等离子清洗技术

　　等离子清洗的应用，起源于20世纪初，随着高科技产业的快速发展，其应用越来越广，目前已在众多高科技领域中，居于关键技术的地位。等离子清洗技术对产业经济和人类文明影响Z大，首推电子资讯工业，尤其是半导体业与光电工业。

　　等离子清洗已应用于各种电子元件的制造，可以确信，没有等离子清洗技术，就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外，等离子清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染FZ工业和量测工业上，而且是产品提升的关键技术，比如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层，复合材料的中间层、织布或隐性镜片的表面处理、微感测器的制造，超微机械的加工技术、人工关节、骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步，才能开发完成。

　　等离子技术是一新兴的领域，该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学反应，此为典型的高科技产业，需跨多种领域，包括化工、材料和电机，因此将极具挑战性，也充满机会，由于半导体和光电材料在未来得快速成长，此方面应用需求将越来越大。

等离子体清洗的机理

　　1、什么是等离子体

　　等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、液态、气态3种状态存在，但在一些特殊的情况下可以以第四种状态存在，如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质。这类物质所处的状态称为等离子体状态，又称为物质的第四态。

　　等离子体中存在下列物质:处于高速运动状态的电子;处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基);离子化的原子、分子;分子解离反应过程中生成的紫外线;未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。

　　2、等离子体的产生

　　在清洗工艺中应用的等离子体，一般都采用人工方法获得。

　　Z早是在1927年，当水银蒸气在高压电场中的放电时由科研人员发现等离子体。后来发现通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都可以使处于低气压状态的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处于低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下，可以分解出加速运动的原子和分子，这样产生的电子和解离成点有正、负电荷的原子和分子。

　　这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量，并与周围的分子或原子发生碰撞，结果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处于激发状态或离子状态，这时物质存在的状态即为等离子体状态。在一般资料中常可以见到用下述反应式表述的等离子体形成过程。

　　如氧气等离子体形成过程即可用下列6个反应式来表示：

　　diyi个反应式表示氧气分子在得到外界能量后变成氧气阳离子，并放出自由电子过程，第二个反应式表示氧气分子在得到外界能量后分解形成两个氧原子自由基的过程。第三个反应式表示氧气分子在具有高能量的激发态自由电子作为下转变成激发态。

　　第四第五反应式则表示激发态的氧气分子进一步发生转变，在第四个反应式中，氧气分子回到通常状态的同时发出光能(紫外线)。在第五个反应式中，激发态的氧气分子分解成两个氧原子自由基。

　　第六个反应式表示氧气分子在激发态自由电子的作用下，分解成氧原子自由基和氧原子阳离子的过程，当这些反应连续不断发生，就形成氧气等离子体，其他气体的等离子体的形成过程也可用相似的反应式描述。当然实际反应要比这些反应式描述的更为复杂。工业生产中应用的等离子清洗设备的基本构造一般如下图所示:

　　3、等离子体清洗的机理

　　由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易与固体表面发生反应。等离子体清洗主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。

　　就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程:无机气体被激发为等离子态;气相物质被吸附在固体表面;被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子;产物分子解析形成气相;反应残余物脱离表面。

　　等离子体清洗技术的Z大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、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。

　　等离子体清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术，自动化程度高;具有高精度的控制装置，时间控制的精度很高;正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层，表面质量得到保证;由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染。

　　4、反应类型分类

　　等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应(离子轰击)和化学反应。

　　物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面，使污染物脱离表面Z终被真空泵吸走;化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质，再由真空泵吸走挥发性的物质。

　　以物理反应为主的等离子体清洗，其优点在于本身不发生化学反应，清洁表面不会留下任何的氧化物，可以保持被清洗物的化学纯净性;缺点就是对表面产生了很大的损害，会产生很大的热效应，对被清洗表面的各种不同物质选择性差，腐蚀速度较低。

　　以化学反应为主的等离子体清洗的优点是清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效，缺点是会在表面产生氧化物。和物理反应相比较，化学反应的缺点不易克服。

　　并且两种反应机制对表面微观形貌造成的影响有显著不同，物理反应能够使表面在分子级范围内变得更加“粗糙”，从而改变表面的粘接特性。

　　还有一种等离子体清洗是表面反应机制中物理反应和化学反应都起重要作用，即反应离子腐蚀或反应离子束腐蚀，两种清洗可以互相促进，离子轰击使被清洗表面产生损伤削弱其化学键或者形成原子态，容易吸收反应剂，离子碰撞使被清洗物加热，使之更容易产生反应;其效果是既有较好的选择性、清洗率、均匀性，又有较好的方向性。

　　典型的等离子体物理清洗工艺是氩气等离子体清洗。氩气本身是惰性气体，等离子体的氩气不和表面发生反应，而是通过离子轰击使表面清洁。典型的等离子体化学清洗工艺是氧气等离子体清洗。通过等离子体产生的氧自由基非常活泼，容易与碳氢化合物发生反应，产生二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发物，从而去除表面的污染物。

等离子清洗在封装工艺中的应用

　　在微电子封装的生产过程中，由于指印、助焊剂、各种交叉污染、自然氧化等，器件和材料表面会形成各种沾污，包括有机物、环氧树脂、光刻胶、焊料、金属盐等。这些沾污会明显地影响封装生产过程中的相关工艺质量。

　　使用等离子体清洗可以很容易清除掉生产过程中所形成的这些分子水平的污染，保证工件表面原子与即将附着材料的原子之间紧密接触，从而有效地提高引线键合强度，改善芯片粘接质量，减少封装漏气率，提高元器件的性能、成品率和可靠性。

　　在铝丝键合前采用等离子体清洗后，键合成品率提高10%，键合强度一致性也有提高。在微电子封装中，等离子体清洗工艺的选择取决于后续工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及污染物的性质等。通常应用于等离子体清洗的气体有氩气、氧气、氢气、四氟化碳及其混合气体等。

等离子体清洗设备的基本构造

　　根据用途的不同，可选用多种构造的等离子清洗设备，并可通过选用不同种类的气体，调整装置的特征参数等方法使工艺流程实现Z佳化。但等离子体清洗装置的基本结构大致是相同的，一般装置可由真空室、真空泵、高频电源、电极、气体导入系统、工件传送系统和控制系统等部分组成。通常使用的真空泵是旋转油泵，高频电源通常用13.56 MHz的无线电波。设备的运行过程如下：

　　1、被清洗的工件送入真空室并加以固定，启动运行装置，开始排气，使真空室内的真空程度达到10 Pa左右的标准真空度。一般排气时间大约需要2 min。

　　2、向真空室引入等离子清洗用的气体，并使其压力保持在100 Pa。

　　根据清洗材质的不同，可分别选用氧气、氢气、氩气或氮气等气体。

　　3、在真空室内的电极与接地装置之间施加高频电压，使气体被击穿，并通过辉光放电而发生离子化和产生等离子体。让在真空室产生的等离子体完全笼罩住被处理工件，开始清洗作业。一般清洗处理持续几十秒到几分钟。

　　4、清洗完毕后切断高频电压，并将气体及气化的污垢排出，同时向真空室内鼓入空气，并使气压升至一个大气压。

等离子清洗的特点和优势

　　与湿法清洗相比，等离子清洗的优势表现在以下8个方面：

　　1、在经过等离子清洗以后，被清洗物体已经很干燥，不必再经干燥处理即可送往下道工序。

　　2、不使用ODS有害溶剂，清洗后也不会产生有害污染物，属于有利于环保的绿色清洗方法。

　　3、用无线电波范围的高频产生的等离子体与激光等直射光线不同，它的方向性不强，因此它可以深入物体的微细孔眼和凹陷的内部并完成清洗任务，所以不必过多考虑被清洗物体形状的影响，而且对这些难清洗部位的清洗效果与用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。

　　4、整个清洗工艺流程在几分钟即可完成，因此具有效率高的特点。

　　5、等离子清洗需要控制的真空度约为100Pa，这种真空度在工厂实际生产中很容易实现。这种装置的设备成本不高，加上清洗过程不需要使用价格昂贵的有机溶剂，因此它的运行成本要低于传统的清洗工艺。

　　6、由于不需要对清洗液进行运输、贮存、排放等处理措施，所以生产场地很容易保持清洁卫生。

　　7、等离子清洗的Z大技术特点是：它不分处理对象，可处理不同的基材，无论是金属、半导体、氧化物还是高分子材料(如聚丙烯、聚氯乙烯、据四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂等高聚物)都可用等离子体很好地处理，因此，特别适合不耐热和不耐溶剂的基底材料。而且还可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清洗。

　　8、在完成清晰去污的同时，还能改变材料本身的表面性能，如提高表面的润湿性能，改善膜的附着力等，这在许多应用中都是非常重要的。

　　在Z近的研究中人们还在提到等离子体清洗造成材料表面的溅射损伤。实际上，只要能量控制合适，轻度的表面损伤反而可以极大地增强附着力。在某些情况下成为不可或缺的工艺，如：用Ar等离子体去除一些材料表面氧化物。

　　当然，一些工艺试验表明，采用分步工艺法进行清洗，可以把这种损伤减小到Z底程度。相信，不久以后，等离子清洗设备和工艺就会以其在健康、环保、效益、安全等诸多方面的优势逐步取代湿法清洗工艺，特别是在精密件清洗和新半导体材料研究和集成电路器件制造业中，等离子清洗应用前景广阔。