激光等离子体冲击波清洗技术及其原理

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-04-06

激光清洗是利用激光光束具有大的能量密度、方向可控和汇聚能力强等特性，使污染物与基体之间的结合力受到破坏或者使污染物直接气化等方式进行脱污，降低污染物与基体的结合强度，进而达到清洗工件表面的作用。激光清洗原理图如图1.1所示。当工件表面污染物吸收激光的能量后，其快速气化或瞬间受热膨胀后克服污染物与基体表面之间的作用力，由于受热能量升高，污染物粒子进行振动后而从基体表面脱落。

图１激光清洗原理图

整个激光清洗过程大致分为4个阶段，即激光气化分解、激光剥离、污染物粒子热膨胀、基体表面振动和污染物脱离。当然，在应用激光清洗技术时还要注意被清洗对象的激光清洗阈值，选择合适的激光波长，进而达到最佳的清洗效果。激光清洗能够在不损伤基体表面的前提下，使基材表面的晶粒结构和取向改变，并且还能够对基体表面粗糙度进行控制，从而增强基体表面的综合性能。清洗效果主要受光束特性、基底与污物材料的物性参数和污物对光束能量的吸收能力等因素影响。

目前，激光清洗技术包括干式激光清洗技术、湿式激光清洗技术和激光等离子体冲击波清洗技术等3种清洗方式。

1）干式激光清洗即脉冲激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量温度升高，产生热膨胀或基底热振动，进而使二者分离。该方法大致分为2种情况：一种是表面污染物吸收激光膨胀；另一种是基底吸收激光产生热振动。

2）湿式激光清洗是在脉冲激光照射待洗工件前，先进行表面预涂液膜，在激光的作用下液膜温度快速升高而气化，气化的瞬间产生冲击波，作用在污染物颗粒中，使其从基体上脱落。此方法要求基体与液膜不能发生反应，故限制了应用材料的范围。

3）激光等离子体冲击波是在激光照射过程中击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波，冲击波作用在待洗基体表面并且释放能量将污染物去除；激光未作用于基体，因此对基体不产生伤害。激光等离子体冲击波清洗技术现已可以清洗几十纳米粒径的颗粒污染物，并且对激光波长没有限制。

如图1.2展示了激光等离子体冲击波清洗硅片上纳米粒子污染的示意图。爆炸区发生在透镜焦点的位置，待清洗的样品置于焦点垂直正下方，通过三维平移台自动控制待清洗样品的移动，选择合理间距进行清洗研究。激光诱导等离子体冲击波清洗纳米粒子技术适用的清洗对象大多属于易于存放和处理的固体粉末粒子，整个清洗过程中不需引入化学试剂的辅助，这样就避免了对自然环境造成负面危害。等离子体冲击波清洗技术涉及到的应用范围非常广泛，不仅能够满足多种类型的表面污染物的清洗要求，也能实现精准控制。对于困扰微电子基片的纳米颗粒污染，其清洗效果尤为突出，还可以应用于复原油画、文物等领域。在控制清洗参数的条件下可实现将污染物从物体的表面清除的同时不会造成物体的内部损伤。该激光清洗技术清洗精度高，对微纳米量级的粒子清洗也可以实现。激光清洗对工作环境要求很低，不仅可以在实验室中进行，也可以在复杂的室外环境下进行。

图1.2 激光诱导等离子体冲击波清洗纳米粒子原理示意图

激光等离子体冲击波清洗的物理基础

高强度激光入射到空气中，经汇聚透镜聚焦后，诱导空气击穿形成高温高密度的激光等离子体。等离子体快速向四周膨胀，压缩周围的空气，形成等离子体冲击波。由于这种高强度的冲击波的力学效应，使得冲击波与硅片表面纳米粒子相互作用达到某一程度时，能够使纳米粒子脱离基底表面，该过程被称为激光等离子体冲击波清洗技术。

等离子体的产生

通过长程库仑力而集体相互作用着的运动的带电粒子（电子、离子或部分中性粒子）的电中性集合，我们称其为等离子体，也叫物质的第四态。地球上自然存在的等离子体非常少，仅占1%，这是因为气体的电离度在常温下非常低。宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如我们熟知的极光、彗星、闪电等。随着科学技术的发展，人类接触到有关等离子体的方面越来越多，等离子体应用范围非常广泛，如等离子体刻蚀、等离子体显示技术等。

等离子体的产生方式，主要包括以下几种：

(1) 热致电离
产生等离子体的一种最简单的方法是借助热致电离法，任何物质都能产生电离，只要通过简单的加热升温的方法使物质达到足够高的温度，粒子具有了动能，在相互碰撞的过程中，只要有一个粒子发生电离，就会产生等离子体。因此热致电离的产生等离子体机制是粒子间的相互碰撞作用。

(2) 气体放电
实际应用中，大多数情况下的等离子体都产生于气体放电作用。其中主要包括：低气压辉光放电产生等离子体、电弧放电产生等离子体、高频放电产生等离子体。

(3) 激光诱导
激光等离子体的产生过程也被称作等离子体的点燃。把一束高功率激光照射到靶材表面时，由于靶材对激光能量的吸收作用，使靶材表面温度快速升高直至发生气化，此时伴随靶材粒子向外喷溅。激光能量持续作用下，喷溅粒子被电离，最终结果产生了激光等离子体。

图 2.1 激光诱导空气击穿产生等离子体示意图

图2.1所示为激光诱导空气击穿产生等离子体的示意图。激光诱导形成等离子体的过程可以概括分为以下三个阶段：
(1) 光电离阶段：由于原子中的电子在受到激光辐照时发生了光电效应或多光子效应而发生的电离；

(2) 热电离阶段：在高温条件下，快速运动的原子之间发生相互碰撞，导致原子中的电子由基态变成激发态，激发态电子能量超过电离势的原子会被电离；

(3)碰撞电离阶段：在电场作用下带电粒子被加速，并与中性原子碰撞交换能量，使得原子中的电子获得足够高的能量而发生的电离。

激光等离子体冲击波清洗法(laser plasma shockwave cleaning，LPSC)是一种新型清洗技术，其利用高能激光所产生的等离子体膨胀冲击效应实现污染物的去除。总体来看，激光等离子体冲击波清洗技术基于其具有清洗效率高、速度快、普适性强等优势，不仅在半导体产业中清洗硅基表面的微纳米尺寸污染物效果明显，而且可以应用于尺寸较大的污染物的清洗。