等離子清洗技術(shù)及其原理介紹

文章出處：本站 | 網(wǎng)站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-04-16

1879年，由克魯克斯首次提出“物質(zhì)第四態(tài)”，由此等離子科學(xué)作為全新學(xué)科登上歷史舞臺(tái)。Strong在他的書中詳細(xì)的描述了他利用低壓輝光放電產(chǎn)生等離子體借此處理二氧化硅基片，然后在二氧化硅基片上鍍一層鋁薄膜，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二氧化硅和鋁薄膜之間的親附力得到了很大的提升。這也是第一次有記載的利用等離子體進(jìn)行清洗的實(shí)驗(yàn)。在上世紀(jì)六七十年代Holland及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了輝光放電清洗技術(shù)的研究，同時(shí)建立了真空等離子清洗的基礎(chǔ)模型。在此之后，低壓等離子清洗技術(shù)如雨后春筍般開(kāi)始蓬勃發(fā)展，到現(xiàn)代大氣壓等離子清洗技術(shù)、射頻等離子清洗技術(shù)、脈沖放電等離子清洗技術(shù)等多種新技術(shù)齊頭并進(jìn)，并開(kāi)始廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)是革命性的新技。

等離子體清洗的機(jī)理

什么是等離子體

等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài),通常物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3種狀態(tài)存在,但在一些特殊的情況下可以以第四種狀態(tài)存在,如太陽(yáng)表面的物質(zhì)和地球大氣中電離層中的物質(zhì)。這類物質(zhì)所處的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài),又稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

等離子體中存在下列物質(zhì):處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子;處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(tuán)(自由基);離子化的原子、分子;分子解離反應(yīng)過(guò)程中生成的紫外線;未反應(yīng)的分子、原子等,但物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)。

等離子清洗原理

由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)。等離子清洗技術(shù)主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。就反應(yīng)機(jī)理來(lái)看,等離子體清洗通常包括以下過(guò)程:無(wú)機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài);氣相物質(zhì)被吸附在固體表面;被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子;產(chǎn)物分子解析形成氣相;反應(yīng)殘余物脫離表面。

反應(yīng)類型分類

等離子體與固體表面發(fā)生反應(yīng)可以分為物理反應(yīng)(離子轟擊)和化學(xué)反應(yīng)。

物理反應(yīng)機(jī)制是活性粒子轟擊待清洗表面,使污染物脫離表面最終被真空泵吸走;化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是各種活性的粒子和污染物反應(yīng)生成易揮發(fā)性的物質(zhì),再由真空泵吸走揮發(fā)性的物質(zhì)。以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗,其優(yōu)點(diǎn)在于本身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),清潔表面不會(huì)留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化學(xué)純凈性;缺點(diǎn)就是對(duì)表面產(chǎn)生了很大的損害,會(huì)產(chǎn)生很大的熱效應(yīng),對(duì)被清洗表面的各種不同物質(zhì)選擇性差,腐蝕速度較低。以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗的優(yōu)點(diǎn)是清洗速度較高、選擇性好、對(duì)清除有機(jī)污染物比較有效,缺點(diǎn)是會(huì)在表面產(chǎn)生氧化物。和物理反應(yīng)相比較,化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)不易克服。并且兩種反應(yīng)機(jī)制對(duì)表面微觀形貌造成的影響有顯著不同,物理反應(yīng)能夠使表面在分子級(jí)范圍內(nèi)變得更加“粗糙”,從而改變表面的粘接特性。

還有一種等離子體清洗是表面反應(yīng)機(jī)制中物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)都起重要作用,即反應(yīng)離子腐蝕或反應(yīng)離子束腐蝕,兩種清洗可以互相促進(jìn),離子轟擊使被清洗表面產(chǎn)生損傷削弱其化學(xué)鍵或者形成原子態(tài),容易吸收反應(yīng)劑,離子碰撞使被清洗物加熱,使之更容易產(chǎn)生反應(yīng);其效果是既有較好的選擇性、清洗率、均勻性,又有較好的方向性。典型的等離子體物理清洗工藝是氬氣等離子體清洗。氬氣本身是惰性氣體,等離子體的氬氣不和表面發(fā)生反應(yīng),而是通過(guò)離子轟擊使表面清潔。典型的等離子體化學(xué)清洗工藝是氧氣等離子體清洗。通過(guò)等離子體產(chǎn)生的氧自由基非?；顫?容易與碳?xì)浠衔锇l(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳和水等易揮發(fā)物,從而去除表面的污染物。

等離子清洗技術(shù)在封裝工藝中的應(yīng)用

在微電子封裝的生產(chǎn)過(guò)程中,由于指印、助焊劑、各種交叉污染、自然氧化等,器件和材料表面會(huì)形成各種沾污,包括有機(jī)物、環(huán)氧樹(shù)脂、光刻膠、焊料、金屬鹽等。這些沾污會(huì)明顯地影響封裝生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)工藝質(zhì)量。使用等離子體清洗可以很容易清除掉生產(chǎn)過(guò)程中所形成的這些分子水平的污染,保證工件表面原子與即將附著材料的原子之間緊密接觸,從而有效地提高引線鍵合強(qiáng)度,改善芯片粘接質(zhì)量,減少封裝漏氣率,提高元器件的性能、成品率和可靠性。我所在鋁絲鍵合前采用等離子體清洗后,鍵合成品率提高10%,鍵合強(qiáng)度一致性也有提高。在微電子封裝中,等離子體清洗工藝的選擇取決于后續(xù)工藝對(duì)材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學(xué)組成以及污染物的性質(zhì)等。通常應(yīng)用于等離子體清洗的氣體有氬氣、氧氣、氫氣、四氟化碳及其混合氣體等。

等離子清洗技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

與濕法清洗相比,等離子清洗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下8個(gè)方面：

(1) 在經(jīng)過(guò)等離子清洗以后,被清洗物體已經(jīng)很干燥,不必再經(jīng)干燥處理即可送往下道工序。

(2) 不使用ODS有害溶劑,清洗后也不會(huì)產(chǎn)生有害污染物,屬于有利于環(huán)保的綠色清洗方法。

(3) 用無(wú)線電波范圍的高頻產(chǎn)生的等離子體與激光等直射光線不同,它的方向性不強(qiáng),因此它可以深入物體的微細(xì)孔眼和凹陷的內(nèi)部并完成清洗任務(wù),所以不必過(guò)多考慮被清洗物體形狀的影響,而且對(duì)這些難清洗部位的清洗效果與用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。

(4) 整個(gè)清洗工藝流程在幾分鐘即可完成,因此具有效率高的特點(diǎn)。

(5) 等離子清洗需要控制的真空度約為100Pa,這種真空度在工廠實(shí)際生產(chǎn)中很容易實(shí)現(xiàn)。這種裝置的設(shè)備成本不高,加上清洗過(guò)程不需要使用價(jià)格昂貴的有機(jī)溶劑,因此它的運(yùn)行成本要低于傳統(tǒng)的清洗工藝。

(6) 由于不需要對(duì)清洗液進(jìn)行運(yùn)輸、貯存、排放等處理措施,所以生產(chǎn)場(chǎng)地很容易保持清潔衛(wèi)生。

(7) 等離子清洗的最大技術(shù)特點(diǎn)是:它不分處理對(duì)象,可處理不同的基材,無(wú)論是金屬、半導(dǎo)體、氧化物還是高分子材料(如聚丙烯、聚氯乙烯、據(jù)四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂等高聚物)都可用等離子體很好地處理,因此,特別適合不耐熱和不耐溶劑的基底材料。而且還可以有選擇地對(duì)材料的整體、局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分清洗。

(8)在完成清晰去污的同時(shí),還能改變材料本身的表面性能,如提高表面的潤(rùn)濕性能,改善膜的附著力等,這在許多應(yīng)用中都是非常重要的。

相信,不久以后,等離子清洗設(shè)備和工藝就會(huì)以其在健康、環(huán)保、效益、安全等諸多方面的優(yōu)勢(shì)逐步取代濕法清洗工藝,特別是在精密件清洗和新半導(dǎo)體材料研究和集成電路器件制造業(yè)中,等離子清洗技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。