等离子清洗机清洗原理

等离子清洗原理是通过产生高能等离子体以从表面去除纳米级杂质和污染物的过程。清洁过程可以通过与自由基氧、氢、氟或氯物质的化学反应或通过重离子(例如氩离子)的高能离子溅射来实现。等离子清洗机是通过等离子放电过程产生化学活性自由基和高能离子的设备。等离子体可以通过射频、微波或直流辉光放电产生。

等离子清洗原理

等离子清洗机包括真空室、真空系统、射频电源及匹配系统、工艺气路系统、压力控制系统等,如图1所示。抽真空到100Pa以下,充入一定流量的工作气体,开启射频电源及匹配系统,产生等离子体,对工件进行清洗,清洗完成后关闭射频电源及真空泵阀,和工艺气路,打开充气阀,使真空室恢复大气压力就可打开真空炉门,取出工件完成整个清洗过程。
等离子清洗机结构示意图
图一 等离子清洗机结构示意图
1-产品 2-载物托盘 3-真空室 4-角阀 5-气瓶 6-压力控制系统 7-电极 8-电极 9-等离子发生器 10-真空泵

等离子清洗机清洗原理如下:


空间内部的等离子体与材料表面发生反应是等离子体清洗的主要机理,其中反应大致可分为两种:一种是气体电离产生的自由基活性粒子与材料表面污染物发生化学反应;另一种是电离产生的正离子和电子轰击材料表面发生使污染物从材料表面脱落的物理反应,下面就这两种反应展开描述。

化学清洗

在化学清洗里常用的气体有氢气、氧气、甲烷等,这些气体在等离子体内通过电离形成高活性的自由基与污染物进行化学反应。

气体放电产生的等离子体中有电子、正离子、亚稳态的分子和原子等,当被清洗间浸没到等离子中时,等离子体中的化学活性粒子就与材料表面的污染物发生化学反应,如果是氢离子,反应为还原反应;如果是氧离子,则发生氧化反应。图二分别是氧等离子体和氢等离子体清洗时反应的原理图,其中(a)表示氧等离子体反应的过程,可以看出,氧等离子体中的活性粒子与有机污染物发生化学反应,有机污染物被分解,生成了二氧化碳;(b)则表示氢等离子反应的过程,氢等离子体中的活性粒子与氧化物发生还原反应,氧化物被还原成水。
等离子清洗机清洗原理
图二-等离子体化学清洗示意图
( a)氧等离子清洗有机污物; (b) 氢等离子清洗污染物
以氧气(O2)为例其方程式为:
O2+e-→2O*+e-
O*+有机物→CO2+H2O
等离子清洗机清洗原理
化学清洗具有清洗速度高,选择性好的特点,但是其在清洗过程中可能在被清洗表面重新产生氧化物,而氧化物的生成在半导体封装的引线键合工艺中是绝对不允许出现的,因此在引线键合工艺中若需要采用化学清洗,则需要严格控制化学清洗的工艺参数。

物理清洗

在物理清洗里常用的气体为氩气。其作用机理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,如图3所示。由于离子在压力较低时的平均自由基较长,有着能量的累积,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,就必须控制较低的压力下来进行反应,这样清洗效果较好。其作用方程式为:
Ar+e-→Ar++2e-
Ar++沾污→挥发性沾污
等离子清洗机清洗原理
物理清洗是半导体封装工艺中最常用的等离子清洗方法。经过氩等离子清洗后,能够改变材料表面的微观形态,提高表面活性和附着性能,同时不会产生氧化物,对提高键合工艺的可靠性有很大的帮助。

综上所述,等离子清洗机清洗原理是在真空状态下使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,形成等离子体,活性等离子对被清洗物进行物理轰击与化学反应双重作用,使被清洗物表面沾污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。
 

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