Plasma rengjøring - Plasma cleaning

Fig. 1. Overflaten til en MEMS- enhet blir renset med lyst, blått oksygenplasma i en plasmaetser for å kvitte seg med karbonforurensninger. (100mTorr, 50W RF)

Plasma rengjøring er fjerning av urenheter og forurensninger fra overflater ved bruk av en energisk plasma eller dielektrisk barriere utladning (DBD) plasma laget av gassformige bestanddeler. Det brukes gasser som argon og oksygen , samt blandinger som luft og hydrogen / nitrogen. Plasmaet opprettes ved å bruke høyfrekvente spenninger (typisk kHz til> MHz) for å ionisere lavtrykksgassen (vanligvis rundt 1/1000 atmosfæretrykk), selv om atmosfærisk trykkplasma nå også er vanlig.

Metoder

I plasma er gassatomer begeistret for høyere energitilstander og ioniseres også. Når atomene og molekylene 'slapper av' til sine normale, lavere energitilstander frigjør de et foton av lys, dette resulterer i den karakteristiske "gløden" eller lyset som er forbundet med plasma. Ulike gasser gir forskjellige farger. For eksempel avgir oksygenplasma en lyseblå farge.

En plasmas aktiverte arter inkluderer atomer , molekyler , ioner , elektroner , frie radikaler , metastabler og fotoner i kortbølgefiolett (vakuum UV eller kort VUV). Denne blandingen samhandler deretter med en hvilken som helst overflate plassert i plasmaet.

Hvis gassen som brukes er oksygen, er plasmaet en effektiv, økonomisk og miljøsikker metode for kritisk rengjøring. VUV-energien er veldig effektiv når det gjelder å bryte de fleste organiske bindinger (dvs. C – H, C – C, C = C, C – O og C – N) av overflateforurensninger. Dette bidrar til å bryte fra hverandre forurensninger med høy molekylvekt. En andre rengjøringshandling utføres av oksygenarter som dannes i plasmaet (O 2 + , O 2 - , O 3 , O, O + , O - , ionisert ozon, metastabilt eksitert oksygen og frie elektroner). Disse artene reagere med organiske forurensninger for å danne H 2 O, CO, CO 2 , og med lavere molekylvekthydrokarboner. Disse forbindelsene har relativt høyt damptrykk og evakueres fra kammeret under prosessering. Den resulterende overflaten er ekstremt ren. På figur 2 er et relativt innhold av karbon over materialdybde vist før og etter rengjøring med eksitert oksygen [1] .

Fig. 2. Innhold av karbon over materialdybde z: før en prøvebehandling - diamantpunkter og etter behandlingen i løpet av 1 s. - firkantede poeng

Hvis delen består av lett oksiderte materialer som sølv eller kobber, bruker behandlingen inerte gasser som argon eller helium i stedet. Plasmaaktiverte atomer og ioner oppfører seg som en molekylær sandblåsing og kan bryte ned organiske forurensninger. Disse forurensningene fordamper under prosessering og evakueres fra kammeret.

De fleste av disse biproduktene er små mengder gasser, slik som karbondioksid og vanndamp med spor av karbonmonoksid og andre hydrokarboner.

Om organisk fjerning er fullført, kan vurderes med kontaktvinkelmålinger . Når det er en organisk forurensning, er vannets kontaktvinkel med enheten høy. Fjerning av forurensning reduserer kontaktvinkelen til den karakteristikken ved kontakt med det rene underlaget. I tillegg brukes XPS og AFM ofte for å validere applikasjoner for rengjøring av overflater og sterilisering.

Hvis en overflate som skal behandles, er belagt med et mønstret ledende lag (metall, ITO ), kan behandling ved direkte kontakt med plasma (som er i stand til sammentrekning til mikrobuer) være ødeleggende. I dette tilfellet kan rengjøring med nøytrale atomer spent i plasma til metastabilt tilstand påføres. Resultatene av de samme applikasjonene på overflater av glassprøver belagt med Cr- og ITO- lag er vist i figur 3.

Fig. 3. Kontaktvinkel vanndråper av 5 μ l på glass belagt med forskjellige materialer.

Etter behandling reduseres kontaktvinkelen til en vanndråpe og blir mindre enn dens verdi på den ubehandlede overflaten. I fig. 4 er avspenningskurven for dråpefotavtrykk vist for glassprøve. Et fotografi av samme dråpe på den ubehandlede overflaten er vist i fig. 4 innfelt. Overflateavslappetid som tilsvarer data vist i fig. 4 er omtrent 4 timer.

Plasmaskuring er en prosess som bare bruker plasma-rensing for å fjerne karbon. Plasma ashing er alltid gjort med O 2 gass.

Fig. 4. Overflateareal av vanndråpe med 5 ul volumavtrykk på glassoverflate versus tid t etter behandlingen. Dråpe på ubehandlet glass vises i innfelt.

applikasjoner

Fig. 5. Plasmabjelke som rengjør en metalloverflate

Plasma-rengjøring er ofte nødvendig for fjerning av forurensninger fra overflater før de kan brukes i en produksjonsprosess. Plasma-rengjøring kan brukes på en rekke materialer sammen med overflater med komplekse geometrier. Plasmarengjøring har evnen til effektivt å fjerne all organisk forurensning fra overflater gjennom prosessen med en kjemisk reaksjon (luftplasma) eller fysisk ablasjon (Ar plasma / Argon plasma). Et fotografi av en plasmastråle på en ubehandlet metalloverflate er vist i fig. 5 innfelt.

Rengjøring og sterilisering

Plasma-rengjøring fjerner organisk forurensning gjennom kjemisk reaksjon eller fysisk ablasjon av hydrokarboner på behandlede overflater. Kjemisk reaktive prosessgasser (luft, oksygen) reagerer med hydrokarbonmonolag for å danne gassprodukter som blir feid bort av den kontinuerlige gassstrømmen i plasma-rengjøringskammeret. Plasma-rengjøring kan brukes i stedet for våte kjemiske prosesser, som piranhavering, som inneholder farlige kjemikalier, øker faren for reagensforurensning og risikerer etsebehandling av overflater.

  • Fjerning av selvmonterte monolag av alkanetiolater fra gulloverflater
  • Restproteiner på biomedisinske enheter
  • Rengjøring av nanoelektroder

Biovitenskap

Cellelevedyktighet, funksjon, spredning og differensiering bestemmes av vedheft til deres mikromiljø. Plasma brukes ofte som et kjemisk fritt middel for å tilsette biologisk relevante funksjonelle grupper (karbonyl, karboksyl, hydroksyl, amin, etc) til materialoverflater. Som et resultat, øker plasma rengjøring materiale biokompatibilitet eller bioaktivitet og fjerner forurensende proteiner og mikrober. Plasma-rengjøringsmidler er et generelt verktøy innen biovitenskap, og brukes til å aktivere overflater for cellekultur , vevsteknikk , implantater og mer.

  • Tissue Engineering Substrates
  • Polyetylentereftalat (PET) celleheft
  • Forbedret biokompatibilitet av implantater: vaskulære transplantater, skruer i rustfritt stål
  • Langsiktige studier med celleinneslutning
  • Plasmalitografi for mønstercellekulturunderlag
  • Cellsortering etter adhesjonsstyrke
  • Antibiotikafjerning ved plasma-aktiverte stålspon
  • Single Cell Sequencing

Materialvitenskap

Overflatevetting og modifisering er et grunnleggende verktøy innen materialvitenskap for å forbedre materialegenskapene uten å påvirke bulkegenskaper. Plasma-rengjøring brukes til å endre materialets overflatekjemi gjennom innføring av polære funksjonelle grupper. Økt overflatehydrofilisitet (fukting) etter plasmabehandling forbedrer vedheft med vandige belegg, lim, blekk og epoksyer:

  • Forbedret termopower av grafenfilmer
  • Forbedring av arbeidsfunksjonen i polymer halvleder heterostrukturer
  • Forbedret vedheft av ultra-høy modulus polyetylen (Spectra) fibre og aramidfibre
  • Plasmalitografi for overflatestrukturer i nanoskala og kvantepunkter
  • Mikropatronering av tynne filmer

Mikrofluidikk

De unike egenskapene til væskeflyt i mikro eller nanoskala utnyttes av mikrofluidiske enheter for et bredt spekter av forskningsapplikasjoner. Det mest brukte materialet for prototyping av mikrofluidanordninger er polydimetylsiloksan (PDMS), for sin raske utvikling og justerbare materialegenskaper. Plasma-rengjøring brukes til permanent binding av PDMS-mikrofluidflis med glassplater eller PDMS-plater for å lage vanntette mikrokanaler.

  • Blodplasmaseparasjon
  • Enkeltcelle-RNA-sekvensering
  • Elektroosmotiske strømningsventiler
  • Fuktbarhetsmønster i mikrofluidiske enheter
  • Langvarig oppbevaring av mikrofluidanordningens hydrofilitet

Solceller og solceller

Plasma har blitt brukt for å forbedre ytelsen til solceller og energiomdannelse innen solcelleanlegg:

  • Reduksjon av molybdenoksid (MoO 3 ) forbedrer kortslutningsstrømtetthet
  • Endre TiO2 Nanosheets for å forbedre hydrogengenerering
  • Forbedret konduktivitet av PEDOT: PSS for bedre effektivitet i ITO-frie perovskite solceller

Referanser