Limpieza por plasma: o cómo el vacío actúa en superficies para dejarlas impecablemente limpias

En alguna ocasión en este blog hemos hablado sobre las aplicaciones del vacío en la industria de los semiconductores, concretamente en la fabricación de baterías de litio y otros componentes electrónicos. Sin embargo, las posibilidades que ofrecen el vacío y la presión van todavía más allá. Esta vez hablaremos de cómo permiten eliminar contaminantes en las superficies de los componentes electrónicos de forma eficaz, no dañina y ecológica para mejorar su rendimiento y prolongar su vida útil, mediante un proceso denominado limpieza por plasma. Además, también explicaremos cómo la limpieza por plasma también se usa en sectores como el médico, el farmacéutico o el aeroespacial.

¿Qué es el plasma?

Antes de explicar qué es la limpieza por plasma, quizá es mejor que aclaremos qué es el plasma. En el Plasma Science and Fusion Center del MIT (Massachusetts Institute of Technology) definen el plasma como materia a temperatura tan alta que los electrones son arrancados de los átomos formando un gas ionizado, lo que también se suele denominar “el cuarto estado de la materia”, más allá del sólido, el líquido y el gas. Como sabemos, al calentar un líquido, hierve y se transforma en gas; pues bien, al calentar un gas a temperaturas muy elevadas, se forma un plasma, a lo que en el MIT se refieren como “una sopa de partículas cargadas positivamente (iones) y partículas cargadas negativamente (electrones)”.

El plasma permite, entre otras aplicaciones que se están investigando, fabricar chips de ordenador y limpiar el medio ambiente.

¿Cómo se logra el plasma?

Como tal vez habremos pensado, lograr las altas temperaturas que requiere calentar un gas hasta que se transforma en plasma no es algo fácil, y menos en atmósfera terrestre. Serían necesarios niveles de energía muy elevados que generarían un calentamiento enorme, perjudicial para el medio ambiente. Es aquí donde interviene el vacío. En un entorno libre de materia se suele producir una descarga eléctrica en un gas percusor como el argón, el oxígeno, el nitrógeno o el neón, y en consecuencia los electrones presentes en el gas se aceleran.

Como sabemos por otros posts anteriores el vacío permite que los átomos y las moléculas del gas se muevan más libremente y por lo tanto se espacien mucho más y más rápido, que es lo que ocurre a altas temperaturas, y los electrones acelerados por el campo eléctrico creado por la aplicación del voltaje entre los dos electrodos colisionan con otros átomos y moléculas evitando las partículas neutras, ionizándose de forma más eficiente. El resultado es la creación de un plasma integrado por iones positivos y electrones libres, como ocurre con un tubo de neón.

¿Qué es la limpieza por plasma?

La limpieza por plasma es un proceso que permite eliminar contaminantes de la superficie de materiales usando gas ionizado, es decir, plasma, que los volatiliza o los convierte en compuestos más volátiles que luego pueden evacuarse de la cámara de vacío en la que se realiza el proceso. Algunos de los contaminantes que puede eliminar el plasma son:

• Residuos orgánicos (aceites, grasas, etc.), que suelen encontrarse en materiales que han sido manipulados.
• Óxidos u otra materia inorgánica, normalmente resultante de la exposición al aire de metales y materiales semiconductores.
• Contaminantes presentes en la atmósfera, como polvo o partículas de humo que se depositan fácilmente sobre cualquier superficie.
• Restos de procesos anteriores, como los que se acumulan en la fabricación y manipulación, como residuos adhesivos o de soluciones de grabado que se usan para definir patrones en circuitos integrados.

Además, la limpieza por plasma puede tratar la superficie de un material con un objetivo determinado, como hacerlo más hidrofilico o mejorar su adherencia, ya que el plasma modifica químicamente las propiedades superficiales del material.

Ventajas de la limpieza por plasma

La limpieza por plasma ofrece algunas ventajas que algunas de sus alternativas, como la limpieza por ultrasonidos, por láser, por CO2, etc., no pueden, como por ejemplo, según el caso:

• Limpia en profundidad y de manera uniforme: el plasma puede penetrar en grietas, poros y otros defectos microscópicos para asegurar una limpieza completa.
• Es versátil: el plasma permite limpiar un amplio rango de materiales, como metales, plásticos, vidrio, etc.
• No daña el material base: al no usarse productos químicos ni agresivos ni abrasivos, como sí ocurre con la limpieza con detergentes, la limpieza por plasma respeta la integridad del material.
• Es respetuosa con el medio ambiente: al no generar residuos peligrosos ni usar productos químicos perjudiciales para el medio ambiente, este tipo de limpieza es más sostenible.
• Puede servir para preparar materiales para otros procesos: el plasma no sólo sirve para limpiar una superficie, sino para hacerla más adecuada para la adherencia de pinturas, adhesivos, etc., ya que modifica químicamente esta superficie.

La limpieza por plasma en vacío paso a paso

Según la aplicación para la que se use, la limpieza por plasma puede tener pasos distintos. Sin embargo, algunos pasos suelen ser comunes independientemente de la sofisticación de los equipos y su aplicación:

1. Preparación del material a limpiar

Se selecciona y se prepara el material o componente a limpiar, y si es necesario, se desmontan o aislan partes que no deben entrar en la cámara de vacío.

2. Introducción del material en la cámara de vacío

El material o componente a limpiar se introduce en la cámara de vacío, que es un espacio sellado en el que se generará el plasma que entrará en contacto con la superficie.

3. Evacuación de gases de la cámara de vacío

Para crear el vacío, se usa una bomba que evacúa el aire y los otros gases ambientales dentro de la cámara. De esta manera si reduce la presión y se genera el ambiente controlado que permitirá ionizar el gas percusor que se introducirá a continuación.

4. Introducción en la cámara del gas precursor

Se inyecta en el interior de la cámara un gas o mezcla de gases (argón, oxígeno, nitrógeno, neón), que se ionizarán para lograr el plasma.

5. Aplicación de la descarga eléctrica

Aplicando voltaje en electrodos u ondas de radiofrecuencia, se ioniza el gas precursor, cuyos electrones se acelerarán de la forma que hemos explicado anteriormente.

6. Generación del plasma

Al colisionar las partículas se ionizan hasta formar un plasma, que es lo que en el MIT llamaban sopa de iones, electrones y otras especies reactivas.

7. Limpieza de la superficie del material

Las partículas activas del plasma interactúan con la superficie del material y rompen los enlaces de los contaminantes, volatilizándolos o transformándolos en compuestos más volátiles, fáciles de evacuar de la cámara. Esta parte del proceso puede ser de una duración muy variable, de unos minutos a horas, según la dificultad de la limpieza.

8. Finalización de la descarga

Se corta la corriente para detener la generación de plasma y se vuelve a introducir aire o un gas inerte, como el argón, para que la presión de la cámara vuelva a ser la atmosférica.

9. Evacuación de los compuestos volátiles

Si se han transformado los contaminantes en compuestos más volátiles, se evacúan de la cámara mediante una bomba a presión.

10. Retirada del material

Se extrae el material o componente totalmente limpio de la cámara, listo para el siguiente proceso, que puede ser también en condiciones de vacío (por ejemplo, deposición al vacío) para que no vuelvan a depositarse en él nuevos contaminantes.

Aplicaciones de la limpieza por plasma

La limpieza por plasma puede ser útil a una amplia variedad de empresas e industrias, entre otras:

• Industria electrónica y de semiconductores: las superficies como los wafers de los altavoces o los componentes electrónicos como los microchips deben estar extremadamente limpios y libres de contaminantes para poder depositar encima películas delgadas, como la soldadura o la litografía.
• Industria médica: para asegurar que dispositivos implantables como las válvulas cardíacas o las prótesis son totalmente estériles se puede usar plasma para eliminar contaminantes, también llamado esterilización al vacío.
• Industria aeroespacial: existen muchas piezas y componentes usados en la industria aeroespacial que deben estar totalmente limpios para garantizar su buen funcionamiento y alargar su vida útil, por lo que la limpieza por plasma es una buena alternativa.
• Industria óptica: hay muchas situaciones en las que una lente o cualquier otro componente óptico debe estar libre del más mínimo contaminante para poder transmitir y reflejar correctamente la luz.

Bombas de vacío para limpieza por plasma

Las bombas que se usan en las cámaras de vacío para limpieza por plasma deben ser compatibles con los gases que se usen para generarlo, alcanzar niveles de vacío que permitan la ionización sin necesidad de elevadas temperaturas, una capacidad de bombeo que haga posible mantener un nivel de vacío concreto y resistencia a la contaminación, ya que en el proceso se pueden generar partículas con las que la bomba debe lidiar.

Algunas de las bombas de vacío adecuadas para la limpieza por plasma pueden ser las de paletas rotativas, que son una de las más versátiles que existen, así como las de pistón, entre otras. En Marpa Vacuum asesoramos a las empresas que requieran llevar a cabo este tipo de limpieza, como las de la industria de los semiconductores, la farmacéutica o la aeronáutica, desde la compra de un equipo hasta la instalación de sistemas llaves en mano.