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等离子清洗原理
 

什么是等离子体?
 

等离子体,是指物质处于除固态、液态、气态之外的第四聚集态,即已经电离的“气体”,实际上该物质是处于一种高度激发的状态。等离子体中含有电子、离子、原子、分子和自由基等。分子或原子内部均由原子核和电子构成,电子数量和原子核内部的质子数量相等,电子位于原子核外的电场之中,围绕原子核以不同的轨道旋转,整个体系处于较稳定的状态,在宏观看来物质便处于气态、液态、固态中的一种或几种。在特定条件下,如光、磁、电、热等能提供足够外部能量的条件下,分子或原子外层电子的势能明显降低,电子受到的束缚降低而脱离原有的轨道,逃逸到自由空间,即到达所谓的电离状态,此时,原粒子变为带正电荷的离子和带负电荷的电子。若组成物质的全部原子或分子均被电离成正离子和负离子,则该物质即处于等离子体态。
自然界中和宇宙中等离子体是广泛存在的。在自然界中,火焰、极光、闪电的出现都伴随着等离子体的产生。在宇宙中,构成全部质量99.9%的恒星即由高温等离子体组成。在地球的大气层顶部,有一充满等离子体的电离层。在等离子体之间的相互作用下,地面发射的无线电波在电离层能发生反射和折射,从而确保无线电波能远距离传送。
什么是等离子体

等离子清洗原理


由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易与固体表面发生反应。等离子体清洗主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看,等离子体清洗通常包括以下过程:无机气体被激发为等离子态;气相物质被吸附在固体表面;被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子;产物分子解析形成气相;反应残余物脱离表面。
 
反应类型分类

等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应(离子轰击)和化学反应。
物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面,使污染物脱离表面;化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质。
以物理反应为主的等离子体清洗,其优点在于本身不发生化学反应,清洁表面不会留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化学纯净性;缺点就是对表面产生了很大的损害,会产生很大的热效应,对被清洗表面的各种不同物质选择性差,腐蚀速度较低。

表面反应以物理反应为主的等离子体清洗。
例:Ar+e-→Ar++2e-
Ar++沾污→挥发性沾污
Ar+在自偏压或外加偏压作用下被加速产生动能,然后轰击放在负电极上的被清洗工件表面,一般用于去除氧化物、环氧树脂溢出或是微颗粒污染物,同时进行表面能活化。
以化学反应为主的等离子体清洗的优点是清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效,缺点是会在表面产生氧化物。和物理反应相比较,化学反应的缺点不易克服。
表面反应以化学反应为主的等离子体清洗。
例1:O2+e-→2O※+e-
O※+有机物→CO2+H2O
从反应式可见,氧等离子体通过化学反应可使非挥发性有机物变成易挥发的H2O和CO2。
例2:H2+e-→2H※+e-
H※+非挥发性金属氧化物→金属+H2O
从反应式可见,氢等离子体通过化学反应可以去除金属表面氧化层,清洁金属表面。
等离子清洗原理
 
并且两种反应机制对表面微观形貌造成的影响有显著不同,物理反应能够使表面在分子级范围内变得更加“粗糙”,从而改变表面的粘接特性。

还有一种等离子体清洗是表面反应机制中物理反应和化学反应都起重要作用,即反应离子腐蚀或反应离子束腐蚀,两种清洗可以互相促进,离子轰击使被清洗表面产生损伤削弱其化学键或者形成原子态,容易吸收反应剂,离子碰撞使被清洗物加热,使之更容易产生反应;其效果是既有较好的选择性、清洗率、均匀性,又有较好的方向性。

 

常压等离子清洗机结构简图

 

等离子清洗原理示意图

由于在等离子体喷枪的喷口处包含有大量的电子、离子、自由基和压稳态的分子和原子,当该等离子体束流成分与被清洗的物质接触时,会发生干化学反应,从而清洗掉污染物。以下方程是活性氧原子的产生过程:

e+Ar—→Ar*+e
Ar*+O2—→Ar+O2*
O2*+e—→O+O*+e

活性氧原子(O*)是通过电荷之间的转换和再结合产生的。图2是氢等离子体和氧等离子体分别清洗氧化物和有机物的干化学过程。氢等离子体与氧化物作用,把氧化物分解成水;氧等离子体与有机物作用,把有机物分解为二氧化碳。两个清洗过程所生成产物是水和二氧化碳,无任何液体废物排放,不存在二次污染。