等离子机的工作原理

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1、1、何谓等离子清洗机等离子清洗机采用气体作为清洗介质，有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二 次污染。等离子清洗机外接一台真空泵，工作时清洗腔中的等离子体轻柔冲刷被清洗物的表 面，短时间的清洗就可以使有机污染物被彻底地清洗掉，同时污染物被真空泵抽走，其清洗 程度达到分子级。等离子清洗器除了具有超清洗功能外，在特定条件下还可根据需要改变某 些材料表面的性能，等离子体作用于材料表面，使表面分子的化学键发生重组，形成新的表 面特性。对某些有特殊用途的材料，在超清洗过程中等离子清洗器的辉光放电不但加强了这 些材料的粘附性、相容性和浸润性，并可消毒和杀菌。等离子清洗器广泛应用于光学、光电 子学、电

2、子学、材料科学、生命科学、高分子科学、生物医学、微观流体学等领域。等离子清洗机的应用，起源于20 世纪初，随着高科技产业的快速发展，其应用越来越 广，目前已在众多高科技领域中，居于关键技术的地位，等离子清洗技术对产业经济和人类 文明影响最大，首推电子资讯工业，尤其是半导体业与光电工业。等离子清洗机已应用于各种电子元件的制造，可以确信，没有等离子清洗机及其清洗技 术，就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外，等离子清洗机及其清洗技术也应 用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上，而且是产品提 升的关键技术，比如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层，复

3、合材料的 中间层、织布或隐性镜片的表面处理、微感测器的制造，超微机械的加工技术、人工关节、 骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步，才能开发完成。等离子技术是一新兴的领域，该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学 反应，此为典型的高科技产业，需跨多种领域，包括化工、材料和电机，因此将极具挑战性， 也充满机会，由于半导体和光电材料在未来得快速成长，此方面应用需求将越来越大。2 、等离子清洗机的技术原理2.1 什么是等离子体等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、业态、气态3 种状态存在，但在一 些特殊的情况下可以以第四中状态存在，如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质

4、。 这类物质所处的状态称为等离子体状态，又称位物质的第四态。等离子体中存在下列物质。处于高速运动状态的电子；处于激活状态的中性原子、分子、 原子团（自由基）；离子化的原子、分子；分子解离反应过程中生成的紫外线；未反应的分 子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。2.2 如何用人工方法制得等离子体除了在自己已存在的等离子体以外，用人工方法在一定范围内也可以制得等离子体。最早是在1927 年，当水银蒸气在高压电场中的放电时由科研人员发现等离子体。后面的发现 是通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都可以使处于低气压 状态的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处于低气

5、压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的 情况下，可以分解出加速运动的原子和分子，这样产生的电子和解离成点有正、负电荷的原 子和分子。这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量，并与周围的分子或原子发生碰撞， 结果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处于激发状态或离子状态，这时物质存在的状 态即为等离子体状态。在一般资料中常可以见到用下述反应式表述的等离子体形成过程。如氧气等离子体形成过程即可用下列6个反应式来表示：第一个反应式表示氧气分子在得到外界能量后变成氧气阳离子，并放出自由电子过程， 第二个反应式表示氧气分子在得到外界能量后分解形成两个氧原子自由基的过程。第三个反 应式表示

6、氧气分子在具有高能量的激发态自由电子作为下转变成激发态。第四第五反应式则 表示激发态的氧气分子进一步发生转变，在第四个反应式中，氧气饿饭脑子回到通常状态的 同时发出光能（紫外线）。在第五个反应式中，激发态的氧气分子分解成两个氧原子自由基。 第六个反应式表示氧气分子在激发态自由电子的作用下，分解成氧原子自由基和氧原子阳离 子的过程，当这些反应连续不断发生，就形成氧气等离子体，其他气体的等离子体的形成过 程也可用相似的反应式描述。当然实际反应要比这些反应式描述的更为复杂。2.3 等离子体的种类（1）低温和高温可分为高温等离子体和低温等离子体两类，在等离子体中，不同微粒 的温度实际上是不同的，所具有

7、的温度是与微粒的动能即运动速度质量有关，把等离子体中 存在的离子的温度用 Ti 表示，电子的温度用 Te 表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的 温度用 Tn 表示，对于 Te 大大高于 Ti 和 Tn 的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只 有几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质量很小，在电池 中容易得到加快，从而可获得平均可达数电子伏特的高能量，对于电子，此能量的对应温度 为几万度（K），而弟子由于质量较大，很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒 子温度较低（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状 态并从外界获得大量能量时

8、，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的温度基本相同， 即 Te 基本与 Ti 及 Tn 相同，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就 是自己界中的高温等离子体。由于高温等离子体对物体表面的作用过于强强烈，因此在实际 应用中很少使用，目前投入使用的只有低温等离子体，因为在本文中将低温等离子体简称为 等离子体，希望不会引起读者误解。（ 2）活泼气体和不活泼气体等离子体，根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不 同，可分为不活泼气体等离子体和活泼气体等离子体两类，不活泼气体如氩气Ar）、氮气 （N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（02）、氢气（H2）

9、等，不 同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应 活性，这将在后面结合具体应用实例介绍。2.4 等离子体与物体表面的作用在等离子体中除了气体分子、离子和电子外，还存在受到能量激励状态的电中性的原子 或原子团（又成自由基），以及等离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离 子体与物质表面相互作用时有着重要作用。2.4.1 原子团等自由基与物体表面的反应由于这些自由基呈电重型，存在寿命较长，而且在离子体中的数量多于离子，因此自由 基在等离子体中发挥着重要作用，自由基的作用主要表现在化学反应过程中能量传递的活 化作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量

10、，因此易于与物体表面分子结合时会形成 新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态，很可能发生分解反应，在变成 较小分子同时生成新的自由基，这种反应过程还可能继续进行下去，最后分解成水、二氧化 碳之类的简单分子。在另一些情况下，自由基与物体表面分子结合的同时，会释放出大量的 结合能，这种能量又成为引发新的表面反应推动力，从而引发物体表面上的物质发生化学反 应而被去除。2.4.2 电子与物体表面的作用 一方面电子对物体表面的撞击作用，可促使吸附在物体表面的气体分子发生分解和解吸， 另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。由于电子质量极小，因此比离子的移动速度要 快的多，当进行等离子体处理

11、时，电子要比离子更早达到物体表面，并使表面带有负电荷， 这有利于引发进一步反应。2.4.3 离子与物体表面的作用通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速冲向带负电荷表面的倾向，此时使 物体表面获得相当大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们在这种现象称为 溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生的几率。2.4.4 紫外性与物体表面的反应紫外性具有很强的光能，可使附着在物体表面物质的分子键发生断裂而分解，而且紫外 线具有很强的穿透能力，可透过物体的表面深入达数微米而产生作用。综上所述，可知等离子清洗是利用等离子体内的各种具有高能量的物质和活化作用，将 附着在物

12、体表面的污垢彻底剥离去除。3 离子清洗机/等离子清洗设备的结构及工作原理研究3.1 离子清洗机/等离子清洗设备的基本构造根据用途的不同，可选用多种构造的等离子清洗设备，并可通过选用不同种类的气体， 调整装置的特征参数等方法使工艺流程实现最佳化，但等离子体清洗装置的基本结构大致是 相同的，一般装置可由真空室、真空泵、高频电源、电极、气体导入系统、工件传送系统和 控制系统等部分组成。通常使用的真空泵是旋转油泵，高频电源通常用13.56M赫兹的无线 电波，设备的运行过程如下：（1）被清洗的工件送入真空室并加以固定，启动运行装置，开始排气，使真空室内的真空程度达到lOPa左右的标准真空度。一般排气时间

13、大约需要2min。（2）向真空室引入等离子清洗用的气体，并使其压力保持在lOOPa。根据清洗材质的不同，可分别选用氧气、氢气、氩气或氮气等气体。（3）在真空室内的电极与接地装置之间施加高频电压，使气体被击穿，并通过辉光放 电而发生离子化和产生等离子体。让在真空室产生的等离子体完全笼罩在被处理工件，开始 清洗作业。一般清洗处理持续几十秒到几分钟。（4）清洗完毕后切断高频电压，并将气体及汽化的污垢排出，同时向真空室内鼓入空 气，并使气压升至一个大气压。3.2 等离子清洗的特点和优势与湿法清洗相比，等离子清洗的优势表现在以下8 个方面：（1）在经过等离子清洗以后，被清洗物体已经很干燥，不必再经干燥处

14、理即可送往下 道工序。（2）不使用三氯乙甲ODS有害溶剂，清洗后也不会产生有害污染物，属于有利于环保 的绿色清洗方法。（3）用无线电波范围的高频产生的等离子体与激光等直射光线不同，它的方向性不强， 因此它可以深入物体的微细孔眼和凹陷的内部并完成清洗任务，所以不必过多考虑被清洗物 体形状的影响，而且对这些难清洗部位的清洗效果与用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。（4）整个清洗工艺流程在几分钟即可完成，因此具有效率高的特点。（5）等离子清洗需要控制的真空度约为lOOPa，这种真空度在工厂实际生产中很容易 实现。这种装置的设备成本不高，加上清洗过程不需要使用价格昂贵的有机溶剂，因此它的 运行成本要低于传

15、统的清洗工艺。（6）由于不需要对清洗液进行运输、贮存、排放等处理措施，所以生产场地很容易保 持清洁卫生。（7）等离子清洗的最大技术特点是：它不分处理对象，可处理不同的基材，无论是金属、 半导体、氧化物还是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、据四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯、环 氧树脂等高聚物）都可用等离子体很好地处理，因此，特别适合不耐热和不耐溶剂的基底材 料。而且还可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清洗。（8）在完成清晰 去污的同时，还能改变材料本身的表面性能，如提高表面的润湿性能，改善膜的附着力等， 这在许多应用中都是非常重要的。3.3 离子清洗机/等离子清洗设备的原理理论分析我们先简

16、单的定义什么是等离子体，等离子体是一团含有正离子、电子、自由基及中性 气体原子所组成的会发光的气体团，如日光灯、霓红灯发亮的状态，就是属于等离子体发亮 的状态。等离子体的产生最主要是靠电子去撞击中性气体原子，使中性气体原子解离而产生 等离子体，但中性气体原子核对其外围的电子有一束缚的能量，我们称它为束缚能，而外界 的电子能量必须大于此束缚能，才会有能力解离此中性气体原子，但是，此外界的电子往往 是能量不足的，没有解离中性气体原子的能力，所以，我们必须用外加能量的方法给原子电 子能量，使电子有利用解离此中性气体原子。要外加能量给电子，最简单的方法就是用平行电极板加一直流电压，电子在电极中，会 被带正电的电极所吸引而加速，在加速的过程中电子可以累积能量，当电子的能量达到某一 程度时，就有能力来解离中性气体原子，能产生高密度等离子体的方法有很多种，在此我们 简单的介绍一些能产生高密