1879年，由克魯克斯首次提出“物質第四態”，由此等離子科學作為全新學科登上歷史舞臺。Strong在他的書中詳細的描述了他利用低壓輝光放電產生等離子體借此處理二氧化硅基片，然后在二氧化硅基片上鍍一層鋁薄膜，經過試驗發現二氧化硅和鋁薄膜之間的親附力得到了很大的提升。這也是第一次有記載的利用等離子體進行清洗的實驗。在上世紀六七十年代Holland及其團隊開展了輝光放電清洗技術的研究，同時建立了真空等離子清洗的基礎模型。在此之后，低壓等離子清洗技術如雨后春筍般開始蓬勃發展，到現代大氣壓等離子清洗技術、射頻等離子清洗技術、脈沖放電等離子清洗技術等多種新技術齊頭并進，并開始廣泛的應用于各行各業，尤其對于半導體行業是革命性的新技。
等離子體清洗的機理
什么是等離子體
等離子體是物質的一種存在狀態,通常物質以固態、液態、氣態3種狀態存在,但在一些特殊的情況下可以以第四種狀態存在,如太陽表面的物質和地球大氣中電離層中的物質。這類物質所處的狀態稱為等離子體狀態,又稱為物質的第四態。
等離子體中存在下列物質:處于高速運動狀態的電子;處于激活狀態的中性原子、分子、原子團(自由基);離子化的原子、分子;分子解離反應過程中生成的紫外線;未反應的分子、原子等,但物質在總體上仍保持電中性狀態。
等離子清洗原理
由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易與固體表面發生反應。等離子清洗技術主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達到去除物體表面污漬的目的。就反應機理來看,等離子體清洗通常包括以下過程:無機氣體被激發為等離子態;氣相物質被吸附在固體表面;被吸附基團與固體表面分子反應生成產物分子;產物分子解析形成氣相;反應殘余物脫離表面。
反應類型分類
等離子體與固體表面發生反應可以分為物理反應(離子轟擊)和化學反應。
物理反應機制是活性粒子轟擊待清洗表面,使污染物脫離表面最終被真空泵吸走;化學反應機制是各種活性的粒子和污染物反應生成易揮發性的物質,再由真空泵吸走揮發性的物質。以物理反應為主的等離子體清洗,其優點在于本身不發生化學反應,清潔表面不會留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化學純凈性;缺點就是對表面產生了很大的損害,會產生很大的熱效應,對被清洗表面的各種不同物質選擇性差,腐蝕速度較低。以化學反應為主的等離子體清洗的優點是清洗速度較高、選擇性好、對清除有機污染物比較有效,缺點是會在表面產生氧化物。和物理反應相比較,化學反應的缺點不易克服。并且兩種反應機制對表面微觀形貌造成的影響有顯著不同,物理反應能夠使表面在分子級范圍內變得更加“粗糙”,從而改變表面的粘接特性。
還有一種等離子體清洗是表面反應機制中物理反應和化學反應都起重要作用,即反應離子腐蝕或反應離子束腐蝕,兩種清洗可以互相促進,離子轟擊使被清洗表面產生損傷削弱其化學鍵或者形成原子態,容易吸收反應劑,離子碰撞使被清洗物加熱,使之更容易產生反應;其效果是既有較好的選擇性、清洗率、均勻性,又有較好的方向性。典型的等離子體物理清洗工藝是氬氣等離子體清洗。氬氣本身是惰性氣體,等離子體的氬氣不和表面發生反應,而是通過離子轟擊使表面清潔。典型的等離子體化學清洗工藝是氧氣等離子體清洗。通過等離子體產生的氧自由基非常活潑,容易與碳氫化合物發生反應,產生二氧化碳、一氧化碳和水等易揮發物,從而去除表面的污染物。
等離子清洗技術在封裝工藝中的應用
在微電子封裝的生產過程中,由于指印、助焊劑、各種交叉污染、自然氧化等,器件和材料表面會形成各種沾污,包括有機物、環氧樹脂、光刻膠、焊料、金屬鹽等。這些沾污會明顯地影響封裝生產過程中的相關工藝質量。使用等離子體清洗可以很容易清除掉生產過程中所形成的這些分子水平的污染,保證工件表面原子與即將附著材料的原子之間緊密接觸,從而有效地提高引線鍵合強度,改善芯片粘接質量,減少封裝漏氣率,提高元器件的性能、成品率和可靠性。我所在鋁絲鍵合前采用等離子體清洗后,鍵合成品率提高10%,鍵合強度一致性也有提高。在微電子封裝中,等離子體清洗工藝的選擇取決于后續工藝對材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學組成以及污染物的性質等。通常應用于等離子體清洗的氣體有氬氣、氧氣、氫氣、四氟化碳及其混合氣體等。
等離子清洗技術的特點和優勢
與濕法清洗相比,等離子清洗技術的優勢表現在以下8個方面：
(1)在經過等離子清洗以后,被清洗物體已經很干燥,不必再經干燥處理即可送往下道工序。
(2)不使用ODS有害溶劑,清洗后也不會產生有害污染物,屬于有利于環保的綠色清洗方法。
(3)用無線電波范圍的高頻產生的等離子體與激光等直射光線不同,它的方向性不強,因此它可以深入物體的微細孔眼和凹陷的內部并完成清洗任務,所以不必過多考慮被清洗物體形狀的影響,而且對這些難清洗部位的清洗效果與用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。
(4)整個清洗工藝流程在幾分鐘即可完成,因此具有效率高的特點。
(5)等離子清洗需要控制的真空度約為100Pa,這種真空度在工廠實際生產中很容易實現。這種裝置的設備成本不高,加上清洗過程不需要使用價格昂貴的有機溶劑,因此它的運行成本要低于傳統的清洗工藝。
(6)由于不需要對清洗液進行運輸、貯存、排放等處理措施,所以生產場地很容易保持清潔衛生。
(7)等離子清洗的最大技術特點是:它不分處理對象,可處理不同的基材,無論是金屬、半導體、氧化物還是高分子材料(如聚丙烯、聚氯乙烯、據四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環氧樹脂等高聚物)都可用等離子體很好地處理,因此,特別適合不耐熱和不耐溶劑的基底材料。而且還可以有選擇地對材料的整體、局部或復雜結構進行部分清洗。
(8)在完成清晰去污的同時,還能改變材料本身的表面性能,如提高表面的潤濕性能,改善膜的附著力等,這在許多應用中都是非常重要的。
相信,不久以后,等離子清洗設備和工藝就會以其在健康、環保、效益、安全等諸多方面的優勢逐步取代濕法清洗工藝,特別是在精密件清洗和新半導體材料研究和集成電路器件制造業中,等離子清洗技術應用前景廣闊。24634