低温等离子体清洗设备

第21卷第5期
清　洗　世　界Vol 121　No 152005年5月C lean i n g W orld M ay 2005
2005年第5期31　
・新技术、新工艺・
低温等离子体清洗设备
李俊岭　余　慧
(中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024)
摘　要　简要介绍了低温等离子体清洗设备清洗机理、特点及其应用。

关键词　低温等离子体　清洗机理　应用
中图分类号　T N409　O 46 文献标识码　B
Cold pl a s ma clean i n g syste m
L I Junling,YU Hui
(The Second Research I nstitute,China Electr onic Technol ogy Gr oup
Cor porati on,Taiyuan Shanxi 030024)
Ab s tra c t The p las ma theory,p las ma cleaning mechanis m s and app licati ons for p las ma cleaning sys 2
te m are described .
Ke y wo rd s cold p las ma;cleaning mechanis m;app licati on
随着当今技术的飞速发展,等离子体技术已广泛
应用于诸多专业领域,而且变得越来越重要。

目前清洗行业对清洗的要求也越来越高,有些场
合,常规清洗已经不能满足要求,等离子体清洗比较
理想地解决这些精密清洗的要求,且又符合当今环保
的形势。

　1　等离子体清洗1.1　等离子体清洗机理等离子体是正离子和电子的密度大致相等的电
离气体。

由离子、电子、自由激进分子、光子以及中性粒子组成。

是物质的第四态。

等离子体清洗是依靠处于“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,等离子体清洗是所有清洗方法中最为彻底的剥离式清洗。

就反应机理来看,等离子体清洗通常可包括以下过程:1)无机气体被激发到等离子态;
2)气相物质被吸附在固体表面;收稿日期:2005-03-30;修改稿收到日期:2005-04-13
作者简介:李俊岭(1976-),男,山东济宁人,工程师,从事电子专用设备设计开发。

　・32　・清　洗　世　界第21卷　32　2005年第5期 3)被吸附基团与固体表面分子反应生成了产物
分子;
4)产物分子解析形成气相;5)反应残余物脱离表面。

等离子体清洗最大的特点是不分处理对象、基材类型均可进行处理,并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

等离子体清洗利于环境保护,工作中只使用微量气体,没有污染物排放;等离子清洗工艺成本低,容易使用,可以处理各类材料,具有良好的均匀性和重复性。

等离子体清洗是干法清洗的一种,与湿法清洗相比主要优势如表1所示。

表1　等离子体清洗与湿法化学清洗相比较等离子体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有较大影响一次洗净,基本没有残留物
可能需要进一步去除及处理或需要多步清洗反应副产物为气体,可通过
真空抽气排出
大量的废物需进一步处理反应所需气体大多无毒大多数溶剂和酸有相当毒性1.2　等离子体清洗分类
等离子体处理过程中,包括化学反应与物理反应
两种清洗过程。

1.2.1　化学过程在化学等离子体过程中,自由激进分子与待清洗物表面的元素发生化学反应。

这些反应后的产物是
非常小、易挥发的分子,它们可以用真空泵抽出。

在
有机物清洗应用中,一般主要的副产物包括水、一氧
化碳和二氧化碳。

有机物(C x H y O z )+O ・H 2O +CO 2+CO 以化学反应为主的等离子体清洗,清洗速度快、选择性好、对去除有机污染物最为有效。

缺点是会在
表面产生氧化。

典型的化学等离子体清洗是采用氧
气等离子体。

1.2.2　物理过程物理过程中,原子和离子以高能量、高速度轰击
待清洗物表面,使分子分解,通过真空泵抽出。

大多
数的物理清洗过程需要有高能量和低压力。

在轰击待清洗物表面以前,使原子和离子达到最大的速度。

因为要加速等离子体,所以需要高能量,这样等离子体中的原子和离子的速度才能更高。

需要低压力是
为了在原子之间碰撞前增加它们之间的平均距离,这
个距离指平均自由程,这个路径越长,则轰击待清洗
物表面的离子的概率越高。

以物理反应为主的等离子体清洗,其本身不发生
化学反应,清洁样品表面时不会留下任何氧化物。

缺
点是会对表面产生损害,会有很大的热效应。

典型的
物理等离子体清洗是氩气等离子体清洗。

1.3　影响等离子体清洗的因素
1.3.1　工艺气体及有关参数
1)氩气:物理轰击是氩气清洗的机理。

氩气是最有效的物理等离子体清洗气体,原因在于它原子的尺寸大。

可以用很大的力量轰击样品表面。

正的氩离子将被吸引到负向电极板。

撞击力足以去除表面上的任何污垢。

然后这些气态污物通过真空泵排出。

2)氧气:化学工艺中等离子体与样品表面上的化合物反应。

例如,有机污染物可以有效地用氧气等离子去掉,这里氧气等离子与污染物反应,产生二氧化碳、一氧化碳和水。

一般地说,化学反应清除有机
污染物效果更好。

3)氢气:氢气可供去除金属表面氧化物使用。

它经常与氩气混合使用,以提高去除速度。

一般人们担心氢气的易燃性,氢气的使用量非常少。

人们更大的担心是氢气的存储。

我们可以采用氢气发生器从水中产生氢气。

从而去掉了潜在的危害性。

4)CF 4/SF 6:氟化的气体在半导体工业以及P WB
(印制线路板)工业中应用非常广泛。

在I C 封装中的应用只有一种。

这些气体用在P ADS 工艺中,通过这种处理,氧化物转化成氟氧化物,允许无流动焊接。

5)压力:反应仓内的压力是工艺气体流速、仓体
泄露率和泵抽速的函数。

工艺气体的选择决定等离子清洗机制(物理、化学或物理/化学)。

　第21卷清　洗　世　界
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　・　2005年第5期33
物理工艺较低的压力。

物理等离子清洗要求受激的粒子碰撞基板表面。

如果工艺压力高,已激励的粒子在到达清洗表面之前将与其它粒子经过很多次的碰撞,损失能量。

可是,如果压力降低太多,将没有足够的活性反应组分在合理的时间内来清洁基板。

化学工艺依靠气体等离子体与基板表面的化学反应,所以反应粒子数越多就会增加清洗能力,需要使用较高压力。

较高的压力使化学工艺具有较快的清洁速度。

6)功率:增加等离子体功率是通过增加等离子内的离子密度和离子能量来增加清洁速度和清洁强度。

可是,如果增加功率太多,可能对基板有害,并且对结果也是无效。

7)时间:一般来说要在最短的工艺时间达到最佳清洗效果,是工艺时间与功率、压力和气体类型平衡。

功率的设置主要要与处理时间相平衡,增加功率可以降低处理时间,然而,会使仓体内温度升高。

对于许多处理工艺来说,较高的温度相当于催化剂,并且会导致不均匀或刻蚀过度。

所以要想优化处理工艺,综合考虑这两个参数是必须的。

1.3.2　等离子清洗模式
等离子清洗设备设计了三种类型的电极架用作系统的阳极、阴极和悬浮极。

根据应用场合的不同,移动、调节电极架可产生两种模式的等离子体,分别为直接等离子体模式和顺流等离子体模式。

1)直接等离子体模式为阳、阴电极相间放置,这种配置下所有的正负离子都会在两极流过且不会隔离,是轰击性最强的模式。

清洗样品可放在阳极上也可放在阴极上,放在阳极上为最强烈的清洗方式。

2)顺流等离子体模式为阳极、阴极、悬浮极的安装模式。

在这种配置中只有正离子会到达悬浮极,负离子被正极捕集。

这种配置产生最弱的等离子体,用来清洗一些电敏感元件,MOS元件等。

1.3.3　负载对等离子清洗的影响
有时在一个或两个元件上工作较好的等离子体,却在装满负载的仓体内无法工作,这就是负载对他的影响,这主要有两个原因:
许多材料在真空下会脱气,气体从材料表面产生,取代了反应气体,阻碍处理过程。

如果这种情况发生,泵的抽气时间会延长,并且设定的过程压力也比仓体空载时显著增加。

材料附加物与水蒸气将导致脱气作用。

例如,一块海绵的脱气比同样大小的固态物质脱气作用更强。

所有的材料都由各自的脱气的能力。

因为等离子体清洗中有化学反应,所以这是一个严重的问题。

如果有一个化学平衡点,在这个点上,化学反应或清洗将减缓或停止。

为解决这个问题,应当设法改变气体流速及泵的抽气能力。

另外一个影响负载的问题与搁架数量或材料的传导性相关联。

搁架增加,RF的能量就分布在较大的区域,。

数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平
衡状态,此时,电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,我们把这样的等离子体称为低温等离子体。

图1为我所生产的等离子体清洗设备。

其功能部件包括:反应仓、机械骨架、供气系统、真空系统、射频电源和控制系统。

图1　等离子体清洗设备
　・34　・清　洗　世　界第21卷　34　2005年第5期2.1　设备简介
2.1.1　反应仓采用平板式结构,利于等离子体均匀分布。

2.1.2　射频电源等离子体发生器的选择与其频率的选择是确保等离子质量和过程灵活性的两个最重要的参数。

对
于清洗中的应用,射频发生器的频率是标准,它确定
能否很好的将气体激发为等离子态。

13.56MHz 是
最常用的频率。

与射频发生器相关联的还有匹配网
络,如果阻抗负载不能精确调节,射频发生器将会被
损坏,这是由于承受波的反馈的原因。

匹配性的调节
在获得好的清洗效果中是必要的。

合适的匹配系统
与高品质的射频发生器将会自动调节负载阻抗,甚至
当清洗的条件与操作都发生变化的情况下也能做到。

这保证了最佳的等离子体密度和可重复性。

2.1.3　真空系统等离子体系统内的压力受几个因素的影响,其中最重要的一个原因是真空泵统,。

下压力在10～100Pa 。

2.1.4　供气系统在等离子体过程中为了保证最大的重复性,需要一些控制气体流量的装置,尤其是对反应气体。

典型情况为:流量在0～200SCC M 。

2.1.5　控制系统
采用带有触摸屏人机界面的P LC 来控制等离子
体电源的各项参数以及各个输入输出设备,优点在于
人机界面友好、灵活性高、稳定可靠,减少人为产生的
失误。

同时便于在不断的工艺实验过程中通过软件
来持续提升设备性能。

对于工艺管理使用配方方式,
方便于各个参数的输入与管理。

同时可以对不同内容的参数进行分级操作,满足设备操作员、工艺工程师、设备工程师对于人机交互的不同要求。

并在设备
中设计多重软硬件连锁的保护功能来确保操作人员
以及设备的安全。

2.2　设备具有的特点
1)采用13.56MHz 的射频电源,并带有自动阻抗匹配器,可提供稳定的处理工艺;2)带有人机界面的P LC 控制,安全互锁,控制可靠,易于操作;3)配方方式工艺参数管理,工艺灵活;4)所有功能部件内置,结构紧凑;5)灵活的搁架结构可为处理过程提供直接等离子体与顺流等离子体两种模式,并且可灵活调节距离放置不同的清洗物。

　3　结束语
等离子清洗设备作为一种精密干法清洗设备,适
单片集成电路管壳和陶瓷基板的
、厚膜电路、元器件封装前、硅片
刻蚀后、真空电子、连接器和继电器等行业的精密清
洗,可去除金属表面的油脂、油污等有机物及氧化层。

还可应用于塑料、橡胶、金属和陶瓷等表面的活化以
及生命科学实验等。

参考文献[1]营井秀郎.等离子体电子工程学[M ].北京:科学出版社,2002.[2]赵玉清.电子束离子束技术[M ].西安:交通大学出版社,2003.[3]赵化桥.等离子体化学与工艺[M ].北京:中国科学技术出版社,1993.。