پلاسما کلینر - Plasma Cleaner
پلاسما کلینر - Plasma Cleaner

استفاده از پلاسما برای تمیز کردن سطح زیر لایه ها(Plasma Cleaning)

تمیز کردن سطح نمونه ها با استفاده از پلاسما در محیطی با فشار کم(خلاء)، روشی اقتصادی برای تمیز کردن نمونه ها به صورت یکنواخت و ایمن است. از بین بردن آلاینده ها از سطح زیرلایه های مورد مطالعه، بدون اینکه روی خواص کلی ماده تاثیر بگذارد، از مزایای روش تمیز کردن سطح با استفاده از پلاسما(Plasma Cleaning) می باشد. پلاسما به طور گسترده ای در صنعت تولید مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد، از جمله تمیز کردن برد PCB قبل از پوشش و تمیز کردن فریم های سرب در طی فرایند بسته بندی.

تمیز کردن نمونه ها با استفاده از پلاسما مزایای قابل توجهی نسبت به سایر روش های تمیز کردن سطح دارد:

  • برای بازه وسیعی از مواد قابل استفاده است(فلزات، پلاستیک ها، شیشه، سرامیک و …)
  • سازگار با محیط زیست است. این روش نیاز به حلال های شیمیایی خطرناک را از بین می برد و این امر موجب صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها است؛ زیرا که نیازی به رفع خطرات زیست محیطی مانند سایر روش های پاک سازی نمی باشد.
  • حلال ها پس از فرایند پاک سازی از خود باقیمانده، بر جا می گذارند در حالی که پاک کننده پلاسما قادر به انجام فرایند پاک سازی بدون هیچ اثر باقی مانده ای است. این فرآیند آنتی اکسیدان ها، باقیمانده های کربن، روغن ها و انواع مختلف ترکیبات آلی را از بین می برد.
  • فرایند تمیز کردن سطح با استفاده از پلاسما بهترین راه حل برای رفع آلودگی میکروبی است. بسیاری از تجهیزات پزشکی و تولیدی به پلاسما بستگی دارد، زیرا بسیار مؤثرتر از عوامل تهاجمی و حلال های آلی است.

پلاسما چیست؟

تمیز کردن سطح با پلاسما(Plasma Cleaning) فرایندی است که در آن ناخالصی ها و آلودگی های سطح نمونه با استفاده از ایجاد پلاسمای پر انرژی از ذرات گازی شکل زدوده می شوند. برای این منظور گازهایی مثل اکسیژن، هوا و ترکیبی از هوا و نیتروژن یا هیدروژن استفاده می شوند. برای یونیزه کردن این گازها و ایجاد پلاسما معمولا از ولتاژ فرکانس بالایی(در رنج کیلو هرتز تا چند مگاهرتز) استفاده می شود. پلاسمای ایجاد شده برای تمیز کردن سطح نمونه، معمولا در محیط خلاء(فشاری در حدود ۱ میلی بار) شکل می گیرد. البته پلاسما در فشار اتمسفر نیز در برخی موارد به کار برده می شود. پلاسما ممکن است با ولتاژ DC یا RF تولید شود. منابع فرکانس پایین، ارزانتر ولی نا کارآمدتر هستند. انتخاب منبع مناسب برای کاربرد تمیز کردن سطح، به فاکتورهای گوناگونی بستگی دارد که این فاکتورها شامل هزینه نیز می شوند. برای انتخاب مناسب منبع، کاربر باید بداند که برای از بین بردن آلودگی های مد نظرش روی کدام فاکتور تاکید بیشتری دارد: زمان، توان، گاز مصرفی و … .

پلاسما چیست؟

پلاسما - Plasma چیست؟لانگ مویر(Langmuir)، در سال ۱۹۲۹ در مجله ی فیزیکال ریویو لترز(Physical Review letters)، ناحیه ای از گازها را که نسبتا خالی از میدان است، محافظت شده می باشد و در آن بارهای مثبت و منفی در توازن اند، پلاسما نامید. او، نواحی محافظ روی مرز پلاسما را پوشینه نام نهاد. پلاسما یکی از چهار فاز اصلی ماده است(سه فاز دیگر: جامد، مایع و گاز).

پلاسما

 در پلاسما، اتم های گازی برانگیخته شده و به ترازهای بالاتر انرژی می روند و اغلب یونیزه می شوند. با برگشتن اتم ها و مولکول ها به حالت پایه، از خودشان فوتون های نوری ساطع می کنند. این فوتون ها عامل درخشندگی و نور رنگی پلاسما هستند. گازهای مختلف منجر به رنگ های مختلف پلاسما می شوند به طور مثال پلاسمای اکسیژن رنگ آبی روشن را ساطع می کند.

اجزای فعال پلاسما شامل: اتم ها، مولکول ها، یون ها، الکترون ها، رادیکال های آزاد و فوتون های با انرژی زیاد و طول موج های کم در محدوده فرابنفش هستند. این ترکیب پس از شکل گیری، با تمام سطوح قرار گرفته در معرض پلاسما برخورد می کند.

فرآیند پلاسما کلینینگ – Plasma Cleaning

اگر گاز مورد استفاده در پلاسما اکسیژن باشد، پلاسمای ایجاد شده ابزاری اقتصادی، مؤثر و سازگار با محیط زیست برای تمیز کردن اساسی سطوح مورد مطالعه است. انرژی فرابنفش موجود در محیط پلاسما در شکستن اغلب پیوندهای ارگانیک(C–H, C–C, C=C, C–O, C–N) آلودگی های سطح، مؤثر است و موجب جداسازی آلاینده های با وزن مولکولی بالا می شود. دومین مرحله تمیز سازی مربوط به اُزُن یونیزه شده، الکترون های آزاد و ذرات اکسیژنی است که در محیط پلاسما ایجاد می شوند مانند O۲+،O۲،O۳ ،O،O+،O. این ذرات با آلودگی های ارگانیک واکنش داده و منجر به تولید H۲O, CO, CO۲  و هیدروکربن های با وزن مولکولی پایین می شوند. این ترکیبات دارای فشار بخار نسبتا بالایی هستند و در حین فرایند از محفظه تخلیه می شوند. در نتیجه این واکنش ها سطح قرار گرفته در معرض پلاسما به حالت فوق العاده تمیز می رسد. شکل زیر، مقدار نسبی کربن را قبل و بعد از تمیز سازی با پلاسما نشان می دهد.

مقدار کربن در عمق z از ماده قبل و بعد از فرایند تمیزسازی با پلاسما

مقدار کربن در عمق z از ماده قبل و بعد از فرایند تمیز سازی با پلاسما

در صورتی که نمونه از مواد اکسید شونده مثل مس تشکیل شده باشد برای فرایند پلاسما از گازهای بی اثر مثل آرگون یا هلیوم استفاده می کنند. در این حالت به جای واکنش شیمیایی، اتم ها و یون های فعال شده با پلاسما مانند سندبلاست مولکولی رفتار می کنند و می توانند آلاینده های آلی را تجزیه کنند. این آلاینده ها در حین فرایند تبخیر شده و از محفظه تخلیه می شوند. اگر در فرایند پاک سازی سطح، از پلاسمای هیدروژن استفاده شود، بسیار مناسب و موثر برای از بین بردن اکسید فلزات خواهد بود.

انواع پلاسما

با استفاده از گونه های گازی مختلف(اکسیژن، آرگون، نیتروژن، هیدروژن، هلیوم و غیره)، پلاسما می تواند ویژگی های مختلفی را در سطح زیرلایه ایجاد کند. این ویژگی ها عبارتند از:

  • تنش سطحی/ انرژی سطح/ ویژگی های زاویه تماس
  • بهبود اتصال بین سطحی و چسبندگی
  • تغییر ویژگی تَر شوندگی سطح(wettability) و خاصیت آبگریزی یا آبدوستی سطوح
  • فعال سازی پیوندهای سطح برای فرایند باندینگ

فیزیک پلاسما(Plasma Physics)

فیزیک پلاسما(Plasma Physics)فیزیک پلاسما از شاخه‌های فیزیک است که به بررسی یکی از اشکال وجود ماده، یعنی پلاسما می‌پردازد. می دانیم که برای ماده سه حالت جامد، مایع و گاز در نظر گرفته می شود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض می شود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است.

کیفیت فرایند پاک سازی سطوح و حذف مواد آلی را می توان با اندازه گیری زاویه تماس(Contact angle) قطره آب، بررسی کرد. در صورت وجود آلودگی های ارگانیک، زاویه تماس آب با سطح نمونه زیاد می شود و با کم شدن آلودگی ها زاویه تماس آب نیز کاهش می یابد تا به زاویه تماس سطح نمونه خالص عاری از آلودگی، برسد. شکل زیر، زاویه تماس یک قطره آب با سطح نمونه شیشه ای را قبل و بعد از تمیز سازی نشان می دهد. علاوه بر زاویه تماس آب، تست های XPS و AFM نیز برای بررسی کیفیت پاک سازی سطح نمونه ها استفاده می شوند.

زاویه تماس یک قطره آب با سطح نمونه شیشه ای قبل و بعد از فرایند تمیز سازی با پلاسما

زاویه تماس یک قطره آب با سطح نمونه شیشه ای قبل و بعد از فرایند تمیز سازی با پلاسما

فرایند تمیز کردن نمونه با استفاده از پلاسما اغلب برای از بین بردن آلاینده ها از سطوح، قبل از استفاده در فرایند تولید مورد نیاز است. این فرایند را می توان برای مجموعه ای از مواد به همراه سطوح با هندسه های پیچیده به کار برد. تمیز کردن با استفاده از پلاسما می تواند جایگزین مناسبی برای فرآیندهای شیمیایی مرطوب، مانند اچ پیرانا(piranha etching) باشد زیرا این فرآیندها معمولا حاوی مواد شیمیایی خطرناک هستند، خطر آلودگی با عامل های شیمیایی را افزایش می دهند و سطوح تحت فرایند را با خطر اچ، روبرو می کنند.

در فرایندهای پوشش دهی سطوح(Coating)، در صورتی که سطح قبل از فرایند پوشش دهی با استفاده از پلاسما تمیز شود، تاثیر به سزایی در کیفیت لایه نازک(Thin Film) ایجاد شده خواهد داشت. انجام فرایند پاک سازی پلاسمایی، موجب یکنواختی فیلم لایه نشانی شده و چسبندگی بهتر آن به زیرلایه، می شود.

DST3-T full face

پلاسما کلینر – Plasma Cleaner

در بین محصولات شرکت پوشش های نانوساختار، نیز بعضی از مدل های سیستم های لایه نشانی در خلاء، مجهز به پلاسما کلینر(Plasma Cleaner) قبل از لایه نشانی هستند. از جمله مدل های مجهز به پلاسما کلینر(Plasma Cleaner) می توان به دستگاه اسپاترینگ تک کاتده خلاء بالا مدل DST1-300، دستگاه اسپاترینگ سه کاتده مدل DST3، دستگاه اسپاترینگ سه کاتده و تبخیر حرارتی مدل DST3-Tو دستگاه اسپاترینگ رومیزی مدل DSR1، اشاره کرد. در این دستگاه کاربر قادر است پس از استفاده از پلاسما کلینر(Plasma Cleaner)، بدون نیاز به خارج کردن نمونه از خلاء، شروع به انجام فرایند اسپاترینگ(Sputtering)، به منظور لایه نشانی ماده مورد نظر نماید. برای کسب اطلاعات بیشتر به سایت شرکت پوشش های نانوساختار، مراجعه نمایید.

یک نمونه از شکل گیری پلاسما برای فرایند تمیز سازی سطح

یک نمونه از شکل گیری پلاسما برای فرایند تمیز سازی سطح

منابع