清洗通常是指在不破坏材料表面特性及电特性的前提下,有效地清除残留在材料上的微尘、金属离子及有机物杂质。目前已广泛应用的物理化学清洗方法,大致可分为两类:湿法清洗和干法清洗。微电子工业中的清洗也同样是一个很广的概念,包括任何与去除污染物有关的工艺。

湿法清洗在现阶段的微电子清洗工艺中还占据主导地位。但是从对环境的影响、原材料的消耗及未来发展上看,干法清洗要明显优于湿法清洗。

干法清洗有等离子清洗、紫外光清洗、激光清洗、干冰清洗等等。其中发展较快、优势明显的就是等离子清洗技术。目前,等离子清洗已逐步在半导体制造、微电子封装、塑料和陶瓷等表面活化、精密机械等行业开始普遍应用。其独特的优越性正逐步被国内各行业所认可。

干法等离子清洗

等离子清洗的机理

等离子体是部分电离的气体,是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易与固体表面发生反应。

干法等离子清洗的机理,主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看,等离子清洗通常包括以下过程:无机气体被激发为等离子态;气相物质被吸附在固体表面;被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子;产物分子解析形成气相;反应残余物脱离表面。

等离子清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型,均可进行处理,对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料,如聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理,并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

等离子清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术,自动化程度高;具有高精度的控制装置,时间控制的精度很高;正确的等离子清洗不会在表面产生损伤层,表面质量得到保证;由于是在真空中进行,不污染环境,保证清洗表面不被二次污染。

等离子清洗分类

反应类型分类

等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应(离子轰击)和化学反应。物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面,使污染物脱离表面最终被真空泵吸走;化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质,再由真空泵吸走挥发性的物质。

以物理反应为主的等离子清洗,也叫做溅射刻蚀或离子铣,其优点在于本身不发生化学反应,清洁表面不会留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化学纯净性,腐蚀作用各向异性:缺点就是对表面产生了很大的损害,会产生很大的热效应,对被清洗表面的各种不同物质选择性差,腐蚀速度较低。以化学反应为主的等离子清洗的优点是清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效,缺点是会在表面产生氧化物。和物理反应相比较,化学反应的缺点不易克服。并且两种反应机制对表面微观形貌造成的影响有显著不同,物理反应能够使表面在分子级范围内变得更加“粗糙”,从而改变表面的粘接特性。还有一种等离子清洗是表面反应机制中物理反应和化学反应都起重要作用,即反应离子刻蚀,两种清洗可以互相促进,离子轰击使被清洗表面产生损伤削弱其化学键或者形成原子态,容易吸收反应剂,离子碰撞使被清洗物加热,使之更容易产生反应;其效果是既有较好的选择性、清洗率、均匀性,又有较好的方向性。

典型的等离子体物理清洗工艺是氩气等离子清洗。氩气本身是惰性气体,等离子体的氩气不和表面发生反应,而是通过离子轰击使表面清洁。典型的等离子体化学清洗工艺是氧气等离子清洗。通过等离子体产生的氧自由基非常活泼,容易与碳氢化合物发生反应,产生二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发物,从而去除表面的污染物。

湿法清洗虽然在现有的微电子封装生产中占据主要地位,但是其带来的环境以及原料消耗问题不容忽视。而作为干法清洗中最有发展潜力的等离子清洗,则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。干法等离子清洗技术在微电子封装、半导体制造、光电行业、医学行业等多领域中具有广泛的应用,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。特别是将等离子清洗引入微电子封装中,能够显著改善封装质量和可靠性。