等離子清洗機清洗原理分析

1、什么是等離子清洗機

等離子清洗機采用氣體作為清洗介質(zhì)，有效地避免了因液體清洗介質(zhì)對被清洗物帶來的二次污染。等離子清洗機外接一臺真空泵，工作時清洗腔中的等離子體輕柔沖刷被清洗物的表面，短時間的清洗就可以使有機污染物被徹底地清洗掉，同時污染物被真空泵抽走，其清洗程度達到分子級。等離子清洗器除了具有超清洗功能外，在特定條件下還可根據(jù)需要改變某些材料表面的性能，等離子體作用于材料表面，使表面分子的化學(xué)鍵發(fā)生重組，形成新的表面特性。對某些有特殊用途的材料，在超清洗過程中等離子清洗器的輝光放電不但加強了這些材料的粘附性、相容性和浸潤性，并可消毒和殺菌。等離子清洗器廣泛應(yīng)用于光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、高分子科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微觀流體學(xué)等領(lǐng)域。

等離子清洗機的應(yīng)用，起源于20世紀初，隨著高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣，目前已在眾多高科技領(lǐng)域中，居于關(guān)鍵技術(shù)的地位，等離子清洗技術(shù)對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和人類文明影響最大，首推電子資訊工業(yè)，尤其是半導(dǎo)體業(yè)與光電工業(yè)。

等離子清洗機已應(yīng)用于各種電子元件的制造，可以確信，沒有等離子清洗機及其清洗技術(shù)，就沒有今日這么發(fā)達的電子、資訊和通訊產(chǎn)業(yè)。此外，等離子清洗機及其清洗技術(shù)也應(yīng)用在光學(xué)工業(yè)、機械與航天工業(yè)、高分子工業(yè)、污染防治工業(yè)和量測工業(yè)上，而且是產(chǎn)品提升的關(guān)鍵技術(shù)，比如說光學(xué)元件的鍍膜、延長模具或加工工具壽命的抗磨耗層，復(fù)合材料的中間層、織布或隱性鏡片的表面處理、微感測器的制造，超微機械的加工技術(shù)、人工關(guān)節(jié)、骨骼或心臟瓣膜的抗摩耗層等皆需等離子技術(shù)的進步，才能開發(fā)完成。

等離子技術(shù)是一新興的領(lǐng)域，該領(lǐng)域結(jié)合等離子物理、等離子化學(xué)和氣固相界面的化學(xué)反應(yīng)，此為典型的高科技產(chǎn)業(yè)，需跨多種領(lǐng)域，包括化工、材料和電機，因此將極具挑戰(zhàn)性，也充滿機會，由于半導(dǎo)體和光電材料在未來得快速成長，此方面應(yīng)用需求將越來越大。

2、等離子清洗機的技術(shù)原理

 什么是等離子體

等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，通常物質(zhì)以固態(tài)、業(yè)態(tài)、氣態(tài)3種狀態(tài)存在，但在一些特殊的情況下可以以第四中狀態(tài)存在，如太陽表面的物質(zhì)和地球大氣中電離層中的物質(zhì)。這類物質(zhì)所處的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài)，又稱位物質(zhì)的第四態(tài)。

等離子體中存在下列物質(zhì)。處于高速運動狀態(tài)的電子；處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團（自由基）；離子化的原子、分子；分子解離反應(yīng)過程中生成的紫外線；未反應(yīng)的分子、原子等，但物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)。

 等離子體的種類

（1）低溫和高溫可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類，在等離子體中，不同微粒的溫度實際上是不同的，所具有的溫度是與微粒的動能即運動速度質(zhì)量有關(guān)，把等離子體中存在的離子的溫度用Ti表示，電子的溫度用Te表示，而原子、分子或原子團等中性粒子的溫度用Tn表示，對于Te大大高于Ti和Tn的場合，即低壓體氣的場合，此時氣體的壓力只有幾百個帕斯卡，當(dāng)采用直流電壓或高頻電壓做電場時，由于電子本身的質(zhì)量很小，在電池中容易得到加快，從而可獲得平均可達數(shù)電子伏特的高能量，對于電子，此能量的對應(yīng)溫度為幾萬度（K），而弟子由于質(zhì)量較大，很難被電場加速，因此溫度僅幾千度。由于氣體粒子溫度較低（具有低溫特性），因此把這種等離子體稱為低溫等離子體。當(dāng)氣體處于高壓狀態(tài)并從外界獲得大量能量時，粒子之間的相互碰撞頻率大大增加，各種微粒的溫度基本相同，即Te基本與Ti及Tn相同，我們把這種條件下得到的等離子體稱為高溫等離子體，太陽就是自己界中的高溫等離子體。由于高溫等離子體對物體表面的作用過于強強烈，因此在實際應(yīng)用中很少使用，目前投入使用的只有低溫等離子體。

（2）活潑氣體和不活潑氣體等離子體，根據(jù)產(chǎn)生等離子體時應(yīng)用的氣體的化學(xué)性質(zhì)不同，可分為不活潑氣體等離子體和活潑氣體等離子體兩類，不活潑氣體如氬氣（Ar）、氮氣（N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活潑氣體如氧氣（O2）、氫氣（H2）等，不同類型的氣體在清洗過程中的反應(yīng)機理是不同的，活潑氣體的等離子體具有更強的化學(xué)反應(yīng)活性，這將在后面結(jié)合具體應(yīng)用實例介紹。

等離子體與物體表面的作用

在等離子體中除了氣體分子、離子和電子外，還存在受到能量激勵狀態(tài)的電中性的原子或原子團（又成自由基），以及等離子體發(fā)射出的光線，其中波的長短、能量的高低在等離子體與物質(zhì)表面相互作用時有著重要作用。

原子團等自由基與物體表面的反應(yīng)

由于這些自由基呈電重型，存在壽命較長，而且在離子體中的數(shù)量多于離子，因此自由基在等離子體中發(fā)揮著重要作用，自由基的作用主要表現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)過程中能量傳遞的"活化"作用，處于激發(fā)狀態(tài)的自由基具有較高的能量，因此易于與物體表面分子結(jié)合時會形成新的自由基，新形成的自由基同樣處于不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)，很可能發(fā)生分解反應(yīng)，在變成較小分子同時生成新的自由基，這種反應(yīng)過程還可能繼續(xù)進行下去，最后分解成水、二氧化碳之類的簡單分子。在另一些情況下，自由基與物體表面分子結(jié)合的同時，會釋放出大量的結(jié)合能，這種能量又成為引發(fā)新的表面反應(yīng)推動力，從而引發(fā)物體表面上的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被去除。

電子與物體表面的作用

一方面電子對物體表面的撞擊作用，可促使吸附在物體表面的氣體分子發(fā)生分解和解吸，另一方面大量的電子撞擊有利引起化學(xué)反應(yīng)。由于電子質(zhì)量極小，因此比離子的移動速度要快的多，當(dāng)進行等離子體處理時，電子要比離子更早達到物體表面，并使表面帶有負電荷，這有利于引發(fā)進一步反應(yīng)。

離子與物體表面的作用

通常指的是帶正電荷的陽離子的作用，陽離子有加速沖向帶負電荷表面的傾向，此時使物體表面獲得相當(dāng)大的動能，足以撞擊去除表面上附著的顆粒性物質(zhì)，我們在這種現(xiàn)象稱為濺射現(xiàn)象，而通過離子的沖擊作用可極大促進物體表面化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的幾率。

 紫外性與物體表面的反應(yīng)

紫外性具有很強的光能，可使附著在物體表面物質(zhì)的分子鍵發(fā)生斷裂而分解，而且紫外線具有很強的穿透能力，可透過物體的表面深入達數(shù)微米而產(chǎn)生作用。

綜上所述，可知等離子清洗是利用等離子體內(nèi)的各種具有高能量的物質(zhì)和活化作用，將附著在物體表面的污垢徹底剝離去除。

3 、等離子清洗機/等離子清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理研究

 等離子清洗機/等離子清洗設(shè)備的基本構(gòu)造

根據(jù)用途的不同，可選用多種構(gòu)造的等離子清洗設(shè)備，并可通過選用不同種類的氣體，調(diào)整裝置的特征參數(shù)等方法使工藝流程實現(xiàn)最佳化，但等離子體清洗裝置的基本結(jié)構(gòu)大致是相同的，一般裝置可由真空室、真空泵、高頻電源、電極、氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。通常使用的真空泵是旋轉(zhuǎn)油泵，高頻電源通常用13.56M赫茲的無線電波，設(shè)備的運行過程如下：

（1）被清洗的工件送入真空室并加以固定，啟動運行裝置，開始排氣，使真空室內(nèi)的真空程度達到10Pa左右的標(biāo)準(zhǔn)真空度。一般排氣時間大約需要2min。

（2）向真空室引入等離子清洗用的氣體，并使其壓力保持在100Pa。

根據(jù)清洗材質(zhì)的不同，可分別選用氧氣、氫氣、氬氣或氮氣等氣體。

（3）在真空室內(nèi)的電極與接地裝置之間施加高頻電壓，使氣體被擊穿，并通過輝光放電而發(fā)生離子化和產(chǎn)生等離子體。讓在真空室產(chǎn)生的等離子體完全籠罩在被處理工件，開始清洗作業(yè)。一般清洗處理持續(xù)幾十秒到幾分鐘。

（4）清洗完畢后切斷高頻電壓，并將氣體及汽化的污垢排出，同時向真空室內(nèi)鼓入空氣，并使氣壓升至一個大氣壓。

等離子清洗的特點和優(yōu)勢

與濕法清洗相比，等離子清洗的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下8個方面：

（1）在經(jīng)過等離子清洗以后，被清洗物體已經(jīng)很干燥，不必再經(jīng)干燥處理即可送往下道工序。

（2）不使用三氯乙甲ODS有害溶劑，清洗后也不會產(chǎn)生有害污染物，屬于有利于環(huán)保的綠色清洗方法。

（3）用無線電波范圍的高頻產(chǎn)生的等離子體與激光等直射光線不同，它的方向性不強，因此它可以深入物體的微細孔眼和凹陷的內(nèi)部并完成清洗任務(wù)，所以不必過多考慮被清洗物體形狀的影響，而且對這些難清洗部位的清洗效果與用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。

（4）整個清洗工藝流程在幾分鐘即可完成，因此具有效率高的特點。

（5）等離子清洗需要控制的真空度約為100Pa，這種真空度在工廠實際生產(chǎn)中很容易實現(xiàn)。這種裝置的設(shè)備成本不高，加上清洗過程不需要使用價格昂貴的有機溶劑，因此它的運行成本要低于傳統(tǒng)的清洗工藝。

（6）由于不需要對清洗液進行運輸、貯存、排放等處理措施，所以生產(chǎn)場地很容易保持清潔衛(wèi)生。

（7）等離子清洗的最大技術(shù)特點是：它不分處理對象，可處理不同的基材，無論是金屬、半導(dǎo)體、氧化物還是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、據(jù)四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹脂等高聚物）都可用等離子體很好地處理，因此，特別適合不耐熱和不耐溶劑的基底材料。而且還可以有選擇地對材料的整體、局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行部分清洗。

（8）在完成清晰去污的同時，還能改變材料本身的表面性能，如提高表面的潤濕性能，改善膜的附著力等，這在許多應(yīng)用中都是非常重要的。

 等離子清洗機清洗原理分析

等離子體與材料表面可產(chǎn)生的反應(yīng)主要有兩種，一種是靠自由基來做化學(xué)反應(yīng)，另一種則是靠等離子作物理反應(yīng)，以下將作更詳細的說明。

（1）化學(xué)反應(yīng)（Chemical reaction）

在化學(xué)反應(yīng)里常用的氣體有氫氣（H2）、氧氣（O2）、甲烷（CF4）等，這些氣體在電漿內(nèi)反應(yīng)成高活性的自由基，這些自由基會進一步與材料表面作反應(yīng)。

其反應(yīng)機理主要是利用等離子體里的自由基來與材料表面做化學(xué)反應(yīng)，在壓力較高時，對自由基的產(chǎn)生較有利，所以若要以化學(xué)反應(yīng)為主時，就必須控制較高的壓力來近進行反應(yīng)。

（2）物理反應(yīng)（Physical reaction）

主要是利用等離子體里的離子作純物理的撞擊，把材料表面的原子或附著材料表面的原子打掉，由于離子在壓力較低時的平均自由基較輕長，有得能量的累積，因而在物理撞擊時，離子的能量越高，越是有的作撞擊，所以若要以物理反應(yīng)為主時，就必須控制較的壓力下來進行反應(yīng)，這樣清洗效果較好。