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Limpieza con plasma

Fig. 1. La superficie de un dispositivo MEMS se limpia con plasma de oxígeno azul brillante en un grabador de plasma para eliminar los contaminantes de carbono. (100 mTorr, 50 W RF)

La limpieza con plasma consiste en eliminar impurezas y contaminantes de superficies mediante el uso de un plasma energético o un plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD) creado a partir de especies gaseosas. Se utilizan gases como el argón y el oxígeno , así como mezclas como el aire y el hidrógeno/nitrógeno. El plasma se crea utilizando voltajes de alta frecuencia (normalmente de kHz a >MHz) para ionizar el gas a baja presión (normalmente alrededor de 1/1000 de la presión atmosférica), aunque ahora también son comunes los plasmas a presión atmosférica. [1]

Métodos

En el plasma, los átomos de gas se excitan hasta alcanzar estados de mayor energía y también se ionizan. A medida que los átomos y las moléculas se "relajan" hasta alcanzar sus estados normales de menor energía, liberan un fotón de luz, lo que produce el "brillo" o la luz característicos asociados al plasma. Los distintos gases producen distintos colores. Por ejemplo, el plasma de oxígeno emite un color azul claro.

Las especies activadas de un plasma incluyen átomos , moléculas , iones , electrones , radicales libres , metaestables y fotones en el rango ultravioleta de onda corta (UV de vacío o VUV, por sus siglas en inglés). Esta mezcla luego interactúa con cualquier superficie colocada en el plasma.

Si el gas utilizado es oxígeno, el plasma es un método eficaz, económico y ambientalmente seguro para la limpieza crítica. La energía VUV es muy eficaz en la ruptura de la mayoría de los enlaces orgánicos (es decir, C–H, C–C, C=C, C–O y C–N) de los contaminantes de la superficie. Esto ayuda a descomponer los contaminantes de alto peso molecular. Una segunda acción de limpieza la llevan a cabo las especies de oxígeno creadas en el plasma (O2 + , O2− , O3 , O , O + , O− , ozono ionizado, oxígeno excitado metaestable y electrones libres). [2] Estas especies reaccionan con contaminantes orgánicos para formar H2O , CO, CO2 e hidrocarburos de menor peso molecular. Estos compuestos tienen presiones de vapor relativamente altas y se evacuan de la cámara durante el procesamiento. La superficie resultante es ultralimpia. En la Fig. 2, se muestra un contenido relativo de carbono sobre la profundidad del material antes y después de la limpieza con oxígeno excitado [1] .

Fig. 2. Contenido de carbono sobre la profundidad del material z: antes del tratamiento de la muestra - puntas de diamante y después del tratamiento durante 1 s - puntas cuadradas

Si la pieza está compuesta por materiales fácilmente oxidables, como plata o cobre, el tratamiento utiliza gases inertes, como argón o helio. Los átomos e iones activados por plasma se comportan como un chorro de arena molecular y pueden descomponer los contaminantes orgánicos. Estos contaminantes se vaporizan durante el procesamiento y se evacuan de la cámara.

La mayoría de estos subproductos son pequeñas cantidades de gases, como dióxido de carbono y vapor de agua, con trazas de monóxido de carbono y otros hidrocarburos.

La eliminación completa o no de la materia orgánica se puede evaluar con mediciones del ángulo de contacto . Cuando hay un contaminante orgánico, el ángulo de contacto del agua con el dispositivo es alto. La eliminación del contaminante reduce el ángulo de contacto a la característica del contacto con el sustrato puro. Además, la XPS y el AFM se utilizan a menudo para validar aplicaciones de limpieza y esterilización de superficies. [3]

Si una superficie a tratar está recubierta con una capa conductora estampada (metal, ITO ), el tratamiento por contacto directo con plasma (capaz de contracción hasta microarcos) podría ser destructivo. En este caso, se puede aplicar la limpieza mediante átomos neutros excitados en plasma hasta el estado metaestable. [4] Los resultados de las mismas aplicaciones a superficies de muestras de vidrio recubiertas con capas de Cr e ITO se muestran en la Fig. 3.

Fig. 3. Ángulo de contacto de una gota de agua de 5 μl sobre vidrio recubierto con diferentes materiales.

Después del tratamiento, el ángulo de contacto de una gota de agua disminuye hasta llegar a ser menor que su valor en la superficie sin tratar. En la figura 4, se muestra la curva de relajación de la huella de la gota para una muestra de vidrio. En el recuadro de la figura 4 se muestra una fotografía de la misma gota en la superficie sin tratar. El tiempo de relajación de la superficie correspondiente a los datos que se muestran en la figura 4 es de aproximadamente 4 horas.

La incineración por plasma es un proceso que utiliza la limpieza por plasma únicamente para eliminar el carbono. La incineración por plasma siempre se realiza con gas O2 . [ 5]

Fig. 4. Área superficial de una gota de agua de 5 μl de volumen sobre una superficie de vidrio en función del tiempo t después de su tratamiento. La gota sobre vidrio sin tratar se muestra en el recuadro.

Aplicaciones

Fig. 5. Limpieza de una superficie metálica con haz de plasma

Limpieza y esterilización

La limpieza con plasma elimina la contaminación orgánica a través de una reacción química o la ablación física de los hidrocarburos en las superficies tratadas. [3] Los gases de proceso químicamente reactivos (aire, oxígeno) reaccionan con monocapas de hidrocarburos para formar productos gaseosos que son arrastrados por el flujo de gas continuo en la cámara de limpieza con plasma. [6] La limpieza con plasma se puede utilizar en lugar de procesos químicos húmedos, como el grabado con piraña, que contienen sustancias químicas peligrosas, aumentan el peligro de contaminación de los reactivos y corren el riesgo de grabar las superficies tratadas. [6]

Ciencias de la vida

La viabilidad, función, proliferación y diferenciación celular están determinadas por la adhesión a su microambiente. [8] El plasma se utiliza a menudo como un medio libre de químicos para agregar grupos funcionales biológicamente relevantes (carbonilo, carboxilo, hidroxilo, amina, etc.) a las superficies de los materiales. [9] Como resultado, la limpieza con plasma mejora la biocompatibilidad o bioactividad del material y elimina proteínas y microbios contaminantes. Los limpiadores de plasma son una herramienta general en las ciencias de la vida, y se utilizan para activar superficies para cultivos celulares , [10] ingeniería de tejidos , [11] implantes y más.

Ciencias de los materiales

La humectación y modificación de superficies es una herramienta fundamental en la ciencia de los materiales para mejorar las características de los materiales sin afectar las propiedades generales. La limpieza con plasma se utiliza para alterar la química de las superficies de los materiales mediante la introducción de grupos funcionales polares. El aumento de la hidrofilia (humectación) de la superficie después del tratamiento con plasma mejora la adhesión con recubrimientos acuosos, adhesivos, tintas y epoxis:

Microfluídica

Los dispositivos microfluídicos aprovechan las características únicas del flujo de fluidos a escala micro o nanométrica para una amplia variedad de aplicaciones de investigación. El material más utilizado para la creación de prototipos de dispositivos microfluídicos es el polidimetilsiloxano (PDMS), por su rápido desarrollo y sus propiedades ajustables. La limpieza con plasma se utiliza para unir permanentemente chips microfluídicos de PDMS con portaobjetos de vidrio o placas de PDMS para crear microcanales herméticos. [24]

El plasma se ha utilizado para mejorar el rendimiento de las células solares y la conversión de energía en dispositivos fotovoltaicos:

Referencias

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