气体流向对等离子清洗工艺的影响

刘彦利,高晓伟

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

等离子清洗又称为干法清洗，是在射频电源的激发下，将氧气、氩气等工艺气体激发成离子态，进而与待清洗工件表面的杂质发生化学、物理反应，反应生成的产物再通过真空泵将其抽走，从而达到清洗目的，等离子清洗的好坏直接决定了成品率的高低，等离子清洗可应用于半导体、厚膜电路、元器件封装前、COG前、PCB、连接器和继电器等行业的精密清洗，塑料、橡胶、金属和陶瓷等表面的活化以及生命科学实验等[1，2]。

随着技术水平的不断更新迭代，以及各生产厂家对产品洁净度要求的不断提高，清洗工艺逐步由湿法向干法转变。干法清洗通过气体形成的等离子体在工件表面发生作用，不需要经化学试剂浸泡，也不用烘干，过程更加洁净安全。清洗过程也方便控制，工作环境及人员安全明显改善，在成本有效减少的同时，产品成品率及优品率也得到很大提高，目前已成为各半导体产品领域广泛应用的技术。

1 等离子清洗原理及主要影响工艺参数

1.1 等离子清洗原理

等离子产生的原理是：给一组电极施加射频电压，电极之间形成高频交变电场，区域内气体在交变电场的激荡下，产生等离子体。活性等离子对被清洗物进行表面物理轰击与化学反应双重作用，使被清洗物表面物质变成粒子和气态物质，经过抽真空排出，而达到清洗目的[3]。

等离子物理清洗过程：

表面反应以物理反应为主的等离子体清洗，典型的为氩等离子轰击物体表面，使其产生一定的粗糙度，以获得表面的最大化，同时亲水性也会增大，如图1所示。

图1 物理清洗前后

等离子化学清洗过程：

表面反应以化学反应为主的等离子清洗，典型的为氧气在真空状态下，利用射频电源激发形成离子态，与有机物发生化学反应，形成CO2和H2O，然后经真空泵将其抽走，达到清洗目的，如图2所示。

有机物+O2→CO2+H2O

图2 化学清洗前后

1.2 等离子清洗主要影响工艺参数

影响等离子清洗效果的工艺参数有很多。主要包括工艺气体流向，工艺气体流量，射频功率，射频频率，清洗时间和真空压力值。具体各参数对等离子清洗影响如表1。

表1 各工艺参数对等离子清洗的影响

2 气体流向对等离子清洗工艺的影响

在等离子清洗时，影响清洗工艺的参数中，真空压力值由仓体本身焊接密封性等决定，选择合适的真空泵达到的真空压力值一般已成为定值，工艺气体选择、工艺气体流量大小、射频功率、清洗时间等都可以根据工艺要求在等离子清洗设备屏幕上很简便地调节数值，达到合理的匹配，获得较好的清洗效果。

因此，在设计时，合理控制仓体中的气体流向就对清洗效果显得尤为重要，进出气口的多少、位置直接决定了仓体内的气体流向，也直接影响了待清洗工件的清洗效果。

2.1 实验设计

本实验仓体属于接近正方体的反应仓，为前进气、后抽气方式，前进气为前面板四周带孔的不锈钢管四周进气，进气较为均匀，但出气仅有一个直径为50 mm的抽气孔，抽气较为集中，改进方式为在抽气口处添加一块孔位合理排布的打散板，改变抽气方式对清洗工艺影响的实验如图3所示。

图3 改变抽气方式对清洗工艺影响的实验

实验选用13.56 MHz的射频电源，氧气流量120 sccm，真空控制在30 Pa，射频功率300W，清洗工艺时间3 min。

2.2 实验结果

实验结束后，通过测试各工件表面水滴的接触角可直观显示出清洗效果，清洗后工件表面的亲水性增强，水滴的接触角会明显减小，肉眼可见，为了得到具体的水滴接触角，可通过接触角测量仪得到。

添加打散板后，对不锈钢试验片做出的清洗前后水滴接触角有直观的显示，如图4所示。

图4 不锈钢试验片清洗前(右)后(左)接触角对照

未加打散板与添加打散板后对多种不同工件进行清洗前后水滴接触角对照及测试，所得实验前后测试数值如图5所示。

图5 清洗前后接触角测试数值

根据以上在抽气口处安装打散板前后的实验数据，可得出打散板安装前后工件表面接触角的实验结果如表2所示。

表2 打散板安装前后工件表面接触角

2.3 实验结果分析

从表2中，我们可以得出在抽气口位置添加打散板后，水滴接触角度明显减小，清洗效果显著提升。

可见，在等离子清洗的过程中，在设计时考虑到抽气不均匀，然后添加一块打散板，能够有效地控制仓体内部工艺气体的流向，让气体均匀地充满整个仓体，在射频电源的激发下，形成的离子体也在仓体内部均匀分部，对待清洗工件的清洗均匀性及优良性有大幅度改善。

3 结论

在等离子清洗流程中，很多参数如仓体真空度、射频功率、工艺气体流量、清洗时间等都对清洗效果有很大影响，搭配得当不仅可以提高工艺效率，同时节约工艺成本。这些参数中，有些如仓体真空度等属于生产定值，有些如射频功率、气体流量、清洗时间等可以根据多次反复的工艺试验进行调整得出合理值，然而，气体流向由设计者机械设计决定，进气口及抽气口位置的改变会对清洗效果产生根本性的影响。通过上述实验，得出，在抽气口位置加一块打散板，能对仓体内气体流向达到有效控制，清洗效果明显增强。