等離子清洗機清洗原理
等離子清洗機清洗原理是利用氣體在特定的交變電場激蕩下變成等離子體，等離子體在偏壓作用下被加速產(chǎn)生動能，移動粒子轟擊待清洗器件的表面，使污染物脫離表面，同時和污染物反應(yīng)生成易揮發(fā)性的化合物，使表面污染物變成附著力低的粒子和氣態(tài)物質(zhì)。清潔過程可以通過與自由基氧、氫、氟或氯物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)或通過重離子（例如氬離子）的高能離子濺射來實現(xiàn)。等離子清洗機是通過等離子放電過程產(chǎn)生化學(xué)活性自由基和高能離子的設(shè)備。等離子體可以通過射頻、微波或直流輝光放電產(chǎn)生。
等離子清洗機清洗原理示意圖
等離子清洗機結(jié)構(gòu)及其工作流程
等離子清洗機包括真空室、真空系統(tǒng)、射頻電源及匹配系統(tǒng)、工藝氣路系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。抽真空到100Pa以下,充入一定流量的工作氣體,開啟射頻電源及匹配系統(tǒng),產(chǎn)生等離子體,對工件進行清洗,清洗完成后關(guān)閉射頻電源及真空泵閥,和工藝氣路,打開充氣閥,使真空室恢復(fù)大氣壓力就可打開真空爐門,取出工件完成整個清洗過程。
圖一 等離子清洗機結(jié)構(gòu)示意圖
1-產(chǎn)品 2-載物托盤 3-真空室 4-角閥 5-氣瓶 6-壓力控制系統(tǒng) 7-電極 8-電極 9-等離子發(fā)生器 10-真空泵
等離子清洗機清洗原理如下：
空間內(nèi)部的等離子體與材料表面發(fā)生反應(yīng)是等離子體清洗的主要機理，其中反應(yīng)大致可分為兩種：一種是氣體電離產(chǎn)生的自由基活性粒子與材料表面污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；另一種是電離產(chǎn)生的正離子和電子轟擊材料表面發(fā)生使污染物從材料表面脫落的物理反應(yīng)，下面就這兩種反應(yīng)展開描述。
化學(xué)清洗
在化學(xué)清洗里常用的氣體有氫氣、氧氣、甲烷等，這些氣體在等離子體內(nèi)通過電離形成高活性的自由基與污染物進行化學(xué)反應(yīng)。
氣體放電產(chǎn)生的等離子體中有電子、正離子、亞穩(wěn)態(tài)的分子和原子等，當(dāng)被清洗間浸沒到等離子中時，等離子體中的化學(xué)活性粒子就與材料表面的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如果是氫離子，反應(yīng)為還原反應(yīng)；如果是氧離子，則發(fā)生氧化反應(yīng)。圖二分別是氧等離子體和氫等離子體清洗時反應(yīng)的原理圖，其中(a)表示氧等離子體反應(yīng)的過程，可以看出，氧等離子體中的活性粒子與有機污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有機污染物被分解，生成了二氧化碳；(b)則表示氫等離子反應(yīng)的過程，氫等離子體中的活性粒子與氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，氧化物被還原成水。
圖二-等離子體化學(xué)清洗原理示意圖
( a)氧等離子清洗有機污物; (b) 氫等離子清洗污染物
以氧氣(O2)為例其方程式為:
O2+e-→2O*+e-
O*+有機物→CO2+H2O
氧氣等離子清洗原理示意圖
化學(xué)清洗具有清洗速度高，選擇性好的特點，但是其在清洗過程中可能在被清洗表面重新產(chǎn)生氧化物，而氧化物的生成在半導(dǎo)體封裝的引線鍵合工藝中是絕對不允許出現(xiàn)的，因此在引線鍵合工藝中若需要采用化學(xué)清洗，則需要嚴(yán)格控制化學(xué)清洗的工藝參數(shù)。
物理清洗
在物理清洗里常用的氣體為氬氣。其作用機理是利用等離子體里的離子作純物理的撞擊，把材料表面的原子或附著材料表面的原子打掉，如圖3所示。由于離子在壓力較低時的平均自由基較長，有著能量的累積，因而在物理撞擊時，離子的能量越高，越是有的作撞擊，所以若要以物理反應(yīng)為主時，就必須控制較低的壓力下來進行反應(yīng)，這樣清洗效果較好。其作用方程式為:
Ar+e－→Ar++2e－
Ar++沾污→揮發(fā)性沾污
氬氣等離子清洗原理示意圖
物理清洗是半導(dǎo)體封裝工藝中最常用的等離子清洗方法。經(jīng)過氬等離子清洗后，能夠改變材料表面的微觀形態(tài)，提高表面活性和附著性能，同時不會產(chǎn)生氧化物，對提高鍵合工藝的可靠性有很大的幫助。
綜上所述，等離子清洗機清洗原理是在真空狀態(tài)下使電極之間形成高頻交變電場，區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場的激蕩下，形成等離子體，活性等離子對被清洗物進行物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)雙重作用，使被清洗物表面沾污物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過抽真空排出，而達到清洗目的。
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