第２０卷 第 １２ 期 清 洗 世 界Cleaning World
V ol.20 No.12
Dec. 2004
所谓等离子体是指被电离的气体，它与固态、液态和气态物质比较有不同的物理和化学性质，因此等离子体也被称为物质的第四态。由于等离子体中存在大量的电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子等，当等离子体与被清洗的物质表面相互接触时，会产生物理刻蚀、化学分解等物理和化学过程，从而分解或清除掉污染物，由于是采用的低温冷等离子体（温度一般小于２０００ ℃），因此不会对基底材料造成任何损伤。 绿化学是当前国际化学研究的前沿，因为它将从源头上解决环境污染问题，实现零污染和零废物排放。作为物质第四态的等离子体所具有的神奇功能，尤其是它所表现的干气相化学性质，可以用来替代传统的湿化学过程。和传统的湿化学清洗技术相比，具有无二次污染、无损伤、高效快捷等明显的优势。因此常压冷等离子体技术的发展受到了世界清洗界的高度关注。本文扼要介绍常压射频冷等离子体喷技术发展现状、清洗原理和应用的领域。 A normal pressure radio-frequency cold plasma cleaning technology
WANG Shouguo
(Institute of Microelectronic, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100010)
收稿日期：２００４－１２－０６
作者简介：王守国（１９６３－），男，山东新泰人，中科院“百人计划”特聘研究员，主要从事常压等离子体物理和应用的研究。摘 要 介绍一项新兴的绿常压射频冷等离子体喷干化学清洗技术，阐述了它在国
内外的发展现状、清洗机理和应用前景。
关键词 常压 冷等离子体喷 清洗机理 应用
中图分类号 Ｏ４６ ＴＮ４０９ 文献标识码 Ｂ
Ａｂｓｔｒａｃｔ A new green cleaning technology using normal pressure radio-frequency (rf) cold plasma gun is introduced. The status in the world, cleaning mechanism and the aspects of applications the tehnology are described.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ normal pressure; cold plasma gun; cleaning mechanism; applications
¥新技术、新工艺¥
王守国
（中国科学院微电子研究所， 北京 １０００１０）
常压射频冷等离子体
清洗技术介绍
清 洗 世 界
第 １２ 期
・
33・过去低温冷等离子体的产生一般是在真空室里进行，设备成本费用高，受操作空间的限制，因此不便于大规模工业应用。
１９９７年１１月世界著名的美国Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ国家实验室采用射频技术成功实现在常压下气体的温和等离子体大面积放电，称为ＡＰＰＪ技术
［１，２］
。这一重大突
破意味着过去我们只能在真空室中的低温气体放电可以直接在常压下进行，从而省去了真空室所带来的空间和操作方面的限制。该技术在美国立即受到工业界的高度关注，并被立即应用于工业清洗、生化武器污染的清洗、杀毒灭菌、刻蚀放射性材料等领域，由于其具有潜在的广阔应用前景。１９９９年１１月１７日该项技术荣获世界研究与发明最高奖Ｒ＆Ｄ１００。该技术的诞生为从根本上解决有机、生物和放射性污染提供了最可靠的手段
［３，４］
。以该技术为基础，在
２００２年美国成立了Ｓｕｒｆｘ的技术公司，主要从事工业等离子体清洗和表面改性的业务。在德国ＥＳＳＥＮ大学Ｄｏｅｂｅｌｅ教授领导的研究所，也开展常压冷等离子体技术的研究，目前他们正开展清洗生物污染的研究工作。在日本，松下电工也成立了一个叫Ａｉｐｌａｓｍａ的公司，主要
是用冷等离子体技术清洗微电子器件和液晶显示屏器件。
自从２００３年开始，中科院微电子研究所也开展大气压冷等离子体技术的研究工作，在短短的二年时间内，先后成功研制出各种喷口直径和形状的常压射频冷等离子体喷设备
［５，６］
，用该所研制的常压冷等离
子体设备，在１０１．６ ｍｍ（４英寸）硅片上清洗光刻胶的速率已经达到１μｍ／ｍｉｎ，清洗后无残胶存在［７］
。
源、电极、等离子体放电区间和喷口等，如图１所示。射频电源的频率是１３．５６ ＭＨｚ，放电功率可调范围是３０￣１５０ Ｗ；在图１中，等离子体喷是由一个圆柱体的金属射频电极和圆筒状的金属地电极构成，在圆柱体电极和圆筒地电极之间有一个圆筒状的放电缝隙，在电极的一端用绝缘材料密封，另一端设有一个喷口，当工作气体通过该电极之间的缝隙时被击穿电离形成等离子体，在气体压力推动下，然后从喷口向外喷出，从喷口向外喷出的等离子体束流的长度取决于放电功率和进气量。供气源可以根据被清洗污染物的特点进行选择，例如，当清洗有机污染物时，一般是选用氧气作为反应气体。
２ 常压冷等离子体喷介绍
常压冷等离子体喷装置，包括射频电源、供气
图２是常压冷等离子体喷放电时的照片，放电参数是：输入功率为５０ Ｗ；氩气流量１５ Ｌ／ｍｉｎ；氮气流量１００ ｍＬ／ｍｉｎ。等离子体束流可以喷射到人体的皮肤上对皮肤进行消毒。
图２
是常压冷等离子体喷到手指上的照片。
图２ 常压冷等离子体喷到手指上的照片
１ 常压射频冷等离子体技术的发展现状
图１ 常压射频冷等离子体喷结构示意图电源
绝缘材料
射频电极
工作气体
接地电极
喷出等离子体束流
第２０卷
清 洗 世 界
・ 34・
由于在等离子体喷的喷口处包含有大量的电子、离子、自由基和压稳态的分子和原子，当该等离子体束流成分与被清洗的物质接触时，会发生干化学反应，从而清洗掉污染物。以下方程是活性氧原子的产生过程：
ｅ ＋ Ａｒ —→ Ａｒ＊ ＋ ｅ Ａｒ＊ ＋ Ｏ２ —→ Ａｒ ＋ Ｏ２＊ Ｏ２＊ ＋ ｅ —→ Ｏ ＋ Ｏ＊＋ ｅ
活性氧原子（Ｏ＊）是通过电荷之间的转换和再结合产生的。 图３ 是氢等离子体和氧等离子体分别清洗氧化物和有机物的干化学过程。氢等离子体与氧化物作用，把氧化物分解成水；氧等离子体与有机物作用，把有机物分解为二氧化碳。两个清洗过程所生成产物是水和二氧化碳，无任何液体废物排放，不存在二次污染。
在医疗领域，如果用氩或氦氧冷等离子体来消毒灭菌，灭菌速度是传统湿法灭菌速度的２０￣３０倍，也不会产生任何二次环境污染，可以从根本上治理医院垃圾问题。
目前在对放射性材料的处理方面，美国科学家利用等离子体喷技术，采ＣＦ４气体所产生的活性氟原子对放射性材料表面进行清洗，形成了低放射性的物质ＵＦ６和ＰｕＦ６，这将为最终彻底清除放射性的污染奠定了基础。
此外，等离子体技术还可以用在文物修复、玻璃表面的清洗，隐形眼镜的清洗、印刷包装材料的表面清洗等众多领域。
总之，用常压冷等离子体技术对有机和生化污染进行清洗，是能够替代目前所采用的湿化学方法的一种真正绿手段，该放电技术在大气压下进行，不但开创了一个全新的低温等离子体物理领域，也为工业清洗技术开辟了崭新的一页。
３ 常压冷等离子体喷的清洗原理
在微电子领域，用常压射频冷等离子体技术所产生的温和等离子体来清洗硅片上的光刻胶，不但清洗速度快，不会对硅底片带来任何损坏（由于喷口的最高温度低于２０００ ℃），如果我们采用惰性气体氩气和反应气体氧气来产生氩氧等离子体清洗，清洗后生产的产物为Ｈ２Ｏ和ＣＯ２，将不会带来任何环境污染问题。
４ 常压冷等离子体喷的应用领域
Ｐａｒｋ Ｊ， Ｈｅｎｉｎｓ Ｉ， Ｈｅｒｍａｎｎ， Ｓｅｌｗｙｎ Ｇ Ｓ． Ｇａｓ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎ ａｎ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｐａｃｉｔ
ｉｖｅ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］． Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ， ２０００，８９（１）：１５～１９．Ｊｅｏｎｇ Ｊ Ｙ， Ｐａｒｋ Ｊ， Ｈｅｎｉｎｓ Ｉ． Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｆｔｅｒｇｌｏｗ
ｏｆ ａｎ ｏｘｙｇｅｎ－ｈｅｌｉｕｍ， ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｐｌａｓｍａ ２０００，１０４：８０２７～８０３２．Ｈｅｒｒｍａｎ Ｈ Ｍ， Ｈｅｎｉｎｓ Ｉ， Ｐｅｒｋ Ｊ， Ｓｅｌｗｙｎ Ｇ Ｓ． Ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ
ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｒｆａｒｅ （ＣＢＷ） ａｇｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ａｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ （ＡＰＰＪ） ［Ｊ］． Ｐｈｙｓ． Ｐｌａｓｍａ， １９９９，６（５）：２２８４～２２８９．Ｊｅｏｎｇ Ｊ Ｙ， Ｂａｂａｙａｎ Ｓ Ｅ， Ｔｕ Ｖ Ｊ， Ｐａｒｋ Ｊ， Ｈｅｎｉｎｓ Ｉ． Ｅｔｃｈｉｎｇ ｍａｔｅｒｓ
ｗｉｔｈ ａｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ［Ｊ］． Ｐｌａｓｍａ ＳｏｕｒｃｅｓＳｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． １９９８，７：２８２～２８５．Ｗａｎｇ Ｓ， Ｇａｔｈｅｎ Ｖ， Ｄｏｂｅｌｅ Ｈ．Ｆ． Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ
ｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ａｒ／Ｏ２ ａｎｄ Ｈｅ／Ｏ２ ｐｌａｓｍａｊｅｔｓ ［Ｊ］． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ２００３，８３（１６）： ３２７２～３２７４．Ｗａｎｇ Ｓ， Ｌｉ Ｈ， Ｚｈａｏ Ｌ， Ｙｅ Ｔ． Ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＲＦ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｈｙｓ．，２００４，１３（２）：１９０～１９５．李海江 ， 王守国， 赵玲利， 等． 常压射频低温冷等离子体清
洗光刻胶研究［Ｊ］． 半导体技术，２００４，２９（１２）：２６～２９．
参 考 文 献
［１］［２］［３］［４］［５］［６］［７］干化学氧化物清洗工艺 干化学清洗有机物工艺
图３ 干化学清洗过程示意图
Ｈ２Ｏ Ｈ＊ Ｈ＊ ＣＯ２ Ｏ＊ Ｏ＊
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议