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。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)隊開展了輝光放電清洗技術(shù)的研究，同時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)，并開始廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其對于半導(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)理來看,等離子體清洗通常包括以下過程:無機(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)就是對表面產(chǎn)生了很大的損害,會產(chǎn)生很大的熱效應(yīng),對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、對清除有機(jī)污染物比較有效,缺點(diǎn)是會在表面產(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。通過等離子體產(chǎn)生的氧自由基非常活潑,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,器件和材料表面會形成各種沾污,包括有機(jī)物、環(huán)氧樹脂、光刻膠、焊料、金屬鹽等。這些沾污會明顯地影響封裝生產(chǎn)過程中的相關(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

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

(1) 在經(jīng)過等離子清洗以后,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),所以不必過多考慮被清洗物體形狀的影響,而且對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,加上清洗過程不需要使用價格昂貴的有機(jī)溶劑,因此它的運(yùn)行成本要低于傳統(tǒng)的清洗工藝。

(6) 由于不需要對清洗液進(jìn)行運(yùn)輸、貯存、排放等處理措施,所以生產(chǎn)場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:它不分處理對象,可處理不同的基材,無論是金屬、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,還能改變材料本身的表面性能,如提高表面的潤濕性能,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)備和工藝就會以其在健康、環(huán)保、效益、安全等諸多方面的優(yōu)勢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。