等离子清洗

设备的表面在等离子体蚀刻中利用明亮的蓝色氧等离子体进行清洗，以去除碳污染物。（100 mTorr，50 W RF）]]
等离子清洗（Plasma cleaning）是通过使用由气体物质产生的能量较高的等离子体或（DBD）等离子体，去除表面杂质和污染物的过程。常用的气体包括氩和氧，以及空气和氢/氮混合物等。等离子体是通过使用高频电压（通常为kHz至>MHz）使低压气体（通常约为大气压的 1/1000）电离而产生的，尽管大气压等离子体现在也十分常见。

方法
在等离子体中，气体原子被激发到较高的能态并发生电离。当原子和分子“弛豫”到正常的低能态时，会释放出光子，从而产生与等离子体相关的特征性“辉光”或光。不同的气体会产生不同的颜色。例如，氧等离子体会发出浅蓝色光。

等离子体的活性物质包括原子、分子、离子、电子、自由基、亚稳态粒子以及短波紫外线（简称VUV，即真空紫外线）范围内的光子。这些混合物随后与置于等离子体中的任何表面发生相互作用。

如果使用的气体是氧气，那么等离子体是一种有效、经济且环境安全的关键清洗方法。VUV能量在断裂表面污染物的大多数有机键（即 C–H、C–C、C=C、C–O 和 C–N）方面非常有效。这有助于分解高分子量污染物。第二种清洗作用由等离子体中产生的氧物质（O_{2}^{+}、O_{2}^{-}、O_{3}、O、O^{+}、O^{-}、电离臭氧、亚稳激发氧和自由电子）完成。这些物质与有机污染物反应，生成H_{2}O、CO、CO_{2}和低分子量烃。这些化合物具有相对较高的蒸氣壓，并在处理过程中从腔室内排出。所得表面是超净的。图2显示了使用激发氧处理前后，相对于材料深度的碳含量变化。

如果部件由易氧化的材料（如银或铜）组成，则改用氩或氦等惰性气体进行处理。等离子体激活的原子和离子表现得像分子喷砂，可以分解有机污染物。这些污染物在处理过程中汽化并从腔室内排出。

这些副产物大部分是少量的气体，如二氧化碳和水蒸气，以及微量的一氧化碳和其他烃类。

是否完全去除了有机物可以通过接觸角测量来评估。当存在有机污染物时，水与设备接触角较高。污染物的去除会将接触角降低到与纯基底接触时的特征值。此外，XPS和AFM也常用于验证表面清洗和灭菌应用。

如果待处理的表面涂有图案化的导电层（金属、ITO），直接接触等离子体（可能收缩形成微弧）的处理可能会具有破坏性。在这种情况下，可以采用由等离子体激发至亚稳态的中性原子进行清洗。将相同应用应用于涂有Cr和ITO层玻璃样品的结果如图3所示。

处理后，水滴的接觸角会减小，变得比未处理表面的值更小。在图4中，显示了玻璃样品液滴足迹的弛豫曲线。图4插图中显示了相同液滴在未处理表面上的照片。图4所示数据对应的表面弛豫时间约为4小时。

（Plasma ashing）是一种仅利用等离子清洗来去除碳的过程。等离子灰化始终使用氧气进行。

应用
清洗与灭菌
等离子清洗通过化学反应或对处理表面烃类的物理消融来去除有机污染。等离子清洗可替代含有危险化学品、增加试剂污染风险并可能蚀刻处理表面的湿化学工艺（如食人鱼蚀刻）。

生命科学
细胞的活力、功能、增殖和分化取决于其对微环境的黏附。等离子体常被用作一种无化学物质的方法，向材料表面添加具有生物学意义的功能基团（如羰基、羧基、羟基、胺基等）。因此，等离子清洗可以提高材料的生物相容性或生物活性，并去除污染的蛋白质和微生物。等离子清洗器是生命科学中的通用工具，用于活化表面以进行细胞培养、组织工程、植入物等。

• 组织工程基底不鏽鋼螺钉
• 长期细胞限制研究
• 用于图案化细胞培养基底的等离子光刻术
• 根据黏附强度进行
• 利用等离子激活钢屑去除抗生素
• 单细胞测序

材料科学
表面润湿与改性是材料科学中的一项基本工具，可在不影响体相性质的情况下增强材料特性。等离子清洗通过引入极性官能团来改变材料表面化学性质。等离子处理后增加的表面亲水性（润湿性）可改善与水性涂层、粘合剂、油墨和环氧树脂的黏附力：

• 增强石墨烯薄膜的热电功率
• 聚合物半导体异质结构中的功函数增强
• 提高超高模量聚乙烯（Spectra）纤维和芳纶纤维的黏附性
• 用于纳米级表面结构和量子点的等离子光刻术
• 薄膜的微图案化

微流控
微流控设备利用微尺度或纳米尺度流动的独特特性来进行各种研究应用。由于开发迅速且材料性质可调，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流控设备原型设计中最广泛使用的材料。等离子清洗用于将PDMS微流控芯片与玻璃片或PDMS板永久键合，以制造水密的微通道。

• 血浆分离
• 单细胞RNA测序
• 微流控设备中的润湿性图案化
• 微流控设备亲水性的长期保持
• 提高对聚丙烯的黏附力

太阳能电池和光伏技术
等离子体已用于增强太阳能电池的性能以及光伏器件内的能量转换：

• 减少氧化钼（MoO3）可增强短路电流密度
• 改性TiO2纳米片以提高产氢效率
• 增强PEDOT:PSS的导电性，以提高无ITO钙钛矿太阳能电池的效率

参考