氣體流向?qū)Φ入x子清洗工藝的影響

劉彥利,高曉偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

等離子清洗又稱為干法清洗，是在射頻電源的激發(fā)下，將氧氣、氬氣等工藝氣體激發(fā)成離子態(tài)，進(jìn)而與待清洗工件表面的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)、物理反應(yīng)，反應(yīng)生成的產(chǎn)物再通過(guò)真空泵將其抽走，從而達(dá)到清洗目的，等離子清洗的好壞直接決定了成品率的高低，等離子清洗可應(yīng)用于半導(dǎo)體、厚膜電路、元器件封裝前、COG前、PCB、連接器和繼電器等行業(yè)的精密清洗，塑料、橡膠、金屬和陶瓷等表面的活化以及生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)等[1，2]。

隨著技術(shù)水平的不斷更新迭代，以及各生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品潔凈度要求的不斷提高，清洗工藝逐步由濕法向干法轉(zhuǎn)變。干法清洗通過(guò)氣體形成的等離子體在工件表面發(fā)生作用，不需要經(jīng)化學(xué)試劑浸泡，也不用烘干，過(guò)程更加潔凈安全。清洗過(guò)程也方便控制，工作環(huán)境及人員安全明顯改善，在成本有效減少的同時(shí)，產(chǎn)品成品率及優(yōu)品率也得到很大提高，目前已成為各半導(dǎo)體產(chǎn)品領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

1 等離子清洗原理及主要影響工藝參數(shù)

1.1 等離子清洗原理

等離子產(chǎn)生的原理是：給一組電極施加射頻電壓，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，產(chǎn)生等離子體。活性等離子對(duì)被清洗物進(jìn)行表面物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)雙重作用，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)抽真空排出，而達(dá)到清洗目的[3]。

等離子物理清洗過(guò)程：

表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗，典型的為氬等離子轟擊物體表面，使其產(chǎn)生一定的粗糙度，以獲得表面的最大化，同時(shí)親水性也會(huì)增大，如圖1所示。

圖1 物理清洗前后

等離子化學(xué)清洗過(guò)程：

表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子清洗，典型的為氧氣在真空狀態(tài)下，利用射頻電源激發(fā)形成離子態(tài)，與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CO2和H2O，然后經(jīng)真空泵將其抽走，達(dá)到清洗目的，如圖2所示。

有機(jī)物+O2→CO2+H2O

圖2 化學(xué)清洗前后

1.2 等離子清洗主要影響工藝參數(shù)

影響等離子清洗效果的工藝參數(shù)有很多。主要包括工藝氣體流向，工藝氣體流量，射頻功率，射頻頻率，清洗時(shí)間和真空壓力值。具體各參數(shù)對(duì)等離子清洗影響如表1。

表1 各工藝參數(shù)對(duì)等離子清洗的影響

2 氣體流向?qū)Φ入x子清洗工藝的影響

在等離子清洗時(shí)，影響清洗工藝的參數(shù)中，真空壓力值由倉(cāng)體本身焊接密封性等決定，選擇合適的真空泵達(dá)到的真空壓力值一般已成為定值，工藝氣體選擇、工藝氣體流量大小、射頻功率、清洗時(shí)間等都可以根據(jù)工藝要求在等離子清洗設(shè)備屏幕上很簡(jiǎn)便地調(diào)節(jié)數(shù)值，達(dá)到合理的匹配，獲得較好的清洗效果。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，合理控制倉(cāng)體中的氣體流向就對(duì)清洗效果顯得尤為重要，進(jìn)出氣口的多少、位置直接決定了倉(cāng)體內(nèi)的氣體流向，也直接影響了待清洗工件的清洗效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)倉(cāng)體屬于接近正方體的反應(yīng)倉(cāng)，為前進(jìn)氣、后抽氣方式，前進(jìn)氣為前面板四周帶孔的不銹鋼管四周進(jìn)氣，進(jìn)氣較為均勻，但出氣僅有一個(gè)直徑為50 mm的抽氣孔，抽氣較為集中，改進(jìn)方式為在抽氣口處添加一塊孔位合理排布的打散板，改變抽氣方式對(duì)清洗工藝影響的實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 改變抽氣方式對(duì)清洗工藝影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用13.56 MHz的射頻電源，氧氣流量120 sccm，真空控制在30 Pa，射頻功率300W，清洗工藝時(shí)間3 min。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)測(cè)試各工件表面水滴的接觸角可直觀顯示出清洗效果，清洗后工件表面的親水性增強(qiáng)，水滴的接觸角會(huì)明顯減小，肉眼可見(jiàn)，為了得到具體的水滴接觸角，可通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x得到。

添加打散板后，對(duì)不銹鋼試驗(yàn)片做出的清洗前后水滴接觸角有直觀的顯示，如圖4所示。

圖4 不銹鋼試驗(yàn)片清洗前(右)后(左)接觸角對(duì)照

未加打散板與添加打散板后對(duì)多種不同工件進(jìn)行清洗前后水滴接觸角對(duì)照及測(cè)試，所得實(shí)驗(yàn)前后測(cè)試數(shù)值如圖5所示。

圖5 清洗前后接觸角測(cè)試數(shù)值

根據(jù)以上在抽氣口處安裝打散板前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出打散板安裝前后工件表面接觸角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 打散板安裝前后工件表面接觸角

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表2中，我們可以得出在抽氣口位置添加打散板后，水滴接觸角度明顯減小，清洗效果顯著提升。

可見(jiàn)，在等離子清洗的過(guò)程中，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到抽氣不均勻，然后添加一塊打散板，能夠有效地控制倉(cāng)體內(nèi)部工藝氣體的流向，讓氣體均勻地充滿整個(gè)倉(cāng)體，在射頻電源的激發(fā)下，形成的離子體也在倉(cāng)體內(nèi)部均勻分部，對(duì)待清洗工件的清洗均勻性及優(yōu)良性有大幅度改善。

3 結(jié)論

在等離子清洗流程中，很多參數(shù)如倉(cāng)體真空度、射頻功率、工藝氣體流量、清洗時(shí)間等都對(duì)清洗效果有很大影響，搭配得當(dāng)不僅可以提高工藝效率，同時(shí)節(jié)約工藝成本。這些參數(shù)中，有些如倉(cāng)體真空度等屬于生產(chǎn)定值，有些如射頻功率、氣體流量、清洗時(shí)間等可以根據(jù)多次反復(fù)的工藝試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整得出合理值，然而，氣體流向由設(shè)計(jì)者機(jī)械設(shè)計(jì)決定，進(jìn)氣口及抽氣口位置的改變會(huì)對(duì)清洗效果產(chǎn)生根本性的影響。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，得出，在抽氣口位置加一塊打散板，能對(duì)倉(cāng)體內(nèi)氣體流向達(dá)到有效控制，清洗效果明顯增強(qiáng)。