帶加熱及水冷的等離子清洗系統(tǒng)

師筱娜，馬 斌

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

集成電路生產(chǎn)工藝需求，前期芯片制造,后期封裝及混合電路等的可持續(xù)發(fā)展；陶瓷、石英、高分子工程塑料等表面納米級的活化改性，由非極性到帶有一層納米級的極性材料表層，以提高材料表面物理和化學的粘接印刷涂覆上漆性能，最貼近生活化的如制鞋業(yè)的工藝生產(chǎn)需求，連接器上logo的印刷等；LCD液晶顯示屏表面有機物干擾材料的去除；金屬表層氧化物的去除等；等離子清洗的應(yīng)用例子極為廣泛，而在設(shè)備反應(yīng)腔室的電極載物托盤上進行托盤等離子有效區(qū)的整體均勻加熱，在腔室四周外壁和真空門進行水冷，成為了促進等離子處理過程的有效方法。

1 等離子體及清洗系統(tǒng)

1.1 等離子體

根據(jù)1879年克魯克斯提出的名詞概念：固態(tài)加熱時經(jīng)相變?yōu)橐后w；液體加熱經(jīng)相變?yōu)闅怏w；在氣體中加入更多的能量如電磁能及加熱，就可以使一些原子電離，在高于100000K的溫度下大部分物質(zhì)處于電離狀態(tài)，物質(zhì)的這種電離狀態(tài)則稱為第四態(tài)。假如有一種機理能使氣體電離，而且氣體的密度又足夠低，以致復(fù)合較慢，那么等離子狀態(tài)也能在低于100000K的溫度下存在。由此得出，溫度是導(dǎo)致物質(zhì)狀態(tài)變化相變的關(guān)鍵參量，而溫度直接影響帶電粒子(電子離子)的密度[1]。

由克拉爾和特里維爾皮斯的等離子體物理學知[1]：宇宙中99.9%的物質(zhì)都處于等離子體狀態(tài)，等離子體是宇宙中最常見豐富的可見物質(zhì)形式，包括太陽、恒星、電離層、閃電、極光、星際、高溫火焰等。但是在地球上卻很少有天然等離子體存在，因為地球及其附近大氣的低溫度和高密度阻礙了等離子體的存在。但在地球上層的大氣(電離層)中，存在著由稀薄大氣因光致電離產(chǎn)生的等離子體。在離地球更遠的地方，等離子體在接近真空的空間被地磁場所俘獲。等離子體從太陽流向地球(太陽風)，并充滿星際空間的許多區(qū)域，從而形成一種被用以觀察更外層空間的介質(zhì)。這就意味著要獲得和研究等離子體及其性質(zhì)，必須用實驗裝置的方法來產(chǎn)生它們。最早是在1927年，當水銀蒸氣在高壓電場中放電時由科研人員發(fā)現(xiàn)等離子體。后面的發(fā)現(xiàn)是通過多種形式，例如電弧光、激光、石英燈管日光燈管、能源需求的熱核聚變、等離子處理系統(tǒng)等。等離子體的參數(shù)范圍很廣，溫度密度皆跨越了數(shù)個量級。是由部分被電離的原子及原子團(正離子)以及電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，整體正負電荷總數(shù)相等宏觀呈電中性[2]。

1.2 等離子清洗系統(tǒng)

等離子清洗系統(tǒng)是通過控制由密閉腔室連接真空泵、RF電源和進氣控制的裝置系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體，通過化學或物理作用對放置在電極(正極和負極)和非電極(懸浮極)載物托盤上的工件表面進行納米級處理，實現(xiàn)分子水平的多余材料和沾污去除，改善工件表面極性性能，為下步工藝做好基礎(chǔ)的工藝過程設(shè)備。被清除的材料和沾污可能有：有機物如玻璃表面的油污、環(huán)氧基聚合物、氧化物如氧化銀等、氮氧化物、光刻膠，焊料殘余、金屬鹽等[3]。對應(yīng)不同的基材及沾污，應(yīng)采用不同的清洗工藝：工藝氣體種類及流量控制如氧氣、氬氣、氯基氣、氫氣等；不同的電源激勵頻率如常用的13.56MHz、40kHz、2.45GHz；不同的電源功率如600W,1000W,2000W等；是否設(shè)計加裝磁場以方向性地加速等離子體；工作臺是否加熱、加熱溫度及升溫速度等。

利用等離子體活潑的物理化學電磁流體特性，可以實現(xiàn)一系列傳統(tǒng)濕法處理所不能實現(xiàn)的反應(yīng)過程和處理效果，產(chǎn)生速度快、能量高、無污染、處理對象廣泛、整體成本低、無需干燥處理，占用空間小等。氣體放電瞬間產(chǎn)生等離子體，處理甚至幾秒鐘就可改變表面性質(zhì),時間長的達到45min左右不僅被活化，還會被刻蝕及處理厚度納米級至微米級加厚。

以氧氣等離子體去除物體表面油脂污垢為例，等離子體對油脂污垢的作用，類似于使油脂污垢發(fā)生燃燒反應(yīng)，但不同之處是在低溫情況下發(fā)生的"燃燒"。其基本原理：氧氣等離子體中的氧原子自由基、激發(fā)態(tài)的氧氣分子、電子以及紫外線的共同作用下，油脂分子最終被氧化成水和二氧化碳分子，并從物體表面被清除[4]。

圖1 部分氣體的等離子體清洗示意圖

圖1為部分氣體如氧氣、氫氣、氬氣等離子體處理示意圖。

2 帶加熱及水冷結(jié)構(gòu)的等離子清洗系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

帶電極載物托盤加熱結(jié)構(gòu)及真空腔室四壁和門水冷的等離子清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖2。系統(tǒng)共包括電器控制及操作系統(tǒng)、真空腔室、供氣系統(tǒng)、13.56 MHz RF電源、真空泵、水冷機等。圖2為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2 加熱電極載物托盤介紹

反應(yīng)腔體設(shè)計為等離子清洗常見的規(guī)則盒形，電極電容耦合平行載物托盤的加熱采用耐高溫電絕緣材料兩片云母板中間夾常用電加熱絲的方式。在已知為真空內(nèi)加熱電壓及加熱絲電阻的情況下,根據(jù)需求的最大加熱溫度及升溫時間，計算出合理的加熱功率和電流，并根據(jù)載物托盤的大小設(shè)計適合均勻的加熱板圖形，以獲得均勻的加熱平面，使得整個載物托盤加熱區(qū)為有效區(qū)，可以盡可能多的放滿工件或放大尺寸工件。圖3為加熱托盤及四壁和門水冷示意圖。

圖3 加熱托盤及四壁和門水冷示意圖

2.3 真空腔體四壁和門水冷介紹

整個加熱過程中腔體外壁及門進行水冷，水路設(shè)計彎路平滑過度，以盡可能地保證水流順暢及冷水機的正常工作，并在外壁安裝熱傳感器，溫度超過設(shè)定安全值時，系統(tǒng)蜂鳴器報警，防止熱輻射危及人身安全引起燙傷等，及影響設(shè)備其它組件的正常工作。

2.4 后期加熱改進預(yù)設(shè)計

對于后期系統(tǒng)改進的加熱方式升級，可以采用石英加熱管的紅外熱輻射方式，其電熱轉(zhuǎn)換效率高，使用壽命長，且電源引線不用暴露于真空腔體及等離子處理區(qū)域內(nèi)，以防止加熱方式的過早疲勞損壞引起不必要的短路等隱患。加熱溫度可設(shè)置為較之前更高一些的溫度，如300 ℃～400 ℃，最高耐溫達800 ℃攝氏度。

2.5 過程原理

在成熟清洗工藝流程開始前，打開水冷機，設(shè)置溫度值，及等離子處理工藝參數(shù)，從而控制等離子的強度與密度等；加熱載物托盤無論正負極，放入工件后開始加熱至設(shè)定溫度后停止加熱；立即開始等離子清洗流程；根據(jù)處理效果調(diào)整溫度及工藝參數(shù)，進行數(shù)次實驗直至得出合適的加熱溫度及工藝參數(shù)。值得注意的是，溫度及工藝參數(shù)設(shè)置要求一般是針對工件自身要求的，例如工件自身基材及附屬材料的最適宜耐熱溫度及熱損傷，材料的物理化學性能在等離子氛圍中是否容易被改變及氧化，等離子處理后的材料損傷等。后期系統(tǒng)改進提升后，將加熱電壓定在真空電壓70 V或110 V內(nèi)，這樣進行等離子處理流程時負極可同時加熱并控制整定溫度，要求更精確時可在溫控儀表上設(shè)定溫度控制工藝曲線，用以更準確地得出清洗速度在不同溫度下的速度溫度曲線。

3 結(jié)束語

溫度是等離子體產(chǎn)生的極重要因素，太陽及太陽風(太陽日冕)、熱核聚變就是典型的例子，研究不同溫度下等離子清洗系統(tǒng)內(nèi)等離子的密度活性，處理速度及均勻性，可選擇性地得到適宜的材料處理種類及厚度和處理后表面材料特性，并且不會對基材表面產(chǎn)生等離子損傷及熱損傷，這項技術(shù)具有很大的實用意義。此方面應(yīng)用需求將越來越大，尤其是持續(xù)發(fā)展與需求的半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域。