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等離子清洗機(jī)原理

更新時(shí)間:2012-12-27瀏覽:4426次

 

等離子體是正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。由離子、電子、自由激進(jìn)分子、光子以及中性粒子組成。是物質(zhì)的第四態(tài)。
  通常情況下,人們普遍認(rèn)為的物質(zhì)有三態(tài):固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。區(qū)分這三種狀態(tài)是靠物質(zhì)中所含能量的多少。氣態(tài)是物質(zhì)的三個(gè)狀態(tài)中高的能量狀態(tài)
  給氣態(tài)物質(zhì)更多的能量,比如加熱,將會(huì)形成等離子體。當(dāng)?shù)竭_(dá)等離子狀態(tài)時(shí),氣態(tài)分子裂變成了許許多多的高度活躍的粒子。這些裂變不是*的,一旦用于形成等離子體的能量消失,各類粒子重新結(jié)合,形成原來的氣體分子。
  等離子體技術(shù)在本世紀(jì)六十年代起就開始應(yīng)用于化學(xué)合成、薄膜制備、表面處理和精細(xì)化工等領(lǐng)域,在大規(guī)?;虺笠?guī)模集成電路工藝干法化、低溫化方面,在近年來也開發(fā)應(yīng)用了等離子體聚合、等離子體蝕刻、等離子體灰化及等離子體陽極氧化等全干法工藝技術(shù)。等離子清洗技術(shù)也是工藝干法化的進(jìn)步成果之一。
  與濕法清洗不同,等離子清洗的機(jī)理是依靠處于等離子態(tài)的物質(zhì)的活化作用達(dá)到去除物體表面污漬的目的。從目前各類清洗方法來看,可能等離子體清洗也是所有清洗方法中為*的剝離式的清洗。
  干法工藝與濕法清洗的主要區(qū)別如下:
等離子清洗
工藝過程容易控制
一次清洗,基本沒有殘留物
濕法化學(xué)清洗
時(shí)間和化學(xué)溶劑對(duì)工藝靈敏
可能需要進(jìn)一步取出一處理或需要清洗
反映副產(chǎn)物為氣體,在通過真空系統(tǒng)及中和器后可直接排放大氣中
大量的廢棄物需要進(jìn)一步處理
反映所需氣體大多為無毒
大多數(shù)溶劑和酸有相當(dāng)?shù)亩拘?/span>

  就反應(yīng)機(jī)理來看,等離子體清洗通常包括以下過程:
a.無機(jī)氣體被激發(fā)到等離子態(tài)。
b.氣相物質(zhì)被吸附在固體表面。
c.被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子。
d.產(chǎn)物分子解析形成氣相。
e.反應(yīng)殘余物脫離表面。
  氣體被激發(fā)到等離子態(tài)有多種方式,如激光、微波、電暈放電、熱電離、弧光放電等多種方式,在電子清洗中,主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無機(jī)氣體(Ar2、N2H2、O2等)在高頻低壓下被激發(fā),產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子,自由基等多種活性粒子,一般在等離子清洗中,可把活化氣體分為兩類,一類為惰性氣體的等離子體Ar2、N2 ;另一類為反應(yīng)性氣體的等離子體O2、H2 。這些活性粒子能與表面材料發(fā)生反應(yīng),其反應(yīng)過程如下:
電子--氣體分子--激發(fā)----激發(fā)態(tài)分子--------清洗
(浸蝕、濺射)離解自由基
離子
中性分子

在這一過程中等離子體能有效地使材料表面層中產(chǎn)生大量自由基,這種作用在高分子表面特別明顯。在半導(dǎo)體領(lǐng)域,反應(yīng)性等離子體的研究很早就十分活躍。如,CF4O2混合的等離子體清洗。我們可以通過控制CF4的流量來控制反應(yīng)的進(jìn)度。
以輝光放電氫等離子體為例:
H2+hv+e
H2+e*→H2*+e
2H·+e
H2+2e
H2+e
H·+H++2e·
同樣對(duì)于氧氣、水、和有機(jī)物也有如下反應(yīng):

O2 →2O·
H2O→OH·+H·
CH4→CH3·+H·
R1R2→R1·+R2·
  等離子清洗技術(shù)的大特點(diǎn)是不分處理對(duì)象的基材類型,均可進(jìn)行處理,如金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料如:聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯等原基材料都能很好地處理,并可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。清洗的重要作用之一是提高膜的附著力,如在Si襯底上沉積Au膜,經(jīng)Ar等離子體處理掉表面的碳?xì)浠衔锖推渌廴?,明顯改善了Au的附著力。等離子體處理后的基體表面,會(huì)留下一層含氟化物的灰色物質(zhì),可用溶液去掉。同時(shí)有利于改善表面沾著性和潤濕性。在清洗過程中經(jīng)等離子體表面活化形成的自由基,能夠進(jìn)一步加成特定官能團(tuán),這種特定官能團(tuán)的引入,特別是含氧官能團(tuán),對(duì)改善材料的沾著性和濕潤性能起著明顯的作用。實(shí)驗(yàn)表明:不僅引入氧的等離子體,而且,ArN等的等離子體同樣能導(dǎo)入含氧的官能團(tuán)。如:-OH、-OOH等,典型的是當(dāng)高分子材料與氧等離子體接觸時(shí)在剛生成的自由基位置羥基化或羧基化。其反應(yīng)為:
R·+O·→RO·
R·+O2→ROO·
  針對(duì)不同的等離子體,可能都會(huì)有一定種類的副產(chǎn)物出現(xiàn),如四氟化碳與氧的等離子體在和聚合物發(fā)生反應(yīng)裂解成水蒸汽、二氧化碳、和少量氫氟酸,這些氫氟酸是反應(yīng)的副產(chǎn)品,有毒,但可用堿式濕法洗滌器去除。
:等離子清洗設(shè)備工作原理簡圖
電源
氣源

抽真空
等離子工藝常規(guī)的化學(xué)清洗具有若干優(yōu)勢,等離子由于使用電能催化化學(xué)反應(yīng)而不是熱能,因此提供了一個(gè)低溫環(huán)境。等離子排除了由于濕式化學(xué)清洗帶來的危險(xiǎn),并且與其它清洗方式相比的大優(yōu)勢在于清洗后無廢液??傊?,等離子工藝是一種簡單到幾乎不需管理的清洗工藝。

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