射頻等離子清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳國(guó)光，苗俊芳，胡文平，師筱娜

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

完成一次清洗工藝，傳統(tǒng)的溶液溶解方法會(huì)產(chǎn)生幾升甚至幾十升的污染液，而采用相應(yīng)的等離子清洗工藝，則只產(chǎn)生約0.5 g攜帶污染物的氣體。盡管環(huán)境友好性突出，但緩慢的清洗速度使得等離子清洗通常僅作為溶液清洗后的最后一道清洗來(lái)獲得理想的表面清潔度，對(duì)減少工業(yè)清洗中產(chǎn)生的污染并沒有多大作用。因此，為了使等離子清洗技術(shù)成為減少污染的有效手段，必須大幅度提高等離子清洗速度，以實(shí)現(xiàn)替代工業(yè)清洗中的溶液清洗環(huán)節(jié)，減少污染物的排放。

1 清洗原理和影響清洗效果的主要因素

1.1 原理及實(shí)現(xiàn)方法

等離子清洗是依靠特定物質(zhì)等離子體中的高能粒子流沖擊需要清潔的物體表面，產(chǎn)生物理沖擊（如氬等離子體）或化學(xué)反應(yīng)（氧等離子體）來(lái)實(shí)現(xiàn)去除物體表面污漬的功能。目前，大多數(shù)等離子清洗系統(tǒng)通過(guò)降低反應(yīng)倉(cāng)的壓力到100 Pa以下，然后以一定的速度通入合適的氣體并啟動(dòng)電源來(lái)獲得等離子體。

1.2 影響清洗效果的主要因素

1.2.1 電極對(duì)等離子清洗效果影響

電極的設(shè)計(jì)對(duì)等離子清洗效果有著顯著的影響，主要包括電極的材料、布局和尺寸等因素。對(duì)于內(nèi)電極等離子清洗系統(tǒng)，由于電極暴露在等離子體中，某些材料的電極會(huì)被一些等離子體刻蝕或發(fā)生濺射現(xiàn)象，造成不必要的污染并導(dǎo)致電極尺寸的變動(dòng)，進(jìn)而影響等離子清洗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電極的布局對(duì)等離子清洗的速度和均勻性有較大影響，較小的電極間距能夠?qū)⒌入x子體限制在狹小的區(qū)域從而獲得較高密度的等離子體，實(shí)現(xiàn)較快速度的清洗。隨著間距的增加清洗速度逐漸下降但均勻性逐漸增強(qiáng)，電極的尺寸通常決定了等離子系統(tǒng)的整體容量，在電極平行分布的等離子清洗系統(tǒng)中，電極通常作為托盤使用，較大尺寸的電極能夠一次清洗更多的元器件，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

1.2.2 工作壓強(qiáng)對(duì)等離子清洗效果的影響

工作壓強(qiáng)是等離子清洗的重要參數(shù)之一，壓強(qiáng)的提高意味著等離子體密度的增加和粒子平均能量的降低，對(duì)化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的等離子體，密度的增加能顯著提高等離子系統(tǒng)的清洗速度，而物理轟擊主導(dǎo)的等離子清洗系統(tǒng)則效果并不明顯。此外，壓強(qiáng)的改變可能會(huì)引起等離子體清洗反應(yīng)機(jī)理的變化。如硅片刻蝕工藝所采用的CF4/O2等離子體，當(dāng)壓強(qiáng)較低時(shí)離子轟擊起主導(dǎo)作用，而隨著壓強(qiáng)的增加，化學(xué)刻蝕不斷加強(qiáng)并逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用。

1.2.3 電源功率及頻率對(duì)等離子清洗效果的影響

電源的功率對(duì)等離子體各參數(shù)都有影響，比如電極的溫度、等離子體產(chǎn)生的自偏壓以及清洗效率等。隨著輸出功率的增加，等離子清洗速度逐漸加強(qiáng)，并逐漸穩(wěn)定在一個(gè)峰值，而自偏壓則隨著輸出功率的增加不斷上升。由于功率范圍基本恒定，頻率是影響等離子體自偏壓的關(guān)鍵參數(shù)，隨著頻率的增加自偏壓逐漸下降。此外，隨著頻率的增加等離子體中電子的密度也會(huì)逐漸增加，而粒子平均能量逐步下降。

1.2.4 工作氣體的選擇對(duì)等離子清洗效果的影響

工藝氣體的選擇是等離子清洗工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，盡管很多時(shí)候大多數(shù)氣體或氣體混合物都能對(duì)污染物起到去除作用，但清洗速度卻能相差幾倍甚至幾十倍。如在氧氣（O2）中加入不同比例的氟化硫(SF6)作為工藝氣體來(lái)清洗有機(jī)玻璃，其結(jié)果如圖1，從圖中可見合理選擇工藝氣體能大幅提高清洗速度。

圖1 O2中SF6百分含量與PMMA清洗速度

2 等離子清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電極的設(shè)計(jì)

由上述分析可知，電極本身應(yīng)盡可能不受等離子體的影響，且間距可調(diào)以適應(yīng)不同應(yīng)用對(duì)等離子體特性的需求，此外，應(yīng)該在滿足應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上使托盤電極面積最大化。因此將電極設(shè)計(jì)成如圖2所示機(jī)構(gòu)，電極板主體由不銹鋼材料制成，通過(guò)電極接頭可選擇的與電源正極或負(fù)極連通，電極板由兩側(cè)的絕緣塊固定在真空腔體中，整個(gè)電極系統(tǒng)可跟據(jù)不同需求選擇電極板的極性與間距，以獲得最合適的等離子體。同時(shí)可以通過(guò)增加真空腔體的長(zhǎng)寬高來(lái)增加托盤的數(shù)量和尺寸，提高清洗系統(tǒng)的效率。

2.2 等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)

等離子體發(fā)生器的選擇與其頻率的選擇是確保等離子質(zhì)量和過(guò)程靈活性的兩個(gè)最重要的參數(shù)。射頻發(fā)生器的頻率確定能否很好的將氣體激發(fā)為等離子態(tài)。為滿足不同需求的應(yīng)用，將射頻電源功率選擇為0到1000 W可調(diào)，頻率選擇為13.56 MHz，同時(shí)采用電源匹配系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗，以保證最佳的等離子密度和可重復(fù)性。

圖2 電極板與電極系統(tǒng)

2.3 真空及供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保證工作腔體壓力的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)等離子清洗系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件之一，等離子工作時(shí)會(huì)持續(xù)通入工作氣體同時(shí)由真空泵將廢氣排出，為了保證工作壓強(qiáng)的穩(wěn)定，供氣系統(tǒng)采用高精度流量計(jì)來(lái)精確調(diào)節(jié)工作氣體的流量，同時(shí)采用高穩(wěn)定性的真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)廢氣的均衡排放。此外，供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4組工藝氣體，以最大化地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工藝氣體及其混合物的需求。

2.4 系統(tǒng)的運(yùn)行效果

為測(cè)試上述系統(tǒng)的效果，利用接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)采用該等離子清洗系統(tǒng)清洗后的不銹鋼材料進(jìn)行了滴水試驗(yàn)，試驗(yàn)用不銹鋼表面帶膠，不同工藝條件下清洗10次取均值，其結(jié)果見表1。

表1 接觸角試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可見，經(jīng)該等離子系統(tǒng)清洗后，不銹鋼表面清潔度大幅提升，同時(shí)也表明合理的參數(shù)設(shè)計(jì)確實(shí)能改善等離子系統(tǒng)的清洗效果，該系統(tǒng)靈活的工藝參數(shù)設(shè)定能力使它能方便的找出最佳工藝參數(shù)，使等離子清洗效果最優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

等離子技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是通過(guò)設(shè)定合理的工藝參數(shù)來(lái)獲取最合適的等離子體，因此在設(shè)計(jì)等離子系統(tǒng)時(shí)需要盡可能實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定的柔性化，為各種應(yīng)用提供不同的等離子體生成條件。本文介紹的系統(tǒng)能靈活的調(diào)整射頻等離子體的幾個(gè)主要生成條件，可滿足多種等離子清洗應(yīng)用，但針對(duì)具體的應(yīng)用沒有簡(jiǎn)易的條件設(shè)定方法，需要不斷地實(shí)踐來(lái)獲取工藝參數(shù)，同時(shí)由于頻率的不可調(diào)，限制了系統(tǒng)某些領(lǐng)域的應(yīng)用，還有待進(jìn)一步完善。

[1]熊楚才.等離子清洗技術(shù)[J].清洗技術(shù)，2003，6(7)：15-20.

[2]Alexander Fridman..Plasma chemistry[M].Cambridge：Cambridge University Press，2008.

[3]Pamela P.Ward Plasma Cleaning Techniques and Future Applicationsin Environmentally Conscious Manufacturing[R].Sandia National Laboratories