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等離子清洗機(jī)清洗原理

等離子清洗機(jī)清洗原理是利用氣體在特定的交變電場(chǎng)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(dòng)能，移動(dòng)粒子轟擊待清洗器件的表面，使污染物脫離表面，同時(shí)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(shí)現(xiàn)。等離子清洗機(jī)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(jī)清洗原理示意圖

等離子清洗機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作流程

等離子清洗機(jī)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(duì)工件進(jìn)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(gè)清洗過程。

圖一等離子清洗機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)，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(shí)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(jī)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)，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(duì)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(jī)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(shí)的平均自由基較長(zhǎng)，有著能量的累積，因而在物理撞擊時(shí)，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(shí)，就必須控制較低的壓力下來進(jìn)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
等離子清洗機(jī)清洗原理示意圖

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(shí)不會(huì)產(chǎn)生氧化物，對(duì)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(jī)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(chǎng)，區(qū)域內(nèi)氣體在交變電場(chǎng)的激蕩下，形成等離子體，活性等離子對(duì)被清洗物進(jìn)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(dá)到清洗目的。