碳元素广泛存在于油脂、燃料等各种有机、无机化合物中,油脂、燃料等物质的不完全分解往往会在汽车与航空发动机、石化设备、光学设备镜片等的使用过程中产生积碳现象,从而影响相应设备的运行性能。同时,因应用场景的不同,碳污染的类型亦不相同,比如在发动机中主要是有机或无机的含碳化合物,而光学镜片上则是以单质碳为主。因此,为减小碳污染对设备运行性能的影响,针对不同的应用场景需要采用不同的除碳技术与方法。

在电子封装领域的玻璃绝缘子制造中碳污染以石墨的形式存在。如图1所示,玻璃绝缘子是一种在微电子封装中起绝缘支撑、连接内外电路作用的封接件,被广泛应用于集成电路、分立器件的金属封装中。玻璃绝缘子在经过高温烧结后产品表面会被石墨污染,特别是由于金属与石墨的热膨胀系数不同,导致烧结过程中金属引线与石墨模具发生干涉,使石墨颗粒嵌入金属表面。由于石墨本身具有导电性,电镀时金属离子会沉积在石墨颗粒上造成镀层表面结瘤。通常零件在电镀前都需要经过多次化学清洗和刷洗,但石墨基本不与酸、碱反应,嵌入金属表面的石墨颗粒更是难以被物理刷洗去除,因此不可避免会有少量的石墨残留造成电镀缺陷。

图1  玻璃绝缘子实物图

等离子体清洗去除碳污染原理

等离子体清洗作为一种温和且高效的清洗技术被越来越多地用于去除光学器件上的碳污染，其原理是利用等离子体中激发的活性氧原子或氢原子与碳反应生成挥发性物质进而去除污染。相较于紫外臭氧清洗、原子氢清洗,等离子体中激发的活性物质密度更高,同时还有高能粒子的物理作用相配合,使等离子体清洗效率更高。此外,非平衡的冷等离子体温度接近于常温,因此不会对基材造成热影响。这些特点使等离子体清洗适合于不耐高温且需要精密清洗的零件。

随着等离子体技术的发展,低成本、高灵活性的等离子体清洗技术成为了现实。射频等离子体已被广泛用于光学器件的清洗,以去除非晶碳膜(a-C)、氢化非晶碳膜(a-C:H)。

石墨在空气中700℃时才与氧气反应并分解为CO₂，石墨在高温下与空气中氧气反应的化学反应方程式如下:

C(s)+O(g)=CO₂(g)

由于常温下的粒子平均动能不足,所以反应难以持续进行。等离子体中含有大量的高能电子可以为化学反应提供驱动力，这些高能电子可以促使化学键断裂，从而促使电离产生的氧自由基和臭氧分子与表面碳污染层发生化学反应生成易挥发物质CO、CO2等,以清洗材料表面碳污染。

C⁺+O+e→CO

C⁺+O+O+e→CO₂