等離子清洗的工藝探究

王春生，葉榮坤，李志勝

(燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066012)

0 引言

等離子體清洗是利用等離子體中的高能粒子和活性粒子，通過轟擊或活化反應(yīng)作用將金屬表面污物去除的過程[1]。等離子體清洗的過程不使用化學(xué)試劑，不會(huì)造成二次污染；清洗設(shè)備可重復(fù)性強(qiáng)，所需設(shè)備和運(yùn)行成本比較低，而且操作靈活簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面的整體或某些局部及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗，有些經(jīng)過等離子體清洗后的表面性能還可以得到改善，等離子清洗在微電子工業(yè)、半導(dǎo)體業(yè)等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

1 傳統(tǒng)清洗方法的討論

傳統(tǒng)清洗方法主要分為兩個(gè)大類：一種為濕法清洗另一種是干法清洗。其中濕法清洗是指需要液體作為清洗媒介的方法。濕法清洗中一般包括蒸汽清洗，溶液浸泡清洗和旋轉(zhuǎn)噴淋清洗。但由于濕法清洗一般都需要引入新的雜質(zhì)同時(shí)需要除銹所以一般不用在鋼鐵清洗上。干法清洗是以壓力或抽吸的手段達(dá)到清洗污染物的目的，或是在氣體媒介中進(jìn)行清洗的方法為干法清洗[2]。由于濕法清洗不能精確控制，而且清洗不徹底，同時(shí)還會(huì)引入新的雜質(zhì)，所以近年來干法清洗快速發(fā)展起來。干法清洗中一般包括機(jī)械清洗，超聲波清洗，干冰清洗和等離子體清洗。機(jī)械清洗相對(duì)于其他幾種清洗方式而言效率較低，成本較高。超聲波清洗一般配合溶液聯(lián)合使用。而干冰清洗因?yàn)楦杀闹谱鞒杀疽约安豢芍貜?fù)性所以也不可能應(yīng)用于大規(guī)模的鋼鐵清洗行業(yè)。

等離子體清洗的過程不使用化學(xué)試劑，所以不會(huì)造成二次污染[3]；清洗設(shè)備可重復(fù)性強(qiáng)，所需設(shè)備和運(yùn)行成本比較低，而且操作靈活簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面的整體或某些局部及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。有些經(jīng)過等離子體清洗后的表面性能還可以得到改善，有助于金屬的后續(xù)加工應(yīng)用[4]。

影響等離子清洗效果的因素有很多，其中最主要的是電源功率頻率、工作壓強(qiáng)、工作氣體種類以及清洗的時(shí)間。電源頻率選用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)射頻頻率13.56MHz，等離子清洗的效果會(huì)隨著功率的增大而變好；工作壓強(qiáng)的選擇要根據(jù)清洗的基片進(jìn)行合理選用，當(dāng)以物理作用為主時(shí)應(yīng)減小壓力以增大離子能量，當(dāng)以化學(xué)作用為主時(shí)要增大一些壓力，保證反應(yīng)氣體濃度，清洗時(shí)間也要保證清洗效果的同時(shí)減小能耗。本文主要探究功率對(duì)清洗效果的影響。

2 電容耦合低壓射頻等離子體仿真

2.1 模型的建立

根據(jù)自研的電容耦合射頻等離子清洗機(jī)建立一維仿真模型如圖1所示。模型主要由射頻電源、匹配網(wǎng)絡(luò)以及兩個(gè)平行極板組成，其中一端接金屬電極一端接地。兩極板間距9.2cm，射頻電源頻率0～120W可調(diào)，充入氣體選用氦氣。

圖1 仿真模型示意圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

通過模擬軟件基于等離子體時(shí)間周期窗口，研究了射頻頻率在13.56MHz，輸入功率110W時(shí)電子密度、電子溫度以及帶電物質(zhì)數(shù)密度在空間上的分布特征，同時(shí)研究了功率對(duì)電子密度以及電子溫度等分布的影響[6]。

2.2.1 等離子體電子密度以及溫度等時(shí)間周期平均值在空間上的分布特征

由圖2電子密度周期平均值可看出在電子密度沿軸向先增大后減小，而在鞘層區(qū)域電子密度隨著距離的增加而迅速增大，在2cm處電子密度增加趨勢(shì)減緩并在極板中間達(dá)到最大值。同時(shí)電子溫度在靠近極板邊緣的鞘層區(qū)域出現(xiàn)最大值，等離子區(qū)域取得極小值。這是由于在鞘層區(qū)域電場(chǎng)比較大，電子在鞘層區(qū)域被電場(chǎng)加速而獲得能量，所以在鞘層區(qū)域內(nèi)，電子溫度出現(xiàn)了最大值。

圖2 電子密度周期平均值

由圖3帶電物質(zhì)數(shù)密度周期平均值可以看出氦離子和電子都隨著距離的增大而增大，在極板中間取得最大值呈現(xiàn)關(guān)于極板中間對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。在極板邊緣存在一定的帶電物質(zhì)不是嚴(yán)格的電中性，同時(shí)極板附近氦離子密度要大于電子密度，且隨著距離的增大，電子密度逐漸與氦離子密度重合并同時(shí)取得最大值。

圖3 帶電物質(zhì)數(shù)密度周期平均值

綜上所述在腔體中間部分等離子體的電子溫度、密度以及帶電物質(zhì)數(shù)密度同時(shí)達(dá)到最大值，基于此，待清洗工件應(yīng)置于中間部分以保證最好的清洗效果。

2.2.2 功率對(duì)等離子體電子密度以及溫度等的影響

通過圖4電子密度與功率的關(guān)系可以看出，隨著功率增大，電子密度的平均值隨著功率的增加逐漸增大，且同樣在極板中間取得最大值，整體趨勢(shì)是相同的但差距在不斷縮小。同時(shí)在鞘層區(qū)域的差距不大，但隨著距離的增加其差距也逐漸在增大[7]。

圖4 電子密度與功率的關(guān)系

由圖5電子溫度與功率的關(guān)系可以看出，電子溫度在鞘層區(qū)域隨著功率的增大其最大值在增大，但在主等離子區(qū)電子溫度與功率并沒有關(guān)系，不隨著功率的改變而改變。這是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)等離子體中，電子溫度只與氣壓以及系統(tǒng)尺度等相關(guān)。此外，極板附近由于電場(chǎng)加速、電子獲得的能量轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)的能量，所以呈現(xiàn)出較高的電子溫度且隨著功率的增大而增大。

圖5 電子溫度與功率的關(guān)系

從圖6帶電物質(zhì)數(shù)密度與功率的關(guān)系可以看出，氦離子和電子數(shù)密度都隨著功率的增大而增大，且隨著功率的增加其變化程度逐漸減小。從圖中可以看出氦離子和電子數(shù)密度在90W和110W時(shí)幾乎重合，可以得出90W和110W功率對(duì)于此電容耦合等離子清洗機(jī)而言對(duì)應(yīng)的清洗效果是幾乎相同的，所以從經(jīng)濟(jì)性角度考量選用90W功率既能夠達(dá)到相同效果也能夠節(jié)約能量。

圖6 帶電物質(zhì)數(shù)密度與功率的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)探究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究射頻功率對(duì)清洗效果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先固定功率，只改變清洗時(shí)間測(cè)得清洗效果的最大值，其次改變功率重復(fù)操作，經(jīng)過等離子清理之后，通過稱重法測(cè)定清洗之后減少的質(zhì)量評(píng)定清洗效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

取出金屬板分別標(biāo)注，并分別稱重后擦上等重潤(rùn)滑油，將金屬板放入等離子清洗機(jī)內(nèi)，關(guān)好腔門，打開電源，打開真空泵開始抽取真空，當(dāng)腔體內(nèi)氣壓低于100Pa時(shí)打開射頻電源，在控制面板分別輸入30W、50W、70W、90W，并分別輸入10min、15min、20min、25min、30min、35min，清洗時(shí)間達(dá)到后關(guān)閉射頻電源，取出金屬板后稱重計(jì)算差值以測(cè)定清洗效果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)過測(cè)量不同功率下穩(wěn)定后的清洗效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 清洗效果與功率的關(guān)系

通過折線圖7可以看出隨著功率的增大，等離子清洗的效果逐漸變好，這是因?yàn)殡S著功率的增大，等離子體的濃度和能量都增加，所以清洗效果也會(huì)相應(yīng)地變好，這與仿真的規(guī)律是一致的。同時(shí)90W功率下能達(dá)到最好的清洗效果，滿足經(jīng)濟(jì)性和效率的要求。

4 結(jié)論

通過仿真模擬能直觀地展示等離子清洗機(jī)腔體內(nèi)部電子溫度、電子密度等的分布特征，同時(shí)可以幫助選取等離子清洗的最佳功率以及計(jì)算工件臺(tái)的高度。仿真模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)接近一致，仿真模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法大大簡(jiǎn)便了對(duì)等離子清洗工藝的探究。