等离子清洗技术

等离子清洗技术

张国柱,杜海文,刘丽琴

(UNDP 援建中国非ODS 清洗设备制造中心,太原　030024)

摘要:环境污染控制,人员劳动保护,技术应用,在高密度电子组装、精密机械制造中,湿法清洗

工艺日渐局限,干法清洗的机理及应用研究日趋紧迫,等离子体清洗技术在干法清洗中优势明显。文章的主要内容是等离子体清洗的机理及低温等离子体技术清洗的工艺。

关键词:等离子清洗/刻蚀;原理;工艺

中图分类号:TM505 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2001)04-0031-04

收稿日期:2001-10-20

1　概 述

电子工业清洗是一个很广的概念,包括任何与去除污染物有关的工艺,但针对不同的对象,清洗的方法有很大的区别。目前在电子工业中已广泛应用的物理化学清洗方法,从运行方式来看,大致可分为两种:湿法清洗和干法清洗。湿法清洗已经在电子工业生产中广泛应用,清洗主要依靠物理和化学(溶剂)的作用,如在化学活性剂吸附、浸透、溶解、离散作用下辅以超声波、喷淋、旋转、沸腾、蒸气、摇动等物理作用下去除污渍,这些方法清洗作用和应用范围各有不同,清洗效果也有一定差别。CFC 清洗在过去的清洗工艺中占有最重要的地位,但由于其损耗大气臭氧层,而被限制使用。对于替代工艺,在清洗过程中,不可避免地存在需后续工序的烘干(ODS 类清洗不需烘干,但污染大气臭氧层,目前限制使用)及废水处理,人员劳动保护方面的较高投入,特别是电子组装技术、精密机械制造的进一步发展,对清洗技术提出越来越高的要求。环境污染控制也使得湿法清洗的费用日益增加。

相对而言,干法清洗在这些方面有较大优势,特别是以等离子清洗技术为主的清洗技术已逐步在半导体、电子组装、精密机械等行业开始应用。因此,有必要了解等离子清洗的机理及其应用工艺。

2　等离子体清洗机理

等离子体技术在本世纪60年代起就开始应用于化学合成、薄膜制备、表面处理和精细化工等领域,在大规模或超大规模集成电路工艺干法化、低温化方面,近年来也开发应用了等离子体聚合、等离子体蚀刻、等离子体灰化及等离子体阳极氧化等全干法工艺技术。等离子清洗技术也是工艺干法化的进步成果之一。

与湿法清洗不同,等离子清洗的机理是依靠处于“等离子态”的物质的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。从目前各类清洗方法来看,可能等离子体清洗也是所有清洗方法中最为彻底的剥离式的清洗。

等离子清洗与湿法清洗的主要区别如表1所示。

就反应机理来看,等离子体清洗通常包括以下过程:

a.无机气体被激发为等离子态;

b.气相物质被吸附在固体表面;

c.被吸附基团与固体表面分子反应生

成产物分子;

d.产物分子解析形成气相;

e.反应残余物脱离表面。

表1　等离子清洗与湿法清洗的主要区别

等离子清洗

湿法化学清洗

工艺过程容易控制时间和化学溶剂对工艺灵敏一次洗净,基本没有残留物

可能需要进一步去除及处理

或需要多道清洗

反应副产物为气体,在通过

真空系统及中和器后可直接排放大气中

大量的废物需进一步处理反应所需气体大多为无毒

大多数溶剂和酸有相当毒性

气体被激发成等离子态有多种方式,如激光、微波、电晕放电、热电离、弧光放电等多种方式,在电子清洗中,主要是低压气体辉光等离子体。一些非聚合性无机气体(Ar 2、N 2、H 2、O 2等)在高频低压下被激发,产生含有离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子。一般在等离子清洗中,可把活化气体分为两类,一类为惰性气体的等离子体(如Ar 2、N 2等);另一类为反应性气体的等离子体(如O 2、H 2等)。这些活性粒子能与表面材料发生反应,其反应过程如下:

在这一过程中等离子体能有效地使材

料表面层中产生大量自由基,这种作用在高分子表面特别明显。在半导体领域,反应性等离子体的研究很早就十分活跃。如CF 4和O 2混合的等离子体清洗,我们可以通过控制CF 4的流量来控制反应的进度。

以辉光放电氢等离子体为例:

H 2+e 3→H 23+e

H 2+hv +e

2H ·+e

H 2+e

H 2+2e

H ·+H ++2e ·

同样对于氧气、水和有机物也有如下反应:

O 2→2O ·H 2O →OH ·+H ·CH 4→CH 3·+H ·R 1R 2→R 1·+R 2·

等离子清洗技术的最大特点是不分处

理对象的基材类型,均可进行处理,如金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料(如:聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯)等原基材料都能很好地处理,并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。清洗的重要作用之一是提高膜的附着力,如在Si 衬底上沉积Au 膜,经Ar 等离子体处理掉表面的碳氢化合物和其它污染,明显改善了Au 的附着力。等离子体处理后的基体表面,会留下一层含氟化物的灰色物质,可用溶液去掉。同时有利于改善表面沾着性和润湿性。在清洗过程中经等离子体表面活化形成的自由基,能够进一步形成特定官能团,这种特定官能团的引入,特别是含氧官能团,对改善材料的沾着性和湿润性起着明显的作用。实验表明:不仅引入氧的等离子体,而且,Ar ,N 等的等离子体同样能导入含氧的官能团。如:-OH 、-OOH 等,最典型的是当高分子材料与氧等离子体接触时在刚生成的自由基位置羟基化或羧基化。其反应为:

R ·+O ·→RO ·R ·+O 2→ROO · 针对不同的等离子体,可能都会有一定

种类的副产物出现,如四氟化碳与氧的等离子体在和聚合物发生反应裂解成水蒸气、二氧化碳和少量氢氟酸,这些氢氟酸是反应的副产品,有毒,但可用碱式湿法洗涤器去除。

等离子体清洗系统是一种封闭工艺系统。最近等离子清洗设备已发展为自动化程度较高,分批运转装卸等装置的实现,对职业健康状况的改善和生产安全有着很多好处。下面为在线自动清洗的工作流程:

(上步工序)传送—装夹定位—等离子体反应—自动卸料(下步工序)等离子体清洗设备工作原理如图1所示

。

图1　等离子体清洗设备工作原理简图

等离子体工艺常规的化学清洗具有若干优势,等离子由于使用电能催化化学反应而不是热能,因此提供了一个低温环境。等离子排除了由湿式化学清洗带来的危险,并且与其它清洗方式相比的最大优势在于清洗后无废液。总之,等离子工艺是一种简单到几乎不需管理的清洗工艺。

3　等离子体清洗的应用

一般来讲,清洗/蚀刻意思是去除产生

干扰的材料。清洗效果的两个实例是去除氧化物以提高钎焊质量和去除金属、陶瓷及塑料表面有机污染物以改善粘接性能。等离子体最初应用于硅片及混装电路的清洗以提高键接引线和钎焊的可靠性。如:去除半导体表面的有机污染以保证良好的焊点

连接、引线键合和金属化,以及PCB 、混装电路MCMS (多芯片组装)混装电路中来自键接表面由上一工序留下的有机污染,如残余焊剂、多余的树脂等。清洗的各种例子不胜枚举。在诸如此类的应用中我们将列举一些典型的等离子体清洗工艺。3.1　蚀刻工艺

某种程度来讲,等离子清洗实质上是等离子体刻蚀的一种较轻微的情况。进行干式蚀刻工艺的设备包括反应室、电源、真空部分。工件送入反应室被真空泵抽真空,气体被导入并与等离子体进行交换。等离子体在工件表面发生反应,反应的挥发性副产物被真空泵抽走。等离子体刻蚀工艺实际上便是一种反应性等离子工艺。近期的发展是在反应室的内部安装成搁架形式,这种设计是富有弹性的,用户可以移去架子来配置合适的等离子体的蚀刻方法:反应性等离子体(RIE ),顺流等离子体(downstream ),直接等离子体(direction plasma )。所谓直接等离子体,亦称作反应离子蚀刻,是等离子的一种直接浸蚀形式。它的主要优势是高的

蚀刻率和高的均匀性。直接等离子体具有较低浸蚀,但工件却暴露在射线区。顺流等离子是种较弱的工艺,它适合去除厚为1～5nm 的薄层。在射线区或等离子中,人们担

心工件受到损坏,目前,这种担心还没有证据,看来只有在重复的高射线区和延长处理时间到60～120min 才能发生,正常情况下,这样的条件只在大的薄片及不是短时的清洗中。

3.2　在引线的键合中

在等离子清洗的工装设计中采用一些特殊结构可以满足用户每小时清洗500～1000个引线框的要求。这种工艺对COB ’S (裸芯片封装)或其它的封装都采用相同的

工艺条件便能提供给用户一种简单而有效的清洗。板上芯片连接技术(DCA )中,无论