等离子机工作原理docx

  低压等离子(电浆)清洗技术页面功能 ?【字体：大中小】????【打印本页】????【返回】发表时间 [2007-9-21]??? 点击次数 [270]??? 作者： jinying??一、概述：电子工业清洗是一个很广的概念，包括任何与去除污染物有关的工艺，但针对不一样的对象，清洗的方法有很大的区别。目前在电子工业中已大范围的应用的物理化学清理洗涤方法，从运行方式来看，大致可分为两种：湿法清洗和干法清洗。湿法清洗已经在电子工业生产中大范围的应用，清洗主要是依靠物理和化学（溶剂）的作用，如在化学活性剂吸附、浸透、溶解、离散作用下辅以超声波、喷淋、旋转、沸腾、蒸气、摇动等物理作用下去除污渍，这一些方法清洗作用和应用场景范围各有不同，清理洗涤效果也有一定差别。CFC清洗在过去的清洗工艺中，从清洗效力及后续工序上都占有很重要的地位，但由于其损耗大气臭氧层，而被限制使用。对于替代工艺，在清洗过程中，不可避免的存在需后续工序的烘干（ODS类清洗不需烘干，但污染大气臭氧层，目前限制使用）及废水净化处理，人员劳动保护方面的较高投入，特别是在电子组装技术，精密机械制造的逐步发展，对清洗技术提出慢慢的升高的要求。环境污染控制也使得湿法清洗的费用日益增加。相对而言，干法清洗在这样一些方面有较大优势，特别是以等离子清洗技术为主的清洗技术已逐步在半导体、电子组装、精密机械等行业开始应用。因此，有必要了解等离子清洗的机理及其应用工艺。二、等离子体清洗机理等离子体是正离子和电子的密度大致相等的电离气体。由离子、电子、自由激进分子、光子以及中性粒子组成。是物质的第四态。通常情况下，人们一致认为的物质有三态：固态、液态、气态。区分这三种状态是靠物质中所含能量的多少。气态是物质的三个状态中最高的能量状态。给气态物质更多的能量，比如加热，将会形成等离子体。当到达等离子状态时，气态分子裂变成了许许多多的高度活跃的粒子。这些裂变不是永久的，一旦用于形成等离子体的能量消失，各类粒子重新结合，形成原来的气体分子。等离子体技术在本世纪六十年代起就开始应用于化学合成、薄膜制备、表面处理和精细化工等领域，在大规模或超大规模集成电路工艺干法化、低温化方面，在近年来也开发应用了等离子体聚合、等离子体蚀刻、等离子体灰化及等离子体阳极氧化等全干法工艺技术。等离子清洗技术也是工艺干法化的进步成果之一。与湿法清洗不同，等离子清洗的机理是依靠处于“等离子态”的物质的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。从目前各类清理洗涤方法来看，可能等离子体清洗也是所有清理洗涤方法中最为彻底的剥离式的清洗。干法工艺与湿法清洗的主要区别如下：就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：a.无机气体被激发到等离子态。b.气相物质被吸附在固体表面。c.被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子。d.产物分子解析形成气相。e.反应残余物脱离表面。气体被激发到等离子态有多种方式，如激光、微波、电晕放电、热电离、弧光放电等多种方式，在电子清洗中，主要是低压气体辉光等离子体。一些非聚合性无机气体（Ar2、N2、H2、O2等）在高频低压下被激发，产生含有离子、激发态分子，自由基等多种活性粒子，一般在等离子清洗中，可把活化气体分为两类，一类为惰性气体的等离子体(如Ar2、N2 等)；另一类为反应性气体的等离子体(如O2、H2 等)。这些活性粒子能与表面材料发生反应，其反应过程如下：? 电子--气体分子--激发----激发态分子--------清洗（浸蚀、溅射）离解自由基?在这一过程中等离子体能有效地使材料表面层中产生大量自由基，这种作用在高分子表面特别明显。在半导体领域，反应性等离子体的研究很早就十分活跃。如，CF4和O2混合的等离子体清洗。我们大家可以通过控制CF4的流量来控制反应的进度。以辉光放电氢等离子体为例：H2+hv+eH2+e*→H2*+e 2H·+eH2+2e H2+e H·+H++2e·同样对于氧气、水、和有机物也有如下反应：O2 →2O·H2O→OH·+H·CH4→CH3·+H·R1R2→R1·+R2·等离子清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可做处理，如金属、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)等原基材料都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。清洗的及其重要的作用之一是提高膜的附着力，如在Si衬底上沉积Au膜，经Ar等离子体处理掉表面的碳氢化合物和其它污染，显著改善了Au的附着力。等离子体处理后的基体表面，会留下一层含氟化物的灰色物质，可用溶液去掉。同时有利于改善表面沾着性和润湿性。在清洗过程中经等离子体表面活化形成的自由基，能够进一步加成特定官能团，这种特定官能团的引入，特别是含氧官能团，对改善材料的沾着性和湿润性能起着明显的作用。实验表明：不仅引入氧的等离子体，而且，Ar，N等的等离子体同样能导入含氧的官能团。如：-OH、-OOH等，最典型的是当高分子材料与氧等离子体接触时在刚生成的自由基位置羟基化或羧基化。其反应为：R·+O·→RO·R·+O2→ROO·针对不一样的等离子体，可能都会有一定种类的副产物出现，如四氟化碳与氧的等离子体在和聚合物发生反应裂解成水蒸汽、二氧化碳、和少量氢氟酸，这些氢氟酸是反应的副产品，有毒，但可用碱式湿法洗涤器去除。???等离子工艺常规的化学洗涤具有若干优势，等离子由于使用电能催化化学反应而不是热能,因此提供了一个低温度的环境。等离子排除了由于湿式化学洗涤带来的危险，并且与其它清洗方式相比的最大优点是清洗后无废液。总之，等离子工艺是一种简单到几乎不需管理的清洗工艺。三、等离子体清洗的应用通常来说，清洗/蚀刻意思是去除产生干扰的材料。清理洗涤效果的两个实例是去除氧化物以提高钎焊质量和去除金属、陶瓷、及塑料表面有机污染物以改善粘接性能，是因为玻璃、陶瓷和塑料（如聚丙烯、PTFE等）绝大多数都是没有极性的，因此这些材料在进行粘合、油漆和涂覆之前要进行表面活化处理。等离子体最初应用于硅片及混装电路的清洗以提高键接引线和钎焊的可靠性。如:去除半导体表面的有机污染以保证良好的焊点连接、引线键合和金属化,以及PCB、混装电路 MCMS（多芯片组装）混装电路中来自键接表面由上一工序留下的有机污染，如残余焊剂、多余的树脂等。清洗的各种例子不胜枚举。在诸如此类的应用中我们将列举一些典型的等离子体清洗工艺。1 蚀刻工艺某一些程度来讲，等离子清洗实质上是等离子体刻蚀的一种较轻微的情况。进行干式蚀刻工艺的设备包括反应室、电源、真空部分。工件送入被真空泵抽空的反应室。气体被导入并与等离子体进行交换。等离子体在工件表面发生反应，反应的挥发性副产物被真空泵抽走。等离子体刻蚀工艺实际上便是一种反应性等离子工艺。近期的发展是在反应室的内部安装成搁架形式，这种设计的是富有弹性的，用户都能够移去架子来配置合适的等到离子体的蚀刻方法：反应性等离子体（RIE），顺流等离子体（downstream），直接等离子体（direction plasma）。所谓直接等离子体，亦称作反应离子蚀刻，是等离子的一种直接浸蚀形式。它的主要优势是高的蚀刻率和高的均匀性。直接等离子体具有较低浸蚀但工件却暴露在射线区。顺流等离子是种较弱的工艺，它适合去除厚为10-50埃的薄层。在射线区或等离子中，人们担心工件受到损坏，目前，这种担心还没有证据，看来只有在重复的高射线分钟才有几率发生，一般的情况下，这样的条件只在大的薄片及不是短时的清洗中。2 在引线的键合中在等离子清洗的工装设计采用一些特殊结构能够完全满足用户每小时清洗500到1000个引线框的要求。这种工艺对COB’S（裸芯片封装）或其它的封装都采用相同的工艺条件便能提供给用户一种简单而有效的清洗。板上芯片连接技术（DCA）中，无论是焊线芯片工艺、倒装芯片、卷带自动结合技术中，整个芯片封装工艺中，等离子清洗工艺都将作为一种关键技术存在。对整个IC封装的可靠性产生重要影响。以COB’S为例：芯片粘接（Die bonding）-固化（Cure）-等离子清洗（Plasma cleaning）-线焊（Wire bond）-包装-固化3 BGA封装工艺在BGA工艺中，对表面清洁和处理都是很严格的，焊球与基板的连接要求一个洁净表面以保证焊接的一致性和可靠性。等离子体处理它能够保证不留痕迹，BGA焊盘要求等离子处理来确保良好的粘接性能，并且，已有批量和在线 混装电路混装电路出现的问题是引线与表面的虚接，这主要归因于电路表面的焊剂、光刻胶及其它一些残留物质。针对这种清洗，要用到氩的等离子体清洗，氩等离子体可以去除锡的氧化物或金属，从而改变电性能，此外，键接前的氩等离子体还用于清洗金属化、芯片粘接和最后封装前的铝基板。5 硬盘用等离子清洗来去除由上一步溅镀工艺留下的残余物，同时基材表面经过处理，对改变基材的润湿性，减小摩擦，很有好处。6 去除光致抗蚀剂在晶片制造工艺中，使用氧等离子体去除晶片表面抗蚀剂（photoresist）。干式工艺唯一的缺点是等离子体区的活性粒子可能会对一些电敏感性的设备造成损害。未解决这一问题，人们发展了几种工艺，其一是用一个法拉第装置以隔离轰击晶片表面和电子和离子；另一种方法是将清洗蚀刻对象置于活性等离子区之外。（顺流等离子清洗）蚀刻率因电压，气压以及胶的量而定，典型的刻蚀率为每分钟1000埃，正常需要10 分钟时间。7 液晶显示器生产中的清洗：在液晶清洗中的干式清洗，使用的活化气体是氧的等离子体，它能除去油性污垢和脏物粒子，因为氧等离子体可将有机物氧化，形成气体排出。它的唯一问题是需要在去除粒子后加入一个除静电装置清洗工艺如下：研磨---吹气----氧等离子体----除静电通过干式洗净工艺后的电极端子与显示器，增强了偏光板粘贴的成品率，并且电极端与导电膜间的粘附性也大大改善。8 精密零件清洗：在经过机械加工的零件表面主要残留物为油类污染，采用O2等离子体去除会特别有效。四、结束语在最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理洗涤，可以把这种损伤减小到最底程度。另外，国外已经展开了对等离子体清洗残余物毒性的深入研究，相信，不久以后，等离子清理洗涤设施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。我们针对等离子清洗的工艺也已经进行了一定研究和设备的研制,希望今后和国内外同行就干法清洗工艺方面做有益的探讨和交流。低温等离子体技术在材料表面改性中的应用页面功能 ?【字体：大中小】????【打印本页】????【返回】发表时间 [2008-1-14]??? 点击次数 [2549]??? 作者： jinying????? ???????????? 手机天线塑料支架贴合前等离子处理,以提高结合力??? 低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，可完全破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。?一、形成装置及影响因素?? 选择适宜的放电方式可获得不同性质和应用特点的等离子体，通常，热等离子体是气体在大气压下电晕放电产生，冷等离子体由低压气体辉光放电形成。热等离子体装置是利用带电体尖端(如刀状或针状尖端和狭缝式电极)造成不均匀电场，称电晕放电，使用电压和频率、电极间距、处理温度和时间对电晕处理效果都有影响。电压升高、电源频率增大，则处理强度大，处理效果好。但电源频率过高或电极间隙太宽，会引起电极间过多的离子碰撞，造成不必要的能量损耗；而电极间距太小，会有感应损失，也有能量损耗。处理温度比较高时，表面特性的变化较快。处理时间延长，极性基团会增多；但时间过长，表面则可能会产生分解物，形成新的弱界面层。?? 冷等离子体装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这时会发出辉光，故称为辉光放电处理。辉光放电时的气压大小对材料处理效果有特别大的影响，另外与放电功率，气体成分及流动速度、材料类型等因素相关。?? 不同的放电方式、工作物质状态及上述影响等离子体产生的因素，相互组合可形成各种低温等离子体处理设备。二、在表面改性中的应用?? 低温等离子体技术具有工艺简单、操作便捷、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，在表面改性中广泛的应用。1. 表面处理?? 通过低温等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到一定的改善。?? 用几种常用的等离子体对硅橡胶进行表面处理，根据结果得出N2、Ar、O2、CH4-O2及Ar-CH4-O2等离子体均能改善硅橡胶的亲水性，其中CH4-O2和Ar-CH4-O2的效果更加好，且不随时间发生退化。英国派克制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中，提高了塑料的润湿率。?? 上述表明，用低温等离子体在适宜的工艺条件下处理PE、PP、PVF2、LDPE等材料，材料的表面形态发生的显著变化，引入了多种含氧基团，使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性，有利于粘结、涂覆和印刷。?? 塑料、橡胶、纤维等高分子材料在成形过程中加入的增塑剂、引发剂及残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面，形成无定形层，使润湿性等性能变差。尤其对医用材料，低分子物渗出会影响到生物机体的正常功能。低温等离子体技术可在高分子材料表明产生交联层，成为低分子物渗出的屏障。?? 2. 表面聚合?? 大多数有机物气体在低温等离子体作用下，聚合并沉积在固体表明产生连续、均匀、无针孔的超薄膜，可用作材料的防护层、绝缘层、气体和液体分离膜以及激光光导向膜等，应用于光学、电子学、医学等许多领域。?? 以聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯塑料均可制成价廉且易于加工的光学透镜，但其表面硬度太低，易产生划痕。采用有机氟或有机硅单体，采用低温等离子体聚合技术在透镜表面沉积出10nm的薄层，可改善其抗划痕性和反射指数。国外还有等离子体化学气相沉积技术应用于塑料窗用玻璃、汽车百叶窗和氖灯、卤天灯的反光镜的报道。?? 等离子体聚合膜具有多种性能，可使同样的基材应用于很多领域。在金属和塑料上涂类金刚石碳耐磨涂料的化学气相沉积技术是把含碳气体导入等离子体中，该涂层耐化学药品、无针孔、不渗透，能防止各种化学药品侵蚀基材。同样还可将减摩涂料涂于挡风玻璃雨刮器上，或将低摩涂层涂于计算机磁盘上以降低磁头磁撞。?? 等离子聚乙烯膜沉积于硅橡胶表面后，硅橡胶对氧气的透过系数明显降低。由含氮单体制备反渗透膜，最高可阻出98%的食盐。生物体内的缓释药物一般都会采用高分子微囊，亦可采用等离子体聚合技术在微囊表明产生反渗透膜层。等离子体聚合物膜在传感元件上的应用研究表明，放电功率等因素对膜电阻值有较大影响。用各种乙烯基单体和Ar辉光放电处理织物，其疏水性及染色性能在极短时间里便有改善。3. 表面接枝?? 以等离子体接枝聚合进行材料表面改性，接枝层同表面分子以共价键结合，可获得优良、耐久的改性效果。美国曾将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合，改性后纤维吸水性大幅度提高，同时抗静电性能也有改善。白敏冬等用Ar等离子体处理尼龙绸表面，引入丙烯酸，接枝聚合使尼龙绸抗静电性增强。低温等离子体接枝改性毛织物原料及成品，可改善毛绒表面性能、增强着色性、软化织物、降低缩水率，且毛织物本体不受影响。涤纶纤维坚固耐穿，但其结构紧密、吸水性差、难染色，王雪燕等用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性，接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高。?? 低温等离子体对医用材料表面处理，可引入氨基、羰基等基团，生物活性物质与这些基团接枝反应可固定于材料表面。用等离子体处理聚丙烯膜，引入氨基，再通过共价键接枝，固定上葡萄糖氧化酶，经测定，接枝率分别达52μg/cm2和34μg/cm2。1、何谓等离子清洗机?等离子清洗机采用气体作为清洗介质，有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二次污染。等离子清洗机外接一台真空泵，工作时清洗腔中的等离子体轻柔冲刷被清洗物的表面，短时间的清洗就可以使有机污染物被彻底地清洗掉，同时污染物被真空泵抽走，其清洗程度达到分子级。等离子清洗器除了具有超清洗功能外，在特定条件下还可根据自身的需求改变某些材料表面的性能，等离子体作用于材料表面，使表面分子的化学键发生重组，形成新的表面特性。对某些有特殊用途的材料，在超清洗过程中等离子清洗器的辉光放电不但加强了这些材料的粘附性、相容性和浸润性，并可消毒和杀菌。等离子清洗器大范围的应用于光学、光电子学、电子学、材料科学、生命科学、高分子科学、生物医学、微观流体学等领域。等离子清洗机的应用，起源于20世纪初，随着高科技产业的加快速度进行发展，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最大，首推电子资讯工业，尤其是半导体业与光电工业。等离子清洗机已应用于各种电子元件的制造，可以确信，没有等离子清洗机及其清洗技术，就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外，等离子清洗机及其清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上，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，此方面应用需求将慢慢的变大。2 、等离子清洗机的技术原理2.1 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、业态、气态3种状态存在，但在一些特殊的情况下可以以第四中状态存在，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，又称位物质的第四态。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。2.2 如何用人工方法制得等离子体除了在自己已存在的等离子体以外，用人工方法在一些范围内也可以制得等离子体。最早是在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。后面的发现是通过多种形式，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，能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。在一般资料中常能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：第一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，氧气饿饭脑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复杂。2.3 等离子体的种类（1）低温和高温可分为高温等离子体和低温等离子体两类，在等离子体中，不同微粒的温度其实就是不同的，所具有的温度是与微粒的动能即运动速度质量有关，把等离子体中存在的离子的温度用Ti表示，电子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示，对于Te大大高于Ti和Tn的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只有几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质量很小，在电池中容易得到加快，从而可获得平均可达数电子伏特的高能量，对于电子，此能量的对应温度为几万度（K），而弟子由于质量较大，很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒子温度较低（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大幅度提升，各种微粒的温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就是自己界中的高温等离子体。由于高温等离子体对物体表面的作用过于强强烈，因此在实际应用中很少使用，目前投入到正常的使用中的只有低温等离子体，因为在本文中将低温等离子体简称为等离子体，希望不会引起读者误解。（2）活泼气体和不活泼气体等离子体，根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同，可分为不活泼气体等离子体和活泼气体等离子体两类，不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（O2）、氢气（H2）等，不一样的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性，这将在后面结合具体应用实例介绍。2.4 等离子体与物体表面的作用在等离子体中除了气体分子、离子和电子外，还存在受到能量激励状态的电中性的原子或原子团（又成自由基），以及等离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离子体与物质表面相互作用时有着及其重要的作用。2.4.1 原子团等自由基与物体表面的反应由于这些自由基呈电重型，存在寿命较长，而且在离子体中的数量多于离子，因此自由基在等离子体中发挥着及其重要的作用，自由基的作用主要体现在化学反应过程中能量传递的活化作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量，因此易于与物体表面分子结合时会形成新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态，很有几率发生分解反应，在变成较小分子同时生成新的自由基，这种反应过程还可能接着来进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简单分子。在另一些情况下，自由基与物体表面分子结合的同时，会释放出大量的结合能，这种能量又成为引发新的表面反应推动力，从而引发物体表面上的物质发生化学反应而被去除。2.4.2 电子与物体表面的作用?一方面电子对物体表面的撞击作用，可促使吸附在物体表面的气体分子发生分解和解吸，另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。由于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快的多，当进行等离子体处理时，电子要比离子更早达到物体表面，并使表面带有负电荷，这有利于引发进一步反应。2.4.3 离子与物体表面的作用?通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速冲向带负电荷表面的倾向，此时使物体表面获得相当大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们在这种现象称为溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生的几率。2.4.4 紫外性与物体表面的反应紫外性有着非常强的光能，可使附着在物体表面物质的分子键发生断裂而分解，而且紫外线具有很强的穿透能力，可透过物体的表面深入达数微米而产生作用。综上所述，可知等离子清洗是利用等离子体内的各种具有高能量的物质和活化作用，将附着在物体表面的污垢彻底剥离去除。3 离子清洗机/等离子清理洗涤设施的结构及工作原理研究3.1 离子清洗机/等离子清理洗涤设施的基本构造根据用途的不同，可选用多种构造的等离子清理洗涤设施，并可通过选用不一样的种类的气体，调整装置的特征参数等方法使工艺流程实现最佳化，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管理系统等部分所组成。通常使用的真空泵是旋转油泵，高频电源通常用13.56M赫兹的无线电波，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，使线Pa左右的标准真空度。一般排气时间大约需要2min。（2）向真空室引入等离子清洗用的气体，并使其压力保持在100Pa。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在被处理工件，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，并将气体及汽化的污垢排出，同时向真空室内鼓入空气，并使气压升至一个大气压。?3.2 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）不使用三氯乙甲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理洗涤方法。（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理洗涤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就可以完成，因此具有效率高的特点。（5）等离子清洗需要控制的线Pa，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、排放等处理解决措施，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，很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、局部或复杂结构可以进行部分清洗。（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很重要的。3.3 离子清洗机/等离子清理洗涤设施的原理理论分析我们先简单的定义什么是等离子体，等离子体是一团含有正离子、电子、自由基及中性气体原子所组成的会发光的气体团，如日光灯、霓红灯发亮的状态，就是属于等离子体发亮的状态。等离子体的产生最主要是靠电子去撞击中性气体原子，使中性气体原子解离而产生等离子体，但中性气体原子核对其外围的电子有一束缚的能量，我们称它为束缚能，而外界的电子能量必须大于此束缚能，才会有能力解离此中性气体原子，但是，此外界的电子往往是能量不足的，没有解离中性气体原子的能力，所以，我们一定要用外加能量的方法给原子电子能量，使电子有利用解离此中性气体原子。要外加能量给电子，最简单的方法就是用平行电极板加一直流电压，电子在电极中，会被带正电的电极所吸引而加速，在加速的过程中电子可以累积能量，当电子的能量达到某一程度时，就有能力来解离中性气体原子，能产生高密度等离子体的方法有很多种，在此我们简单的介绍一些能产生高密度等离子体的方法。3.3.1 感应偶合式等离子体产生法（ICP）感应偶合式等离子体与（Inductively－Couplede－Plasma，ICP）的工作原理，就是在线圈上加上一个高频电源，当线圈上的电流改变时，就可有安培定律知道，当感应产生一变动磁场，同时可由法拉第定律知道此变动之磁场会感应出一个反应方向的电场，此电场会加速等离子体中的电子而形成一线圈电流相反的二次电流。并且随着与加于线圈上的电流不断改变，而感应出的电场也不断改变，这不断改变电场与平板式高调波等离子体一样能用来加速电子以维持等离子体，所不同的是电场与电极方向不同。在平板式高调波等离子体中电子受电场影响而运动方向垂直于电极，所以会有许多电子逃离等离子体跑到电极上，使能量消耗在加热电极上，而在感应偶合式等离子中，电子受感应电场的影响而使运动方向与电极平行，因此不会有太多的电子损耗在电极上，固可以维持线圈周围相当高的电子密度。 ICP的主要优点为：（1）等离子体密度高、解离率高，能够在相当大的压力范围上保持高密度等离子体。（2）平板式ICP可大面积操作。（3）ICP等离子体中的电子温度低、离子动能低、等离子体电位低。（4）等离子体密度及离子转击基板的动能可分开控制。（5）设备简单。但其唯一的缺点为线圈电极可能被离子打出而污染镀膜品质，一般改善的方法有：（1）将线圈电极的一端接地以降低线圈电极之电位，即减少电容效应。（2）并联一直流电压以防止离子转击。（3）可使用法拉第屏蔽（Faradays shielding）以消除电容效应。（4）将线圈以介电材料被覆（coating）以降低等离子体电位。3.3.2 阴极等离子体产生法（HCF在一金属管装物，可为圆形、方形、椭圆形或其他形状，在外加一高调波在此管状物上，会产生一个自我偏压，故造成整支管子都是带一偏压，这使电子无论是往哪一方向作运动，都会被排斥，所以，电子在管内会作来回振荡的运动，固电子在碰撞到电极板前，能走更长的距离，这就是表示电子会有更多的机会或几率与中性气体原子产生碰撞，由此产生等离子体。3.3.3 电子回旋共振电浆产生法（ECR）此为微波（Microwave）与磁场共同组合的一种等离子体产生法，电子在磁场中会作旋转的运动，当磁场强度越来越强时，电子旋转的速度会越快，在磁场强度为875GA/m时，电子旋转的频率为2.45G赫兹，此频率恰巧为微波的频率，因频率相近而产生共振，此共振现象就有利于电子吸收微波的能量，因拥有较高能量的电子，这将有利于等离子体的产生。3.3.4 电容耦合式与感应耦合式离子体的差异性能比较传统型的离子设备一般又称电容耦合等离子机（capacitor coupled plasma，CCP或CP）或电场耦合式等离子机（electric field coupled plasma），因为两电极间所形成电容之间产生电场的等效电路故称之。这种电容式的等离子体系统虽行之有年，却有其据点存在，当粒子被RF电场加速时，其粒子顺着电场方向来回碰撞，因此造成两个问题，一为粒子因向上下电机板加速产生碰撞造成动能的损耗，二为由于晶片通常置于其中一电极，在粒子向两极加速的中过程中，易于对晶片上的元件造成损伤，又由于粒子动能的损耗使得电浆的效率无法提高，因此其密度只能维持在109ion/cm3的数量级，因此电容式电浆用于蚀刻时，绝大多数都是具有物物理蚀刻和化学蚀刻双重作用的合成，限于等离子体密度无法提高，单位面积内的活化离子数目以及化学蚀刻反应也受到了带电粒子数目的限制，在低压状况下（1.333mPa以下），由于离子数目过低而造成等离子体无法维持的状况，因此电容耦合式电浆很难用于低压下蚀刻而且也不是很有效率，为了尽最大可能避免此一困扰，使用者将制成的压力提高到及几毫帕或几十豪帕的范围，此压力范围若应用于CVD就很好，但是若应用于蚀刻就会产生等向蚀刻的效应，此效应和化学蚀刻并没有太大差别，因为在此压力范围内，粒子的mean free－path已小到0.1mm以下，粒子进入晶片表面法向分量与切向分量已没任何差别。因此其纵向蚀刻速率与横向蚀刻速率几近相等，即所谓的等向蚀刻。20世纪80年代末期，出现了磁场耦合方式的等离子体，或称感应耦合式（Inductively Coupled Plasma，ICP）在特性上取代了电场耦合方式（即电容式等离子体），该种等离子体在结构上由电感产生感应磁场，再利用此磁场产生感应而得到二次感应而得到二次感应电流环绕此磁场，由于此结构类似变压器原理，因此又称之为变压器耦合待离子体（transformer coupled plasma）此结构的优点是带电粒子功能损耗的缺点而使得效率极大的提升，借而提升电浆密度，更有利的一点是因为粒子的加速方向平行于晶牌片表面的切线方向，因此不至于造成对元件的损伤，这种封闭式的加速路径使得粒子之间的碰撞几率大幅度提升，因此，磁场耦合式等离子体的密度高达1011－1013ion/cm3数量级。更重要的一点是由于其效率高、密度大，等离子体在压力小于0.133mPa以下的范围仍可维持1011－1013ion/cm2的数量级。由于此一优点，等离子体系统的工作所承受的压力可以延伸到0.133mpa以下，低工作所承受的压力得好处在于粒子的mean －free－path大，借由偏移压场可以辅助带电粒子向晶片的入射方向，不致因受到太多的碰撞而产生散射效应，此入射方向决定蚀刻角度的关键参数。在0.133－1.133mPa的压力范围下操作，其蚀刻角度可以到近于90度的垂直效果，此乃高密度等离子体的重要特性之一。3.3.5 等离子清洗机机理分析电浆与材料表面可产生的反应主要有两种，一种是靠自由基来做化学反应，另一种则是靠等离子作物理反应，以下将作更详细的说明。（1）化学反应（Chemical reaction）在化学反应里常用的气体有氢气（H2）、氧气（O2）、甲烷（CF4）等，这些气体在电浆内反应成高活性的自由基，其方程式为：这些自由基会促进与材料表面作反应。其反应机理主要是利用等离子体里的自由基来与材料表面做化学反应，在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，就必须控制较高的压力来近进行反应。（2）物理反应（Physical reaction）主要是利用等离子体里的离子作纯物理的撞击，把材料表面的原子或附着材料表面的原子打掉，由于离子在压力较低时的平均自由基较轻长，有得能量的累积，因而在物理撞击时，离子的能量越高，越是有的作撞击，所以若要以物理反应为主时，就必须控制较的压力下来进行反应，这样清理洗涤效果较好六甲基二硅醚(HMDSO), 六甲基二硅烷胺(HMDSN),四乙二醇二甲醚，六氟乙烷(C2F6)....]表面涂层所需要的工艺气体

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