等離子體化學(xué)反應(yīng)即在放電氣體中發(fā)生的反應(yīng)。對常溫常壓條件下的氣體通過高溫加速電子加速離子給物質(zhì)以能量,物質(zhì)被解離成陰、陽離子的狀態(tài)。
當(dāng)氣體電離生成電子正離子一般在短時間內(nèi)發(fā)生結(jié)合,回到中性分子狀態(tài),這個過程產(chǎn)生的電子、離子的一部分能量以電磁波等不同形式消耗,在分子離解時常生成自由基,生成的電子結(jié)合中性原子,分子形成負(fù)離子。因此,整個等離子體是電子正負(fù)離子激發(fā)態(tài)原子,原子以及自由基的混合狀態(tài)。
因為各種化學(xué)反應(yīng)都是在高激發(fā)態(tài)下進行的,與經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)完全不同。這樣使等離子體的原子或分子的本性通常都發(fā)生改變,即使是較穩(wěn)定的惰性氣體也會變得具有很強的化學(xué)活潑性。在電場中加速運動的電子和離子具有很大的動能,可以更好地除去表面的氧和殘留的碳等雜質(zhì)。
氫氣作為活潑氣體,其等離子體具有很強的化學(xué)反應(yīng)活性,氫氣等離子體形成的過程如下:
H2 H2+e(1.1)
H2 2H(1.2)
H2+e H2+e(1.3)
H2+e H2+hv+e(1.4)
H2+e 2H+e(1.5)
H2+e-H+H++2e(1.6)
式1.1表示氫氣分子在得到外界能量后變成氫氣陽離子,并放出自由電子的過程。
式1.2表示氫氣分子在得到外界能量后分解形成兩個氫原子自由基的過程。
式1.3表示氫氣分子在具有高能量的激發(fā)態(tài)自由電子作用下轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)。
式1.4一則表示激發(fā)態(tài)的氫氣分子進一步發(fā)生轉(zhuǎn)變,
式1.5中,氫氣回到通常狀態(tài)的同時發(fā)出光能紫外線。式1.5中,激發(fā)態(tài)的氫氣分子分解成兩個氫原子自由基。
式1.6表示氫氣分子在激發(fā)態(tài)自由電子的作用下,分解成氫原子自由基和氫原子陽離子的過程。當(dāng)這些反應(yīng)連續(xù)不斷發(fā)生,就形成里氫氣等離子體。當(dāng)然實際反應(yīng)要比這些反應(yīng)式描述得更為復(fù)雜。
氫氣等離子體清洗過程中起作用的除了氫原子,氫離子和電子外,還有處于激發(fā)狀態(tài)的電中性的氫原子或原子團(又稱自由基),以及氫等離子體發(fā)射出的光線。
因此易于與材料表面的物質(zhì)反應(yīng)形成新的物質(zhì),如水、碳?xì)浠衔锏?。另?氫原子是選擇性的與材料表面的污染物如（C、O）、等反應(yīng),并以揮發(fā)性的CHx和H2O兩種形式消除掉。
