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真空等離子清洗機(jī)


等離子清洗是通過等離子所含活性粒子與污染物分子反應(yīng)或利用產(chǎn)生的粒子轟擊被清洗表面,使污染物從被清洗表面分離的清洗方法,等離子在清洗材料表面的同時,也會對被清洗表面改性,提高潤濕性和表面的附著力等。等離子清洗設(shè)備分為真空(低壓)和大氣(常壓)兩大類型,其中真空等離子清洗機(jī)因其等離子體密度、溫度、能量易于控制的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

真空等離子清洗機(jī)清洗原理

等離子清洗可分為化學(xué)清洗
(如圖1所示)、物理清洗(如圖2所示)及兩種混合清洗。針對不同行業(yè)的清洗產(chǎn)品可選擇相對應(yīng)的工藝氣體進(jìn)行等離子清洗。

化學(xué)等離子清洗
清洗反應(yīng)是以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗??捎醚鯕獾入x子體經(jīng)過化學(xué)的反應(yīng)可以使非揮發(fā)性的有機(jī)物生成易揮發(fā)的H2O和CO2,化學(xué)式為:
O2+e-=2O※+e-
O※+非揮發(fā)性的有機(jī)物=H2O+CO2
也可用氫氣等離子體可以通過化學(xué)的反應(yīng)去除金屬表面的氧化層,清潔金屬的表面,化學(xué)式為:
H2+e-=2H※+e-
H※+非揮發(fā)性的金屬氧化物=金屬+H2O
化學(xué)等離子清洗原理示意圖
圖1 化學(xué)等離子清洗原理示意圖
 
物理等離子清洗
清洗反應(yīng)是以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗。
Ar+e- =Ar++2e-
Ar++沾污=揮發(fā)性的沾污
氬氣離子在等離子產(chǎn)生的自偏壓環(huán)境下被加速從而帶有動能,然后離子轟擊清洗工件表面,用于去除氧化物和環(huán)氧樹脂的溢出物。
物理等離子清洗原理示意圖
圖2 物理等離子清洗原理示意圖

 
混合式等離子清洗
清洗反應(yīng)中物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)均起關(guān)鍵作用。
 
真空等離子清洗機(jī)產(chǎn)生等離子體的原理

產(chǎn)生等離子體的情形有很多種,主要概括為兩類:一類是自然界中產(chǎn)生的等離子體,比如地球高空中的等離子體層自然產(chǎn)生的等離子體;另一類是人工產(chǎn)生等離子體,也就是說利用外界能量使氣體分子、原子產(chǎn)生電離,并且不需要將所有的分子、原子都電離成電子、離子。
 
真空等離子清洗機(jī)是人為產(chǎn)生等離子體的設(shè)備,產(chǎn)生等離子體最為方便的方法是將兩極板通過射頻電壓源來驅(qū)動,當(dāng)施加的電壓足夠大時,就可擊穿氣體,使得電流可在兩極板間流動,這之間的低壓(真空)氣體放電產(chǎn)生等離子體。它的原理是:在超低壓(真空)環(huán)境下,游離于氣體中的自由電子在射頻電場的作用下被加速成高能電子,從而與其他氣體分子發(fā)生碰撞使其電離,然后電離出的電子又與其他的氣體分子產(chǎn)生碰撞,造成連鎖碰撞反應(yīng),最后產(chǎn)生大量的等離子體。當(dāng)外加的電壓大于氣體分子的擊穿電壓時,在真空等離子清洗機(jī)的腔室中可以連續(xù)產(chǎn)生等離子體。
 
真空等離子清洗機(jī)的兩種放電模式及其特點(diǎn)

真空等離子清洗機(jī)依據(jù)其放電模式的不同分為電感耦合等離子體(ICP)、電容耦合等離子體(CCP)及微波等離子體。其中,微波等離子體因其極高的電源頻率而很少被使用,所以我們僅對ICP真空等離子清洗機(jī)和CCP真空等離子清洗機(jī)進(jìn)行簡單的說明,這兩種耦合方式各有優(yōu)劣。
 
ICP式真空等離子清洗機(jī)它的原理是當(dāng)有高頻電流通過ICP裝置中的線圈時,產(chǎn)生軸向磁場,磁場再在圓柱形腔室內(nèi)產(chǎn)生感生電場,在低壓環(huán)境下,氣體中的電子被加速,產(chǎn)生一連串碰撞,最終產(chǎn)生等離子體。ICP的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,在反應(yīng)腔室內(nèi)不安置電極,其使用的射頻電源一般為13.5MHz的射頻電源,這樣產(chǎn)生的等離子體密度較高,因而具有較高的的化學(xué)活性,被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)中。并且這種方式感應(yīng)耦合線圈安裝在真空室外,內(nèi)部無電極,不存在濺射污染問題,能滿足高純材料的制備和高精度的清洗要求。

CCP式真空等離子清洗機(jī)的工作原理與ICP不同,多采用平板式電極,其放電結(jié)構(gòu)由兩部分組成:放電腔室和兩塊金屬極板,一塊極板需要牢固的接地,另一塊極板經(jīng)匹配器連接到等離子體源上,這就組成了平行板式容性耦合等離子體。當(dāng)電源接通后,放電腔內(nèi)的兩平板電極組成的電容結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生高頻電場,電子在電場的作用下被賦能,做快速的往復(fù)運(yùn)動,激發(fā)原子放電,從而產(chǎn)生了等離子體。CCP的優(yōu)勢是放電面積大,具有穩(wěn)定、均勻的特點(diǎn),很容易獲得大面積的加工處理能力。


 真空等離子清洗機(jī)放電結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 兩種類型真空等離子清洗機(jī)放電結(jié)構(gòu)示意圖

 
真空等離子清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

無論是CCP,還是ICP結(jié)構(gòu)的真空等離子清洗機(jī),其結(jié)構(gòu)組成都是差不多的,系統(tǒng)主要由三大部分組成包括真空系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。只是在放電系統(tǒng)方面稍有區(qū)別,其中電容耦合式真空等離子清洗機(jī)的放電系統(tǒng)由放電腔體、平行極板、和電源及匹配網(wǎng)絡(luò)組成,電感耦合式真空等離子清洗機(jī)的放電系統(tǒng)由放電腔體,感應(yīng)線圈,和電源及匹配網(wǎng)絡(luò)組成。其放電結(jié)構(gòu)大致原理圖如圖3所示。


真空等離子清洗機(jī)的設(shè)備類型

真空等離子清洗機(jī)一般來說主要分為離線式和在線真空等離子清洗機(jī)兩大類型。離線式等離子清洗機(jī)和在線式等離子清洗機(jī)的模型,如圖4、5所示。
在線式等離子清洗機(jī)是在離線式等離子清洗機(jī)的設(shè)備基礎(chǔ)上為了盡量減少生產(chǎn)工藝中的人工參與而設(shè)計(jì)的一種設(shè)備,能夠與產(chǎn)線對接,實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)流程。
圖 4(左)離線式等離子清洗機(jī) 圖5(右)在線式等離子清洗機(jī)
圖 4(左)離線式等離子清洗機(jī) 圖5(右)在線式等離子清洗機(jī)

真空等離子清洗機(jī)對比常壓等離子清洗機(jī)的優(yōu)勢特點(diǎn)

真空等離子清洗機(jī)由于具有密閉的真空腔體環(huán)境,所以容易控制產(chǎn)生等離子體的氣氛,可以得到較純的等離子體。并且因?yàn)榍惑w壓力低,等離子體可以擴(kuò)散的距離較遠(yuǎn),等離子體因碰撞所損失的能量也較小,因此真空等離子清洗機(jī)有較好的處理效率,由于壓力夠低,sputtering效應(yīng)也有助于提高清潔速度,甚至可以去除無機(jī)污染物。密閉的環(huán)境及所需氣體用量少,因此可以使用特珠氣體,并且可以同時通入多種反應(yīng)氣體、增加制程彈性及更廣的應(yīng)用范圍。

此外真空等離子清洗機(jī)對處理產(chǎn)品的形狀沒有限制,尤其適合3D都需要處理的產(chǎn)品,特別是產(chǎn)品上有較深的盲孔,和沉孔也需要清洗的部分,這一點(diǎn)是常壓等離子清洗機(jī)無法比擬的。

從產(chǎn)能上來說,真空等離子清洗機(jī)尤其適合大批量的產(chǎn)品處理,其一次處理效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常壓等離子清洗機(jī)。

真空等離子清洗機(jī)常見應(yīng)用范圍

半導(dǎo)體行業(yè)
在半導(dǎo)體行業(yè)中,真空等離子清洗機(jī)一般應(yīng)用于以下幾個關(guān)鍵步驟中
去膠:用氧的等離子體對硅片進(jìn)行處理,清洗晶圓表面的光刻膠殘膠。
半導(dǎo)體封裝:真空狀態(tài)下的等離子作用能夠基本去除材料表面的無機(jī)/有機(jī)污染,提高材料的表面活性,增加引線的鍵合能力,防止封裝的分層。
例如在一個COB基板上,在SMT元件粘接好后進(jìn)行IC芯片的引線鍵合。在表面安裝元件粘接后,會有大量的助焊劑污染物和水殘余,而為了在PCB基板上可靠地進(jìn)行引線鍵合,這些必須去除。

高分子塑料
粘接:大部分高分子塑料在粘接前都可以利用真空等離子清洗機(jī)來提高其粘接性能
印刷:等離子處理可以提高承印物表面對于油墨的附著力,比如PP、PE等表面做高品質(zhì)的印刷,等離子處理已經(jīng)成為一種高效而又安全的印前處理手段。

微流控芯片
等離子處理技術(shù)是微流控芯片制作過程中最常用的鍵合技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)PDMS-玻璃的永久性貼合。

真空等離子清洗機(jī)具有清洗效果好,清洗后不會產(chǎn)生有害污染物、效率高、節(jié)省勞動力和安全可靠等優(yōu)點(diǎn),其具有更廣泛的市場前景。
 

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