等离子清洗技术及其原理介绍

1879年，由克鲁克斯首次提出“物质第四态”，由此等离子科学作为全新学科登上历史舞台。Strong在他的书中详细的描述了他利用低压辉光放电产生等离子体借此处理二氧化硅基片，然后在二氧化硅基片上镀一层铝薄膜，经过试验发现二氧化硅和铝薄膜之间的亲附力得到了很大的提升。这也是第一次有记载的利用等离子体进行清洗的实验。在上世纪六七十年代Holland及其团队开展了辉光放电清洗技术的研究，同时建立了真空等离子清洗的基础模型。在此之后，低压等离子清洗技术如雨后春笋般开始蓬勃发展，到现代大气压等离子清洗技术、射频等离子清洗技术、脉冲放电等离子清洗技术等多种新技术齐头并进，并开始广泛的应用于各行各业，尤其对于半导体行业是革命性的新技。
等离子体清洗的机理
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。
等离子清洗原理
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。等离子清洗技术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。
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,使污染物脱离表面最终被真空泵吸走;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。
等离子清洗技术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。我所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。
等离子清洗技术的特点和优势
与湿法清洗相比,等离子清洗技术的优势表现在以下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)等离子清洗的最大技术特点是: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。
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,等离子清洗技术应用前景广阔。24634