与固体、液体、气体一样,等离子体也是物质的一种聚积状态,被称为物质的第四态,气体放电是产生等离子体最重要和最普遍的方法。等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统,在尺寸大于德拜长度时呈现宏观电中性,等离子体中的粒子主要包括电子、正负离子、原子/分子(基态或激发态)、自由基等。等离子体的正负粒子之间是相互“自由”和“独立”的,粒子运动受到长程的电磁力支配。在相互作用的力程范围内存在大量的粒子,这些粒子之间会发生多体且自洽的相互作用,使得等离子体中粒子运动行为在很大程度上表现为集体的运动,存在“集体运动”是等离子体最重要的特点。

等离子体有多种分类方法,按热力学平衡情况,可以分为完全热平衡等离子体、局部热平衡等离子体和非热平衡等离子体,按系统温度,可以分为高温等离子体和低温等离子体,低温等离子体又可以分为热等离子体和冷等离子体。冷等离子体更适合用于等离子体清洗。按气压高低,等离子体清洗技术可分为低压等离子体清洗和大气压等离子体清洗两类。不同于传统的清洗手段,等离子体清洗在去除材料表面的污垢的同时还可以对材料的表面性能进行改变,甚至实现某些性能的优化。

低压等离子体清洗技术

相较于大气压环境,低气压下放电击穿电压更小,气体更容易发生电离,有利于生成均匀的等离子体。但是,真空系统作为低压等离子体清洗的必备组件,会导致投资成本高,操作复杂等问题,而且真空腔室限制了产品的尺寸,放置和拿取步骤还需要恢复至常压,工序完成时间长,需采用低效率的分批处理,难以实现连续生产。相较于大气压等离子体清洗,低压等离子体清洗更适合洁净度要求严格、数目少、附加值高的一类产品。辉光等离子体清洗、射频等离子体清洗、电子回旋共振(ECR)/微波等离子清洗等都属于常见的低压等离子体清洗形式。

大气压等离子体清洗技术

复杂且昂贵的真空系统,限制了产品规模连续处理工艺的发展,也促进了大气压等离子体清洗的研究和推广。大气压下,相同间距的击穿电压升高,放电后将释放更多能量,通过更频繁的碰撞,生成的活性粒子数量增加,清洗速率将得到有效提升。由于无需囿于真空腔室,大气压等离子体清洗装置具有结构多样、变化灵活、改进方便、小型化等优点,在节约经济成本的同时,还容易适应不同的产品和工作环境,在微电子行业材料表面污物去除、活化、改性等领域得到了成功应用。不过,更多能量注入可能会引发气体温度升高,增加材料表面热烧蚀的风险。大气压等离子体清洗的放电类型主要包括电晕放电、介质阻挡放电和等离子体射流等。