，从而调节清洗工艺。

感性耦合等离子体源如图1.1(b)所示，ICP主体是一根连接射频匹配网络的圆柱形天线，通常使用石英管等介质来将射频天线与等离子体隔离。圆柱形天线其结构小，使用起来相对灵活，对腔室形状没有特殊要求，只需在真空窗口加一根石英管就可以实现ICP的放电。ICP放电模式分为E模式与H模式，通常在功率逐渐升高的过程中会分别经历E模式与H模式，随着模式的转变，等离子体密度也逐渐升高，ICP放电解决了CCP放电下离子通量与离子能量不能独立变化的问题，ICP在材料表面处理工艺中应用更加广泛。螺旋波放电等离子体源的天线是螺旋式天线，与ICP天线类似，结构小，使用起来相对灵活，但是需要外加磁场来诱导放电模式转变为螺旋波模式。螺旋波放电随着功率的提升会依次经历E模式、H模式与W模式（螺旋波模式），在W模式下等离子体密度相对于H模式会有数量级的提升，因此螺旋波等离子体清洗方式相比于ICP清洗更高效。此外，螺旋波等离子体中电子的运动速度要比离子快得多，这有利于电子提前到达材料表面，使其显负电性，为接下来的活化反应提供良好的环境。