劉彥利,高曉偉

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

等離子清洗又稱為干法清洗，是在射頻電源的激發(fā)下，將氧氣、氬氣等工藝氣體激發(fā)成離子態(tài)，進而與待清洗工件表面的雜質(zhì)發(fā)生化學、物理反應，反應生成的產(chǎn)物再通過真空泵將其抽走，從而達到清洗目的，等離子清洗的好壞直接決定了成品率的高低，等離子清洗可應用于半導體、厚膜電路、元器件封裝前、COG前、PCB、連接器和繼電器等行業(yè)的精密清洗，塑料、橡膠、金屬和陶瓷等表面的活化以及生命科學實驗等[1，2]。

隨著技術水平的不斷更新迭代，以及各生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品潔凈度要求的不斷提高，清洗工藝逐步由濕法向干法轉變。干法清洗通過氣體形成的等離子體在工件表面發(fā)生作用，不需要經(jīng)化學試劑浸泡，也不用烘干，過程更加潔凈安全。清洗過程也方便控制，工作環(huán)境及人員安全明顯改善，在成本有效減少的同時，產(chǎn)品成品率及優(yōu)品率也得到很大提高，目前已成為各半導體產(chǎn)品領域廣泛應用的技術。

1 等離子清洗原理及主要影響工藝參數(shù)

1.1 等離子清洗原理

等離子產(chǎn)生的原理是：給一組電極施加射頻電壓，電極之間形成高頻交變電場，區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場的激蕩下，產(chǎn)生等離子體。活性等離子對被清洗物進行表面物理轟擊與化學反應雙重作用，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過抽真空排出，而達到清洗目的[3]。

等離子物理清洗過程：

表面反應以物理反應為主的等離子體清洗，典型的為氬等離子轟擊物體表面，使其產(chǎn)生一定的粗糙度，以獲得表面的最大化，同時親水性也會增大，如圖1所示。

圖1 物理清洗前后

等離子化學清洗過程：

表面反應以化學反應為主的等離子清洗，典型的為氧氣在真空狀態(tài)下，利用射頻電源激發(fā)形成離子態(tài)，與有機物發(fā)生化學反應，形成CO2和H2O，然后經(jīng)真空泵將其抽走，達到清洗目的，如圖2所示。

有機物+O2→CO2+H2O

圖2 化學清洗前后

1.2 等離子清洗主要影響工藝參數(shù)

影響等離子清洗效果的工藝參數(shù)有很多。主要包括工藝氣體流向，工藝氣體流量，射頻功率，射頻頻率，清洗時間和真空壓力值。具體各參數(shù)對等離子清洗影響如表1。

表1 各工藝參數(shù)對等離子清洗的影響

2 氣體流向?qū)Φ入x子清洗工藝的影響

在等離子清洗時，影響清洗工藝的參數(shù)中，真空壓力值由倉體本身焊接密封性等決定，選擇合適的真空泵達到的真空壓力值一般已成為定值，工藝氣體選擇、工藝氣體流量大小、射頻功率、清洗時間等都可以根據(jù)工藝要求在等離子清洗設備屏幕上很簡便地調(diào)節(jié)數(shù)值，達到合理的匹配，獲得較好的清洗效果。

因此，在設計時，合理控制倉體中的氣體流向就對清洗效果顯得尤為重要，進出氣口的多少、位置直接決定了倉體內(nèi)的氣體流向，也直接影響了待清洗工件的清洗效果。

2.1 實驗設計

本實驗倉體屬于接近正方體的反應倉，為前進氣、后抽氣方式，前進氣為前面板四周帶孔的不銹鋼管四周進氣，進氣較為均勻，但出氣僅有一個直徑為50 mm的抽氣孔，抽氣較為集中，改進方式為在抽氣口處添加一塊孔位合理排布的打散板，改變抽氣方式對清洗工藝影響的實驗如圖3所示。

圖3 改變抽氣方式對清洗工藝影響的實驗

實驗選用13.56 MHz的射頻電源，氧氣流量120 sccm，真空控制在30 Pa，射頻功率300W，清洗工藝時間3 min。

2.2 實驗結果

實驗結束后，通過測試各工件表面水滴的接觸角可直觀顯示出清洗效果，清洗后工件表面的親水性增強，水滴的接觸角會明顯減小，肉眼可見，為了得到具體的水滴接觸角，可通過接觸角測量儀得到。

添加打散板后，對不銹鋼試驗片做出的清洗前后水滴接觸角有直觀的顯示，如圖4所示。

圖4 不銹鋼試驗片清洗前(右)后(左)接觸角對照

未加打散板與添加打散板后對多種不同工件進行清洗前后水滴接觸角對照及測試，所得實驗前后測試數(shù)值如圖5所示。

圖5 清洗前后接觸角測試數(shù)值

根據(jù)以上在抽氣口處安裝打散板前后的實驗數(shù)據(jù)，可得出打散板安裝前后工件表面接觸角的實驗結果如表2所示。

表2 打散板安裝前后工件表面接觸角

2.3 實驗結果分析

從表2中，我們可以得出在抽氣口位置添加打散板后，水滴接觸角度明顯減小，清洗效果顯著提升。

可見，在等離子清洗的過程中，在設計時考慮到抽氣不均勻，然后添加一塊打散板，能夠有效地控制倉體內(nèi)部工藝氣體的流向，讓氣體均勻地充滿整個倉體，在射頻電源的激發(fā)下，形成的離子體也在倉體內(nèi)部均勻分部，對待清洗工件的清洗均勻性及優(yōu)良性有大幅度改善。

3 結論

在等離子清洗流程中，很多參數(shù)如倉體真空度、射頻功率、工藝氣體流量、清洗時間等都對清洗效果有很大影響，搭配得當不僅可以提高工藝效率，同時節(jié)約工藝成本。這些參數(shù)中，有些如倉體真空度等屬于生產(chǎn)定值，有些如射頻功率、氣體流量、清洗時間等可以根據(jù)多次反復的工藝試驗進行調(diào)整得出合理值，然而，氣體流向由設計者機械設計決定，進氣口及抽氣口位置的改變會對清洗效果產(chǎn)生根本性的影響。通過上述實驗，得出，在抽氣口位置加一塊打散板，能對倉體內(nèi)氣體流向達到有效控制，清洗效果明顯增強。