等离子清洗机工作原理

等离子清洗机工作原理1、何谓等离子清洗机

等离子清洗机采用气体作为清洗介质，有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二次污染。等离子清洗机外接一台真空泵，工作时清洗腔中的等离子体轻柔冲刷被清洗物的表面，短时间的清洗就能够使有机污染物被彻底地清洗掉，同时污染物被真空泵抽走，其清洗程度达成分子级。等离子清洗器除了含有超清洗功效外，在特定条件下还可根据需要变化某些材料表面的性能，等离子体作用于材料表面，使表面分子的化学键发生重组，形成新的表面特性。对某些有特殊用途的材料，在超清洗过程中档离子清洗器的辉光放电不仅加强了这些材料的粘附性、相容性和浸润性，并可消毒和杀菌。等离子清洗器广泛应用于光学、光电子学、电子学、材料科学、生命科学、高分子科学、生物医学、微观流体学等领域。

等离子清洗机的应用，来源于20世纪初，随着高科技产业的快速发展，其应用越来越广，现在已在众多高科技领域中，居于核心技术的地位，等离子清洗技术对产业经济和人类文明影响最大，首推电子资讯工业，特别是半导体业与光电工业。

等离子清洗机已应用于多个电子元件的制造，能够确信，没有等离子清洗机及其清洗技术，就没有今天这样发达的电子、资讯和通讯产业。另外，等离子清洗机及其清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上，并且是产品提高的核心技术，例如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层，复合材料的中间层、织布或隐性镜片的表面解决、微感测器的制造，超微机械的加工技术、人工关节、骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步，才干开发完毕。

等离子技术是一新兴的领域，该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学反映，此为典型的高科技产业，需跨多个领域，涉及化工、材料和电机，因此将极具挑战性，也充满机会，由于半导体和光电材料在将来得快速成长，此方面应用需求将越来越大。

2、等离子清洗机的技术原理2.1什么是等离子体

等离子体是物质的一种存在状态，普通物质以固态、业态、气态3种状态存在，但在某些特殊的状况下能够以第四中状态存在，如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质。这类物质所处的状态称为等离子体状态，又称位物质的第四态。等离子体中存在下列物质。处在高速运动状态的电子；处在激活状态的中性原子、分子、原子团（自由基）；离子化的原子、分子；分子解离反映过程中生成的紫外线；未反映的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。2.2如何用人工办法制得等离子体除了在自己已存在的等离子体以外，用人工办法在一定范畴内也能够制得等离子体。最早是在1927年，当水银蒸气在高压电场中的放电时由科研人员发现等离子体。背面的发现是通过多个形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都能够使处在低气压状态的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处在低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的状况下，能够分解出加速运动的原子和分子，这样产生的电子和解离成点有正、负电荷的原子和分子。这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量，并与周边的分子或原子发生碰撞，成果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处在激发状态或离子状态，这时物质存在的状态即为等离子体状态。在普通资料中常能够见到用下述反映式表述的等离子体形成过程。如氧气等离子体形成过程即可用下列6个反映式来表达：第一种反映式表达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，第二个反映式表达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。第三个反映式表达氧气分子在含有高能量的激发态自由电子作为下转变成激发态。第四第五反映式则表达激发态的氧气分子进一步发生转变，在第四个反映式中，氧气饿饭脑子回到普通状态的同时发出光能（紫外线）。在第五个反映式中，激发态的氧气分子分解成两个氧原子自由基。第六个反映式表达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，当这些反映持续不停发生，就形成氧气等离子体，其它气体的等离子体的形成过程也可用相似的反映式描述。固然实际反映要比这些反映式描述的更为复杂。

2.3等离子体的种类

（1）低温和高温可分为高温等离子体和低温等离子体两类，在等离子体中，不同微粒的温度事实上是不同的，所含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表达，电子的温度用Te表达，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表达，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，在电池中容易得到加紧，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），而弟子由于质量较大，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（含有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处在高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的互相碰撞频率大大增加，多个微粒的温度基本相似，即Te基本与Ti及Tn相似，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就是自己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强烈，因此在实际应用中极少使用，现在投入使用的只有低温等离子体，由于在本文中将低温等离子体简称为等离子体，但愿不会引发读者误解。

（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映机理是不同的，活泼气体的等离子体含有更强的化学反映活性，这将在背面结合具体应用实例介绍。

2.4等离子体与物体表面的作用

在等离子体中除了气体分子、离子和电子外，还存在受到能量激励状态的电中性的原子或原子团（又成自由基），以及等离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离子体与物质表面互相作用时有着重要作用。

2.4.1原子团等自由基与物体表面的反映

由于这些自由基呈电重型，存在寿命较长，并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，自由基的作用重要体现在化学反映过程中能量传递的"活化"作用，处在激发状态的自由基含有较高的能量，因此易于与物体表面分子结合时会形成新的自由基，新形成的自由基同样处在不稳定的高能量状态，很可能发生分解反映，在变成较小分子同时生成新的自由基，这种反映过程还可能继续进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简朴分子。在另某些状况下，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映推动力，从而引发物体表面上的物质发生化学反映而被去除。

2.4.2电子与物体表面的作用

首先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，另首先大量的电子撞击有利引发化学反映。由于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快的多，当进行等离子体解决时，电子要比离子更早达成物体表面，并使表面带有负电荷，这有助于引发进一步反映。

2.4.3离子与物体表面的作用

普通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称大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们在这种现象称为溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大增进物体表面化学反映发生的几率。

2.4.4紫外性与物体表面的反映

紫外性含有很强的光能，可使附着在物体表面物质的分子键发生断裂而分解，并且紫外线含有很强的穿透能力，可透过物体的表面进一步达数微米而产生作用。

总而言之，可知等离子清洗是运用等离子体内的多个含有高能量的物质和活化作用，将附着在物体表面的污垢彻底剥拜别除。

3离子清洗机/等离子清洗设备的构造及工作原理研究

3.1离子清洗机/等离子清洗设备的基本构造

根据用途的不同，可选用多个构造的等离子清洗设备，并可通过选用不同种类的气体，调节装置的特性参数等办法使工艺流程实现最佳化，但等离子体清洗装置的基本构造大致是相似的，普通装置可由真空室、真空泵、高频电源、电极、气体导入系统、工件传送系统和控制系统等部分构成。普通使用的真空泵是旋转油泵，高频电源普通用13.56M赫兹的无线电波，设备的运行过程以下：

（1）被清洗的工件送入真空室并加以固定，启动运行装置，开始排气，使真空室内的真空程度达成10Pa左右的原则真空度。普通排气时间大概需要2min。

（2）向真空室引入等离子清洗用的气体，并使其压力保持在100Pa。

根据清洗材质的不同，可分别选用氧气、氢气、氩气或氮气等气体。

（3）在真空室内的电极与接地装置之间施加高频电压，使气体被击穿，并通过辉光放电而发生离子化和产生等离子体。让在真空室产生的等离子体完全笼罩在被解决工件，开始清洗作业。普通清洗解决持续几十秒到几分钟。

（4）清洗完毕后切断高频电压，并将气体及汽化的污垢排出，同时向真空室内鼓入空气，并使气压升至一种大气压。

3.2等离子清洗的特点和优势与湿法清洗相比，等离子清洗的优势体现在下列8个方面：

（1）在通过等离子清洗后来，被清洗物体已经很干燥，不必再经干燥解决即可送往下道工序。

（2）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，属于有助于环保的绿色清洗办法。

（3）用无线电波范畴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，因此它能够进一步物体的微细孔眼和凹陷的内部并完毕清洗任务，因此不必过多考虑被清洗物体形状的影响，并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加好。

（4）整个清洗工艺流程在几分钟即可完毕，因此含有效率高的特点。

（5）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。

（6）由于不需要对清洗液进行运输、贮存、排放等解决方法，因此生产场地很容易保持清洁卫生。

（7）等离子清洗的最大技术特点是：它不分解决对象，可解决不同的基材，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、据四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂等高聚物）都可用等离子体较好地解决，因此，特别适合不耐热和不耐溶剂的基底材料。并且还能够有选择地对材料的整体、局部或复杂构造进行部分清洗。（8）在完毕清晰去污的同时，还能变化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。

3.3离子清洗机/等离子清洗设备的原理理论分析

我们先简朴的定义什么是等离子体，等离子体是一团含有正离子、电子、自由基及中性气体原子所构成的会发光的气体团，如日光灯、霓红灯发亮的状态，就是属于等离子体发亮的状态。等离子体的产生最重要是靠电子去撞击中性气体原子，使中性气体原子解离而产生等离子体，但中性气体原子核对其外围的电子有一束缚的能量，我们称它为束缚能，而外界的电子能量必须不不大于此束缚能，才会有能力解离此中性气体原子，但是，另外界的电子往往是能量局限性的，没有解离中性气体原子的能力，因此，我们必须用外加能量的办法给原子电子能量，使电子有运用解离此中性气体原子。

要外加能量给电子，最简朴的办法就是用平行电极板加始终流电压，电子在电极中，会被带正电的电极所吸引而加速，在加速的过程中电子能够累积能量，当电子的能量达成某一程度时，就有能力来解离中性气体原子，能产生高密度等离子体的办法有诸多个，在此我们简朴的介绍某些能产生高密度等离子体的办法。

3.3.1感应偶合式等离子体产生法（ICP）感应偶合式等离子体与（Inductively－Couplede－Plasma，ICP）的工作原理，就是在线圈上加上一种高频电源，当线圈上的电流变化时，就可有安培定律懂得，当感应产生一变动磁场，同时可由法拉第定律懂得此变动之磁场会感应出一种反映方向的电场，此电场会加速等离子体中的电子而形成一线圈电流相反的二次电流。并且随着与加于线圈上的电流不停变化，而感应出的电场也不停变化，这不停变化电场与平板式高调波等离子体同样能用来加速电子以维持等离子体，所不同的是电场与电极方向不同。在平板式高调波等离子体中电子受电场影响而运动方向垂直于电极，因此会有许多电子逃离等离子体跑到电极上，使能量消耗在加热电极上，而在感应偶合式等离子中，电子受感应电场的影响而使运动方向与电极平行，因此不会有太多的电子损耗在电极上，固能够维持线圈周边相称高的电子密度。ICP的重要优点为：

（1）等离子体密度高、解离率高，能够在相称大的压力范畴上保持高密度等离子体。

（2）平板式ICP可大面积操作。

（3）ICP等离子体中的电子温度低、离子动能低、等离子体电位低。

（4）等离子体密度及离子转击基板的动能可分开控制。

（5）设备简朴。

但其唯一的缺点为线圈电极可能被离子打出而污染镀膜品质，普通改善的办法有：

（1）将线圈电极的一端接地以减少线圈电极之电位，即减少电容效应。

（2）并联始终流电压以避免离子转击。

（3）可使使用方法拉第屏蔽（Faraday''sshielding）以消除电容效应。

（4）将线圈以介电材料被覆（coating）以减少等离子体电位。

3.3.2阴极等离子体产生法（HCF）

在一金属管装物，可为圆形、方形、椭圆形或其它形状，在外加一高调波在此管状物上，会产生一种自我偏压，故造成整支管子都是带一偏压，这使得电子无论是往哪一方向作运动，都会被排斥，因此，电子在管内会作来回振荡的运动，固电子在碰撞到电极板前，能走更长的距离，这就是表达电子会有更多的机会或几率与中性气体原子产生碰撞，从而产生等离子体。

3.3.3电子回旋共振电浆产生法（ECR）

此为微波（Microwave）与磁场共同组合的一种等离子体产生法，电子在磁场中会作旋转的运动，当磁场强度越来越强时，电子旋转的速度会越快，在磁场强度为875GA/m时，电子旋转的频率为2.45G赫兹，此频率恰巧为微波的频率，因频率相近而产生共振，此共振现象就有助于电子吸取微波的能量，因拥有较高能量的电子，这将有助于等离子体的产生。

3.3.4电容耦合式与感应耦合式离子体的差别性能比较

传统型的离子设备普通又称电容耦合等离子机（capacitorcoupledplasma，CCP或CP）或电场耦合式等离子机（electricfieldcoupledplasma），由于两电极间所形成电容之间产生电场的等效电路故称之。这种电容式的等离子体系统虽行之有年，却有其据点存在，当粒子被RF电场加速时，其粒子顺着电场方向来回碰撞，因此造成两个问题，一为粒子因向上下电机板加速产生碰撞造成动能的损耗，二为由于晶片普通置于其中一电极，在粒子向两极加速的中过程中，易于对晶片上的元件造成损伤，又由于粒子动能的损耗使得电浆的效率无法提高，因此其密度只能维持在109ion/cm3的数量级，因此电容式电浆用于蚀刻时，基本上是含有物物理蚀刻和化学蚀刻双重作用的合成，限于等离子体密度无法提高，单位面积内的活化离子数目以及化学蚀刻反映也受到了带电粒子数目的限制，在低压状况下（1.333mPa下列），由于离子数目过低而造成等离子体无法维持的状况，因此电容耦合式电浆很难用于低压下蚀刻并且也不是很有效率，为了避免此一困扰，使用者将制成的压力提高到及几毫帕或几十豪帕的范畴，此压力范畴若应用于CVD就较好，但是若应用于蚀刻就会产生等向蚀刻的效应，此效应和化学蚀刻并没有太大差别，由于在此压力范畴内，粒子的meanfree－path已小到0.1mm下列，粒子进入晶片表面法向分量与切向分量已没任何差别。因此其纵向蚀刻速率与横向蚀刻速率几近相等，即所谓的"等向蚀刻"。

20世纪80年代末期，出现了磁场耦合方式的等离子体，或称感应耦合式（InductivelyCoupledPlasma，ICP）在特性上取代了电场耦合方式（即电容式等离子体），该种等离子体在构造上由电感产生感应磁场，再运用此磁场产生感应而得到二次感应而得到二次感应电流围绕此磁场，由于此构造类似变压器原理，因此又称之为变压器耦合待离子体（transformercoupledplasma）此构造的优点在于带电粒子功效损耗的缺点而使得效率大大提高，借而提高电浆密度，更有利的一点是由于粒子的加速方向平行于晶牌片表面的切线方向，因此不至于造成对元件的损伤，这种封闭式的加速途径使得粒子之间的碰撞几率大大增加，因此，磁场耦合式等离子体的密度高达1011－1013ion/cm3数量级。更重要的一点是由于其效率高、密度大，等离子体在压力低于0.133mPa下列的范畴仍可维持1011－1013ion/cm2的数量级。由于此一优点，等离子体系统的工作压力能够延伸到0.133mpa下列，低工作压力得好处在于粒子的mean－free－path大，借由偏移压场能够辅助带电粒子向晶片的入射方向，不致因受到太多的碰撞而产生散射效应，此入射方向决定蚀刻角度的核心参数。在0.133－1.133mPa的压力范畴下操作，其蚀刻角度能够到近于90度的垂直效果，此乃高密度等离子体的重要特性之一。

3.3.5等离子清洗机机理分析

电浆与材料表面可产生的