激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)及其原理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-04-06

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和匯聚能力強(qiáng)等特性，使污染物與基體之間的結(jié)合力受到破壞或者使污染物直接氣化等方式進(jìn)行脫污，降低污染物與基體的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到清洗工件表面的作用。激光清洗原理圖如圖1.1所示。當(dāng)工件表面污染物吸收激光的能量后，其快速氣化或瞬間受熱膨脹后克服污染物與基體表面之間的作用力，由于受熱能量升高，污染物粒子進(jìn)行振動(dòng)后而從基體表面脫落。

圖１激光清洗原理圖

整個(gè)激光清洗過(guò)程大致分為4個(gè)階段，即激光氣化分解、激光剝離、污染物粒子熱膨脹、基體表面振動(dòng)和污染物脫離。當(dāng)然，在應(yīng)用激光清洗技術(shù)時(shí)還要注意被清洗對(duì)象的激光清洗閾值，選擇合適的激光波長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到最佳的清洗效果。激光清洗能夠在不損傷基體表面的前提下，使基材表面的晶粒結(jié)構(gòu)和取向改變，并且還能夠?qū)w表面粗糙度進(jìn)行控制，從而增強(qiáng)基體表面的綜合性能。清洗效果主要受光束特性、基底與污物材料的物性參數(shù)和污物對(duì)光束能量的吸收能力等因素影響。

目前，激光清洗技術(shù)包括干式激光清洗技術(shù)、濕式激光清洗技術(shù)和激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)等3種清洗方式。

1）干式激光清洗即脈沖激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹或基底熱振動(dòng)，進(jìn)而使二者分離。該方法大致分為2種情況：一種是表面污染物吸收激光膨脹；另一種是基底吸收激光產(chǎn)生熱振動(dòng)。

2）濕式激光清洗是在脈沖激光照射待洗工件前，先進(jìn)行表面預(yù)涂液膜，在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化，氣化的瞬間產(chǎn)生沖擊波，作用在污染物顆粒中，使其從基體上脫落。此方法要求基體與液膜不能發(fā)生反應(yīng)，故限制了應(yīng)用材料的范圍。

3）激光等離子體沖擊波是在激光照射過(guò)程中擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，沖擊波作用在待洗基體表面并且釋放能量將污染物去除；激光未作用于基體，因此對(duì)基體不產(chǎn)生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)現(xiàn)已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物，并且對(duì)激光波長(zhǎng)沒(méi)有限制。

如圖1.2展示了激光等離子體沖擊波清洗硅片上納米粒子污染的示意圖。爆炸區(qū)發(fā)生在透鏡焦點(diǎn)的位置，待清洗的樣品置于焦點(diǎn)垂直正下方，通過(guò)三維平移臺(tái)自動(dòng)控制待清洗樣品的移動(dòng)，選擇合理間距進(jìn)行清洗研究。激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波清洗納米粒子技術(shù)適用的清洗對(duì)象大多屬于易于存放和處理的固體粉末粒子，整個(gè)清洗過(guò)程中不需引入化學(xué)試劑的輔助，這樣就避免了對(duì)自然環(huán)境造成負(fù)面危害。等離子體沖擊波清洗技術(shù)涉及到的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅能夠滿(mǎn)足多種類(lèi)型的表面污染物的清洗要求，也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。對(duì)于困擾微電子基片的納米顆粒污染，其清洗效果尤為突出，還可以應(yīng)用于復(fù)原油畫(huà)、文物等領(lǐng)域。在控制清洗參數(shù)的條件下可實(shí)現(xiàn)將污染物從物體的表面清除的同時(shí)不會(huì)造成物體的內(nèi)部損傷。該激光清洗技術(shù)清洗精度高，對(duì)微納米量級(jí)的粒子清洗也可以實(shí)現(xiàn)。激光清洗對(duì)工作環(huán)境要求很低，不僅可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，也可以在復(fù)雜的室外環(huán)境下進(jìn)行。

圖1.2 激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波清洗納米粒子原理示意圖

激光等離子體沖擊波清洗的物理基礎(chǔ)

高強(qiáng)度激光入射到空氣中，經(jīng)匯聚透鏡聚焦后，誘導(dǎo)空氣擊穿形成高溫高密度的激光等離子體。等離子體快速向四周膨脹，壓縮周?chē)目諝?，形成等離子體沖擊波。由于這種高強(qiáng)度的沖擊波的力學(xué)效應(yīng)，使得沖擊波與硅片表面納米粒子相互作用達(dá)到某一程度時(shí)，能夠使納米粒子脫離基底表面，該過(guò)程被稱(chēng)為激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)。

等離子體的產(chǎn)生

通過(guò)長(zhǎng)程庫(kù)侖力而集體相互作用著的運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（電子、離子或部分中性粒子）的電中性集合，我們稱(chēng)其為等離子體，也叫物質(zhì)的第四態(tài)。地球上自然存在的等離子體非常少，僅占1%，這是因?yàn)闅怏w的電離度在常溫下非常低。宇宙中99%的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的，如我們熟知的極光、彗星、閃電等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)接觸到有關(guān)等離子體的方面越來(lái)越多，等離子體應(yīng)用范圍非常廣泛，如等離子體刻蝕、等離子體顯示技術(shù)等。

等離子體的產(chǎn)生方式，主要包括以下幾種：

(1) 熱致電離
產(chǎn)生等離子體的一種最簡(jiǎn)單的方法是借助熱致電離法，任何物質(zhì)都能產(chǎn)生電離，只要通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱升溫的方法使物質(zhì)達(dá)到足夠高的溫度，粒子具有了動(dòng)能，在相互碰撞的過(guò)程中，只要有一個(gè)粒子發(fā)生電離，就會(huì)產(chǎn)生等離子體。因此熱致電離的產(chǎn)生等離子體機(jī)制是粒子間的相互碰撞作用。

(2) 氣體放電
實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況下的等離子體都產(chǎn)生于氣體放電作用。其中主要包括：低氣壓輝光放電產(chǎn)生等離子體、電弧放電產(chǎn)生等離子體、高頻放電產(chǎn)生等離子體。

(3) 激光誘導(dǎo)
激光等離子體的產(chǎn)生過(guò)程也被稱(chēng)作等離子體的點(diǎn)燃。把一束高功率激光照射到靶材表面時(shí)，由于靶材對(duì)激光能量的吸收作用，使靶材表面溫度快速升高直至發(fā)生氣化，此時(shí)伴隨靶材粒子向外噴濺。激光能量持續(xù)作用下，噴濺粒子被電離，最終結(jié)果產(chǎn)生了激光等離子體。

圖 2.1 激光誘導(dǎo)空氣擊穿產(chǎn)生等離子體示意圖

圖2.1所示為激光誘導(dǎo)空氣擊穿產(chǎn)生等離子體的示意圖。激光誘導(dǎo)形成等離子體的過(guò)程可以概括分為以下三個(gè)階段：
(1) 光電離階段：由于原子中的電子在受到激光輻照時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)或多光子效應(yīng)而發(fā)生的電離；

(2) 熱電離階段：在高溫條件下，快速運(yùn)動(dòng)的原子之間發(fā)生相互碰撞，導(dǎo)致原子中的電子由基態(tài)變成激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)電子能量超過(guò)電離勢(shì)的原子會(huì)被電離；

(3)碰撞電離階段：在電場(chǎng)作用下帶電粒子被加速，并與中性原子碰撞交換能量，使得原子中的電子獲得足夠高的能量而發(fā)生的電離。

激光等離子體沖擊波清洗法(laser plasma shockwave cleaning，LPSC)是一種新型清洗技術(shù)，其利用高能激光所產(chǎn)生的等離子體膨脹沖擊效應(yīng)實(shí)現(xiàn)污染物的去除。總體來(lái)看，激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)基于其具有清洗效率高、速度快、普適性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，不僅在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中清洗硅基表面的微納米尺寸污染物效果明顯，而且可以應(yīng)用于尺寸較大的污染物的清洗。

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