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等离子清洗介绍

  1 等离子体清洗的机理

  等离子体是部分电离的气体,是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。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。

  等离子体清洗的机理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。

  等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型,均可进行处理,对金属、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。

  等离子体清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术,自动化程度高;具有高精度的控制装置,时间控制的精度很高;正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层,表面质量得到保证;由于是在真空中进行,不污染环境,保证清洗表面不被二次污染。

  2 等离子体清洗分类

  2.1 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,也叫做溅射腐蚀(SPE)或离子铣(IM),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,腐蚀作用各向异性;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。

  2.2 激发频率分类:等离子态的密度和激发频率有如下关系:  nc=1.2425×108v2   其中nc为等离子态密度(cm-3),v为激发频率(Hz)。常用的等离子体激发频率有三种:激发频率为40kHz的等离子体为超声等离子体,13.56MHz的等离子体为射频等离子体,2.45GHz的等离子体为微波等离子体。

  不同等离子体产生的自偏压不一样。超声等离子体的自偏压为1000V左右,射频等离子体的自偏压为250V左右,微波等离子体的自偏压很低,只有几十伏,而且三种等离子体的机制不同。超声等离子体发生的反应为物理反应,射频等离子体发生的反应既有物理反应又有化学反应,微波等离子体发生的反应为化学反应。超声等离子体清洗对被清洁表面产生的影响最大,因而实际半导体生产应用中大多采用射频等离子体清洗和微波等离子体清洗。

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