等离子体清洗技术及相关工艺
什么是等离子体
含有离子、电子、高活性自由基和电中性分子的 可以导电的气体，这就叫等离子体。人们又称物 质的第四态，等离子体在世界上到处都存在着：
太阳，很多恒星 北极光（见右图） 日光灯，霓虹灯 电弧焊 等等
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体技术的发展
六十年代集成电路的刻蚀发展，是推动等离子体 发展的最大推动力
在等离子体中，不同微粒的温度实际上是不同的，所具有的温度是与微粒 的动能即运动速度质量有关，把等离子体中存在的离子的温度用Ti表示，电 子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示， 对于Te大大高于Ti和Tn的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只有 几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质 量很小，在电场中容易得到加速，从而可获得平均可达数电子伏特的高能 量，对于电子，此能量的对应温度为几万度（K），而离子由于质量较大， 很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒子温度较低（具有低温 特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并 从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的 温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，我们把这种条件下得到的等离子 体称为高温等离子体，太阳就是自然界中的高温等离子体。由于高温等离 子体对物体表面的作用过于强烈，因此在实际应用中很少使用，目前投入 使用的只有低温等离子体
八十年代国外开始用于其他领域的清洗以及表面 改性
国内在最近两三年开始用于电子元件清洗，表面 改性还无人问津
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体的产生机理 简要结构示意图：
真空罩
高真空
高频，高压
工作气体，如氧气、氢 气、氩气、氮气等
电子被加速，轰击工作气 体分子，发生电离，产生 离子
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体与物体表面的作用
1）原子团等自由基与物体表面的反应 由于这些自由基呈电中性，存在寿命较长，而且在离子体中的数量多于离子，因此
自由基在等离子体中发挥着重要作用，自由基的作用主要表现在化学反应过程中能 量传递的"活化"作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量，因此易于与物体表 面分子结合时形成新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态，很 可能发生分解反应，在变成较小分子同时生成新的自由基，这种反应过程还可能继 续进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简单分子。在另一些情况下，自由基 与物体表面分子结合的同时，会释放出大量的结合能，这种能量又成为引发新的表 面反应推动力，从而引发物体表面上的物质发生化学反应而被去除 2）电子与物体表面的作用 一方面电子对物体表面的撞击作用，可促使吸附在物体表面的气体分子发生分解和 解吸，另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。由于电子质量极小，因此比离 子的移动速度要快得多，当进行等离子体处理时，电子要比离子更早达到物体表 面，并使表面带有负电荷，这有利于引发进一步反应 3）离子与物体表面的作用 通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速冲向带负电荷表面的倾向，此 时使物体表面获得相当大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们把 这种现象称为溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生 的几率 4）紫外线与物体表面的反应 紫外线具有很强的光能，可使附着在物体表面物质的分子键发生断裂而分解，而且 紫外线具有很强的穿透能力，可透过物体的表面深达数微米而产生作用
整个清洗工艺流程在几分钟即可完成，因此具有效率高的特点 等离子清洗需要控制的真空度约为100Pa，这种真空度在工厂实际生产中很容易实
现。这种装置的设备成本不高，加上清洗过程不需要使用价格昂贵的有机溶剂，因此 它的运行成本要低于传统的清洗工艺 由于不需要对清洗液进行运输、贮存、排放等处理措施，所以生产场地很容易保持清 洁卫生 等离子清洗的最大技术特点是：它不分处理对象，可处理不同的基材，无论是金属、 半导体、氧化物还是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚 酯、环氧树脂等高聚物）都可用等离子体很好地处理，因此，特别适合不耐热和不耐 溶剂的基底材料。而且还可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清 洗。 在完成清洗去污的同时，还能改变材料本身的表面性能，如提高表面的润湿性能，改 善膜的附着力等，这在许多应用中都是非常重要的
150 毫米半导体硅片。 其他电子元器件的生产，焊 接也都要等离子体清洗
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体清洗的总结
等离子体清洗，具有不分材料类型均可进行清洗、清洗质 量好、对环境污染小等优点
等离子体清洗技术在微电子封装中具有广泛的应用，主要 用于去除表面污物和表面刻蚀等，工艺的选择取决于后序 工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成 以及表面污染物性质
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体清洗的优点
在经过等离子清洗以后，被清洗物体已经很干燥，不必再经干燥处理即可送往下道工 序
不使用三氯乙甲ODS有害溶剂，清洗后也不会产生有害污染物，属于有利于环保的绿 色清洗方法
用无线电波范围的高频产生的等离子体与激光等直射光线不同，它的方向性不强，因 此它可以深入物体的微细孔眼和凹陷的内部并完成清洗任务，所以不必过多考虑被清 洗物体形状的影响，而且对这些难清洗部位的清洗效果与用氟里昂清洗的效果相似甚 至更好
2）活泼气体和不活泼气体等离子体
根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同，可分为不活泼气体等离 子体和活泼气体等离子体两类，不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）、 氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（O2）、氢气 （H2）等，不同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体 的等离子体具有更强的化学反应活性
因此，选择合适的清洗方式和清洗时间，对提高封装质量 和可靠性是十分重要的
进一步资料请参考右边附件
Microsoft Word 文档
Microsoft Word 文档
Microsoft Word 文档
第六个反应式表示氧气分子在激发态自由电 子的作用下，分解成氧原子自由基和氧原子 阳离子的过程，当这些反应连续不断发生， 就形成氧气等离子体
其他气体的等离子体的形成过程也可用相似 的反应式描述。当然实际反应要比这些反应 式描述的更为复杂
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体的分类 1）低温和高温等离子体
将等离子体清洗引入微电子封装中，能够显著改善封装质 量和可靠性。但是采用不同的工艺，对键合特性、引线框 架的性能等的影响有很大差异。例如，对铝键合区采用氩 氢等离子体清洗一段时间后，键合区的粘接性能有明显提 高，但是过长的时间也会对钝化层造成损害；对焊盘采用 物理反应机制等离子体清洗会造成“二次污染”，反而降低 了焊盘的表面特性；对铜引线框架采用两种不同机制的等 离子清洗，拉力测试的结果有很大差异
污垢被氧化成二氧化碳和 水或其它气体，被抽走
如氧气等离子体形成过程 即可用下列6个反应式来 表示（见下页）：
高频高压 发生器
火线 220 V
零线
电极板
电极板和工 件
去真空泵
工作气体入口
等离子体清洗技术及相关工艺
氧气等离子体的产生（见右图反应式）
第一个反应式表示氧气分子在得到外界能量 后变成氧气阳离子，并放出自由电子过程
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体清洗的局限
如太厚的污物和粗固体粉粒需要前处理
纺织物不能处理
等离子体清洗技术及相关工艺
等离子体清洗的应Байду номын сангаас举例
等离子体清洗铝键合区 ¾ 集成电路键合区的质量对微电子器件的可靠性起到非常重要的作
用。封装作为器件和电子系统之间的唯一连接，键合区必须无污染 物和具有良好的键合特性。污染物（如氧化物和有机残渣）会严重 削弱键合区的粘接性能，而传统的湿法清洗对键合区的污染物去除 不彻底或者不能去除。研究表明，采用等离子体清洗能够有效去除 键合区的表面沾污物，提高键合区的粘接性 等离子体清洗对基板焊盘的影响 ¾ 基板焊盘上的污染物（如氧化物和碳氢化合物）会降低表面质量和 明显地降低引线键合的成功率，弥散于空间中的污染含量达到1g/m3 就会极大地影响引线键合的强度。因此在引线键合前清洗焊盘表面 是十分重要的。 ¾ 对焊盘进行表面清洗后，把接触角作为衡量表面质量的一个重要标 准；采用焊球剪切力测试和引线拉力测试来评价等离子体清洗的效 果；采用俄歇电子能谱（AES）对焊盘进行进一步分析
第二个反应式表示氧气分子在得到外界能量 后分解形成两个氧原子自由基的过程
第三个反应式表示氧气分子在具有高能量的 激发态自由电子作用下转变成激发态
第四第五反应式则表示激发态的氧气分子进 一步发生转变，在第四个反应式中，氧气释 放电子回到通常状态的同时发出光能（紫外 线）
在第五个反应式中，激发态的氧气分子分解 成两个氧原子自由基
等离子体清洗技术及相关工艺 等离子体清洗设备实例
钟罩式的放电腔
真空腔内柔和的淡紫色的等离子体放电， 在逐步剥离印刷线路板上的油污
等离子体清洗技术及相关工艺 等离子体清洗例样
多层聚四氟 乙烯印制板 上0.3毫米的 小孔内壁需 要清洗，以 便能镀上铜
清洗以后， 孔内能镀铜 了，滴在表 面的水滴也 能蔓延开了