激光等離子體沖擊波清洗技術及其原理

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：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等特性，使污染物與基體之間的結合力受到破壞或者使污染物直接氣化等方式進行脫污，降低污染物與基體的結合強度，進而達到清洗工件表面的作用。激光清洗原理圖如圖1.1所示。當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，污染物粒子進行振動后而從基體表面脫落。

圖１激光清洗原理圖

整個激光清洗過程大致分為4個階段，即激光氣化分解、激光剝離、污染物粒子熱膨脹、基體表面振動和污染物脫離。當然，在應用激光清洗技術時還要注意被清洗對象的激光清洗閾值，選擇合適的激光波長，進而達到最佳的清洗效果。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構和取向改變，并且還能夠對基體表面粗糙度進行控制，從而增強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和污物對光束能量的吸收能力等因素影響。

目前，激光清洗技術包括干式激光清洗技術、濕式激光清洗技術和激光等離子體沖擊波清洗技術等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，產生熱膨脹或基底熱振動，進而使二者分離。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生熱振動。

2）濕式激光清洗是在脈沖激光照射待洗工件前，先進行表面預涂液膜，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生反應，故限制了應用材料的范圍。

3）激光等離子體沖擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質而產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，因此對基體不產生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術現已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物，并且對激光波長沒有限制。

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。爆炸區發生在透鏡焦點的位置，待清洗的樣品置于焦點垂直正下方，通過三維平移臺自動控制待清洗樣品的移動，選擇合理間距進行清洗研究。激光誘導等離子體沖擊波清洗納米粒子技術適用的清洗對象大多屬于易于存放和處理的固體粉末粒子，整個清洗過程中不需引入化學試劑的輔助，這樣就避免了對自然環境造成負面危害。等離子體沖擊波清洗技術涉及到的應用范圍非常廣泛，不僅能夠滿足多種類型的表面污染物的清洗要求，也能實現精準控制。對于困擾微電子基片的納米顆粒污染，其清洗效果尤為突出，還可以應用于復原油畫、文物等領域。在控制清洗參數的條件下可實現將污染物從物體的表面清除的同時不會造成物體的內部損傷。該激光清洗技術清洗精度高，對微納米量級的粒子清洗也可以實現。激光清洗對工作環境要求很低，不僅可以在實驗室中進行，也可以在復雜的室外環境下進行。

圖1.2 激光誘導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

高強度激光入射到空氣中，經匯聚透鏡聚焦后，誘導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，壓縮周圍的空氣，形成等離子體沖擊波。由于這種高強度的沖擊波的力學效應，使得沖擊波與硅片表面納米粒子相互作用達到某一程度時，能夠使納米粒子脫離基底表面，該過程被稱為激光等離子體沖擊波清洗技術。

等離子體的產生

通過長程庫侖力而集體相互作用著的運動的帶電粒子（電子、離子或部分中性粒子）的電中性集合，我們稱其為等離子體，也叫物質的第四態。地球上自然存在的等離子體非常少，僅占1%，這是因為氣體的電離度在常溫下非常低。宇宙中99%的物質是以等離子體狀態存在的，如我們熟知的極光、彗星、閃電等。隨著科學技術的發展，人類接觸到有關等離子體的方面越來越多，等離子體應用范圍非常廣泛，如等離子體刻蝕、等離子體顯示技術等。

等離子體的產生方式，主要包括以下幾種：

(1) 熱致電離
產生等離子體的一種最簡單的方法是借助熱致電離法，任何物質都能產生電離，只要通過簡單的加熱升溫的方法使物質達到足夠高的溫度，粒子具有了動能，在相互碰撞的過程中，只要有一個粒子發生電離，就會產生等離子體。因此熱致電離的產生等離子體機制是粒子間的相互碰撞作用。

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

(3) 激光誘導
激光等離子體的產生過程也被稱作等離子體的點燃。把一束高功率激光照射到靶材表面時，由于靶材對激光能量的吸收作用，使靶材表面溫度快速升高直至發生氣化，此時伴隨靶材粒子向外噴濺。激光能量持續作用下，噴濺粒子被電離，最終結果產生了激光等離子體。

圖 2.1 激光誘導空氣擊穿產生等離子體示意圖

圖2.1所示為激光誘導空氣擊穿產生等離子體的示意圖。激光誘導形成等離子體的過程可以概括分為以下三個階段：
(1) 光電離階段：由于原子中的電子在受到激光輻照時發生了光電效應或多光子效應而發生的電離；

(2) 熱電離階段：在高溫條件下，快速運動的原子之間發生相互碰撞，導致原子中的電子由基態變成激發態，激發態電子能量超過電離勢的原子會被電離；

(3)碰撞電離階段：在電場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，其利用高能激光所產生的等離子體膨脹沖擊效應實現污染物的去除。總體來看，激光等離子體沖擊波清洗技術基于其具有清洗效率高、速度快、普適性強等優勢，不僅在半導體產業中清洗硅基表面的微納米尺寸污染物效果明顯，而且可以應用于尺寸較大的污染物的清洗。