プラズマ洗浄

プラズマ洗浄は、ガス種から生成される高エネルギープラズマまたは誘電体バリア放電（DBD）プラズマを使用して、表面から不純物や汚染物質を除去することです。アルゴンや酸素などのガス、および空気と水素/窒素などの混合物が使用されます。プラズマは、低圧ガス（通常、大気圧の約1/1000）をイオン化するために高周波電圧（通常、kHzから>MHz）を使用して生成されますが、大気圧プラズマも現在では一般的です。^[1]

プラズマでは、ガス原子はより高いエネルギー状態に励起され、イオン化されます。原子と分子が通常のより低いエネルギー状態に「緩和」すると、光子が放出され、その結果、プラズマに関連する特徴的な「輝き」または光が生じます。ガスの種類によって色が異なります。たとえば、酸素プラズマは明るい青色を発します。

プラズマの活性種には、短波紫外線（真空紫外線、略して VUV）範囲の原子、分子、イオン、電子、フリーラジカル、準安定状態、光子が含まれます。この混合物は、プラズマ内に置かれたあらゆる表面と相互作用します。

使用されるガスが酸素であれば、プラズマはクリティカルクリーニングのための効果的で経済的、かつ環境に安全な方法です。VUV エネルギーは、表面汚染物質のほとんどの有機結合 (C–H、C–C、C=C、C–O、C–N) を破壊するのに非常に効果的です。これは、高分子量の汚染物質を分解するのに役立ちます。2 番目のクリーニング動作は、プラズマで生成された酸素種 (O ₂ ⁺、O ₂ ⁻、O ₃、O、O ⁺、O ⁻、イオン化オゾン、準安定励起酸素、自由電子) によって実行されます。^[2]これらの種は有機汚染物質と反応して、H ₂ O、CO、CO ₂、および低分子量炭化水素を形成します。これらの化合物は蒸気圧が比較的高いため、処理中にチャンバーから排出されます。結果として得られる表面は超クリーンです。図 2 は、励起酸素によるクリーニングの前後の材料の深さに対する炭素の相対含有量を示しています^[1]。

部品が銀や銅などの酸化されやすい材料で構成されている場合は、代わりにアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを使用して処理します。プラズマで活性化された原子とイオンは分子サンドブラストのように動作し、有機汚染物質を分解します。これらの汚染物質は処理中に気化してチャンバーから排出されます。

これらの副産物のほとんどは、微量の一酸化炭素やその他の炭化水素を含む二酸化炭素や水蒸気などの少量のガスです。

有機物の除去が完了しているかどうかは、接触角測定によって評価できます。有機汚染物質が存在する場合、デバイスと水の接触角は高くなります。汚染物質が除去されると、接触角は純粋な基板との接触特性まで低下します。さらに、XPS と AFM は、表面洗浄および滅菌アプリケーションの検証によく使用されます。^[3]

処理対象の表面がパターン化された導電層（金属、ITO）でコーティングされている場合、プラズマ（マイクロアークに収縮する可能性がある）との直接接触による処理は破壊的になる可能性があります。この場合、プラズマで励起された中性原子を準安定状態にする洗浄を適用できます。^[4] CrおよびITO層でコーティングされたガラスサンプルの表面への同じ適用結果を図3に示します。

処理後、水滴の接触角は未処理表面の値よりも小さくなります。図 4 に、ガラスサンプルの液滴フットプリントの緩和曲線を示します。未処理表面上の同じ液滴の写真を図 4 の挿入図に示します。図 4 に示すデータに対応する表面緩和時間は約 4 時間です。

プラズマ灰化は、プラズマ洗浄のみを使用して炭素を除去するプロセスです。プラズマ灰化は常にO2ガスを使用して行われます_。 [ ^5]

プラズマ洗浄は、処理された表面上の炭化水素の化学反応または物理的アブレーションを通じて有機汚染を除去します。^[3]化学反応性プロセスガス（空気、酸素）は炭化水素単分子層と反応してガス状生成物を形成し、プラズマクリーナーチャンバー内の連続ガス流によって除去されます。^[6]プラズマ洗浄は、危険な化学物質を含み、試薬汚染の危険性を高め、処理された表面をエッチングするリスクがあるピラニアエッチングなどの湿式化学プロセスの代わりに使用できます。^[6]

• 金表面からのアルカンチオレート自己組織化単分子膜の除去^[6]
• バイオメディカル機器上の残留タンパク質^[3]
• ナノ電極洗浄^[7]

細胞の生存、機能、増殖、分化は、その微小環境への接着によって決まります。^[8]プラズマは、化学的に無用な方法で生物学的に関連する官能基（カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシル、アミンなど）を材料表面に付加する手段としてよく使用されます。^[9]その結果、プラズマ洗浄は材料の生体適合性または生体活性を改善し、汚染タンパク質や微生物を除去します。プラズマ洗浄機は生命科学の一般的なツールであり、細胞培養、^[10] 組織工学、^[11]インプラントなどの表面を活性化するために使用されています。

• 組織工学基質^[11]
• ポリエチレンテレフタレート（PET）細胞接着^[10]
• インプラントの生体適合性の向上：血管移植、^[12]ステンレス鋼製ネジ^[13]
• 長期細胞閉じ込め研究^[14]
• 細胞培養基板のパターン形成のためのプラズマリソグラフィー^[15]
• 接着強度による細胞選別^[16]
• プラズマ活性化鋼片による抗生物質除去^[17]
• 単一細胞シークエンシング^[18]

表面の濡れと改質は、バルク特性に影響を与えずに材料特性を向上させる材料科学の基本的なツールです。プラズマ洗浄は、極性官能基の導入によって材料表面の化学特性を変えるために使用されます。プラズマ処理後の表面親水性（濡れ性）の向上により、水性コーティング、接着剤、インク、エポキシとの接着性が向上します。

• グラフェンフィルムの熱起電力の向上^[19]
• ポリマー半導体ヘテロ構造における仕事関数の増大^[20]
• 超高弾性ポリエチレン（スペクトラ）繊維とアラミド繊維の接着性の向上^[21]
• ナノスケール表面構造と量子ドットのためのプラズマリソグラフィー^[22]
• 薄膜のマイクロパターニング^[23]

マイクロ流体デバイスは、マイクロまたはナノスケールの流体の流れのユニークな特性を利用して、さまざまな研究用途に使用されています。マイクロ流体デバイスのプロトタイピングに最も広く使用されている材料は、開発が迅速で材料特性を調整できるため、ポリジメチルシロキサン（PDMS）です。プラズマ洗浄は、PDMSマイクロ流体チップをガラススライドまたはPDMSスラブに永久的に結合して、防水マイクロチャネルを作成するために使用されます。^[24]

• 血漿分離^[25]
• 単一細胞RNAシークエンシング^[18]
• 電気浸透流バルブ^[26]
• マイクロ流体デバイスにおける濡れ性パターン形成^[27]
• マイクロ流体デバイスの親水性の長期保持^[28]
• ポリプロピレンへの接着性の向上^[29]

プラズマは、太陽電池の性能と光起電装置内のエネルギー変換を向上させるために使用されてきました。

• モリブデン酸化物（MoO ₃）の還元により短絡電流密度が増加する^[30]
• _TiO2ナノシートを改質して水素生成を改善する^[31]
• PEDOT:PSSの導電性の向上によりITOフリーペロブスカイト太陽電池の効率が向上^[32]