[📚세미피디아] Plasma cleaning이란?

Plasma cleaning

https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_cleaning

플라즈마 클리닝은 기체 종으로부터 생성된 에너지 플라즈마 또는 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마를 사용하여 표면으로부터 불순물과 오염 물질을 제거하는 것이다. 아르곤, 산소 및 공기, 수소/질소 혼합물 등의 기체가 사용된다. 플라즈마는 고주파 전압(일반적으로 kHz ~ >MHz)을 사용하여 저압 기체(일반적으로 대기압의 1/1000 정도)를 이온화시켜 생성되지만, 현재는 대기압 플라즈마도 일반적이다.

그림 1은 MEMS 소자의 표면을 플라즈마 에처의 밝고 파란색 산소 플라즈마로 클리닝하여 탄소 오염물질을 제거하는 모습을 보여줍니다. 이때의 공정 조건은 100mTorr의 압력과 50W RF 전력입니다. 산소 플라즈마는 MEMS 소자 표면에 존재하는 유기 오염물질을 효과적으로 제거하고 청정한 표면을 만듭니다.

방법

플라즈마에서 기체 원자는 높은 에너지 상태로 여기되고 이온화된다. 원자와 분자가 정상적인 낮은 에너지 상태로 '이완'될 때 빛의 광자를 방출하며, 이로 인해 플라즈마와 관련된 특징적인 "발광"이 생긴다. 서로 다른 기체는 서로 다른 색을 내놓는다. 예를 들어 산소 플라즈마는 옅은 파란색 빛을 내놓는다.

플라즈마의 활성화 종에는 원자, 분자, 이온, 전자, 자유 라디칼, 메타스테이블, 그리고 진공 자외선(VUV) 범위의 짧은 파장 자외선이 포함된다. 이 혼합물은 플라즈마 내에 놓인 모든 표면과 상호작용한다.

사용되는 기체가 산소인 경우, 플라즈마는 중요한 클리닝을 위한 효과적이고 경제적이며 환경 친화적인 방법이다. VUV 에너지는 표면 오염 물질의 대부분의 유기 결합(예: C-H, C-C, C=C, C-O 및 C-N)을 효과적으로 분해한다. 이는 고분자량 오염 물질을 분해하는 데 도움이 된다. 두 번째 클리닝 작용은 플라즈마에서 생성된 산소 종(O2+, O2-, O3, O, O+, O-, 이온화된 오존, 메타안정 여기 산소 및 자유 전자)에 의해 수행된다. 이러한 종들은 유기 오염 물질과 반응하여 H2O, CO, CO2 및 저분자량 탄화수소를 형성한다. 이러한 화합물들은 비교적 높은 증기압을 가지며 가공 중에 챔버에서 배출된다. 그 결과 표면은 초청정 상태가 된다. 그림 2에서는 클리닝 전후 여기된 산소에 대한 재료 깊이에 따른 상대적 탄소 함량이 나타나 있다.

그림 2는 샘플 처리 전과 1초 동안 처리 후의 재료 깊이 z에 따른 상대적인 탄소 함량을 보여줍니다.  다이아몬드 포인트는 처리 전의 탄소 함량을, 사각형 포인트는 1초 동안 플라즈마 처리 후의 탄소 함량을 나타냅니다. 그래프를 보면 플라즈마 처리 후 표면에서의 탄소 함량이 크게 감소한 것을 확인할 수 있습니다. 이는 플라즈마 클리닝이 효과적으로 표면 오염 물질을 제거함을 의미합니다.

제품이 은이나 구리와 같은 쉽게 산화되는 재료로 구성되어 있는 경우, 처리 시 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 기체를 대신 사용한다. 플라즈마 활성화된 원자와 이온은 분자 샌드블라스팅과 같은 역할을 하며 유기 오염 물질을 분해할 수 있다. 이러한 오염 물질은 가공 중에 기화되어 챔버에서 배출된다.

이러한 부산물 대부분은 이산화탄소, 수증기와 미량의 일산화탄소 및 기타 탄화수소 등의 기체이다.

유기물 제거가 완전한지 여부는 접촉각 측정을 통해 평가할 수 있다. 유기 오염 물질이 존재하면 물과 소자의 접촉각이 높다. 오염 물질 제거 시 접촉각이 순수 기판과의 접촉각 특성으로 감소한다. 또한 XPS와 AFM은 종종 표면 세정 및 살균 응용 분야를 검증하는 데 사용된다.

처리될 표면이 패턴화된 전도성 층(금속, ITO)으로 코팅되어 있는 경우 플라즈마(마이크로아크로 수축 가능)와의 직접 접촉에 의한 처리는 파괴적일 수 있다. 이 경우, 플라즈마에서 여기된 중성 원자를 메타안정 상태로 적용하여 세정할 수 있다. 크롬 및 ITO 층으로 코팅된 유리 샘플 표면에 대한 동일 응용의 결과가 그림 3에 나와 있다.

그림 3. 다양한 재료로 코팅된 유리 위 5μl 물방울의 접촉각

처리 후 물방울의 접촉각이 감소하여 미처리 표면에서보다 작아진다. 그림 4에는 유리 샘플에 대한 방울 족적의 이완 곡선이 나와 있다. 그림 4 삽입 그림은 미처리 표면에서 동일한 방울의 사진이다. 그림 4의 데이터에 해당하는 표면 이완 시간은 약 4시간이다.

플라즈마 애싱은 탄소 제거를 위해 플라즈마 세정만을 사용하는 공정이다. 플라즈마 애싱은 항상 O2 가스를 사용한다.

응용 분야

그림 4. 처리 후 시간 t에 따른 유리 표면 위 5μl 부피 물방울 족적의 표면적 변화 그래프입니다. 삽입 그림은 미처리 유리 표면에서의 물방울 모습입니다.

클리닝 및 살균

플라즈마 클리닝은 처리된 표면의 탄화수소에 대한 화학 반응 또는 물리적 절삭을 통해 유기 오염 물질을 제거한다. 화학적으로 반응성이 있는 공정 가스(공기, 산소)는 탄화수소 단분자층과 반응하여 기체 생성물을 형성하고, 이는 플라즈마 클리너 챔버의 연속 가스 흐름에 의해 제거된다. 플라즈마 클리닝은 위험한 화학 물질을 포함하고, 시약 오염 및 처리 표면 식각 위험을 증가시키는 피라냐 식각과 같은 습식 화학 공정 대신 사용될 수 있다.

• 금 표면에서 알칸티올레이트 자기조립단분자막 제거
• 의료 기기에 남아있는 단백질
• 나노전극 클리닝

Fig. 5. Plasma beam cleaning a metal surface

생명 과학

세포 활력, 기능, 증식 및 분화는 미시환경에 대한 부착에 의해 결정된다. 플라즈마는 무료 화학 물질로 재료 표면에 생물학적 관련 기능기(카르보닐, 카르복실, 히드록실, 아민 등)를 추가하는 데 자주 사용된다. 그 결과 플라즈마 클리닝은 재료의 생체적합성 또는 생체활성을 개선하고 오염 단백질과 미생물을 제거한다. 플라즈마 클리너는 세포 배양, 조직 공학, 임플란트 등에 사용되는 생명 과학 분야의 일반적인 도구이다.

• 조직 공학 기판
• 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 세포 부착
• 임플란트의 생체적합성 개선: 혈관 이식편, 스테인리스강 나사
• 장기 세포 구속 연구
• 세포 배양 기판 패터닝을 위한 플라즈마 리소그래피
• 부착력의 강도에 따른 세포 분류
• 플라즈마 활성화 스틸 샤빙에 의한 항생제 제거
• 단일 세포 시퀀싱

재료 과학

표면 젖음성과 개질은 물질의 벌크 특성에 영향을 주지 않고 재료 특성을 향상시키기 위한 재료 과학에서 근본적인 도구이다. 플라즈마 세정은 극성 작용기를 도입하여 재료 표면 화학을 변화시키는 데 사용된다. 플라즈마 처리 후 증가한 표면 친수성(젖음성)은 수성 코팅, 접착제, 잉크 및 에폭시와의 접착력을 향상시킨다.

• 그래핀 필름의 향상된 열전력이다
• 고분자 반도체 이종접합에서 일함수 향상이다
• 초고강성 폴리에틸렌(Spectra) 섬유 및 아라미드 섬유의 접착력 향상이다
• 나노스케일 표면 구조 및 양자점을 위한 플라즈마 리소그래피이다
• 박막의 마이크로패터닝이다

마이크로유체

• 단일 세포 RNA 시퀀싱이다
• 전기삼투 흐름 밸브이다
• 마이크로유체 장치에서 습윤성 패턴이다
• 마이크로유체 장치 친수성의 장기 유지이다
• 폴리(프로필렌)에 대한 접착력 향상이다

태양전지 및 광전지

플라즈마는 태양 전지의 성능과 광전지 내의 에너지 변환을 향상시키는 데 사용되었다.

• 몰리브덴 산화물(MoO3) 감소는 단락전류밀도를 향상시킨다
• TiO2 나노시트 변형은 수소 발생을 개선한다
• PEDOT:PSS의 전도성 향상은 ITO 무료 페로브스카이트 태양전지에서 더 나은 효율을 가져온다