?一、概述：
電子工業(yè)清洗是一個很廣的概念，包括任何與去除污染物有關(guān)的工藝，但針對不同的對象，清洗的方法有很大的區(qū)別。目前在電子工業(yè)中已廣泛應(yīng)用的物理化學(xué)清洗方法，從運(yùn)行方式來看，大致可分為兩種：濕法清洗和干法清洗。濕法清洗已經(jīng)在電子工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，清洗主要依靠物理和化學(xué)（溶劑）的作用，如在化學(xué)活性劑吸附、浸透、溶解、離散作用下輔以超聲波、噴淋、旋轉(zhuǎn)、沸騰、蒸氣、搖動等物理作用下去除污漬，這些方法清洗作用和應(yīng)用范圍各有不同，清洗效果也有一定差別。CFC清洗在過去的清洗工藝中，從清洗效力及后續(xù)工序上都占有很重要的地位，但由于其損耗大氣臭氧層，而被限制使用。對于替代工藝，在清洗過程中，不可避免的存在需后續(xù)工序的烘干（ODS類清洗不需烘干，但污染大氣臭氧層，目前限制使用）及廢水處理，人員勞動保護(hù)方面的較高投入，特別是在電子組裝技術(shù)，精密機(jī)械制造的進(jìn)一步發(fā)展，對清洗技術(shù)提出越來越高的要求。環(huán)境污染控制也使得濕法清洗的費(fèi)用日益增加。相對而言，干法清洗在這些方面有較大優(yōu)勢，特別是以等離子清洗技術(shù)為主的清洗技術(shù)已逐步在半導(dǎo)體、電子組裝、精密機(jī)械等行業(yè)開始應(yīng)用。因此，有必要了解等離子清洗的機(jī)理及其應(yīng)用工藝。
二、等離子體清洗機(jī)理
等離子體是正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。由離子、電子、自由激進(jìn)分子、光子以及中性粒子組成。是物質(zhì)的第四態(tài)。
通常情況下，人們普遍認(rèn)為的物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。區(qū)分這三種狀態(tài)是靠物質(zhì)中所含能量的多少。氣態(tài)是物質(zhì)的三個狀態(tài)中最高的能量狀態(tài) 。
給氣態(tài)物質(zhì)更多的能量，比如加熱，將會形成等離子體。當(dāng)?shù)竭_(dá)等離子狀態(tài)時，氣態(tài)分子裂變成了許許多多的高度活躍的粒子。這些裂變不是永久的，一旦用于形成等離子體的能量消失，各類粒子重新結(jié)合，形成原來的氣體分子。
等離子體技術(shù)在本世紀(jì)六十年代起就開始應(yīng)用于化學(xué)合成、薄膜制備、表面處理和精細(xì)化工等領(lǐng)域，在大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路工藝干法化、低溫化方面，在近年來也開發(fā)應(yīng)用了等離子體聚合、等離子體蝕刻、等離子體灰化及等離子體陽極氧化等全干法工藝技術(shù)。等離子清洗技術(shù)也是工藝干法化的進(jìn)步成果之一。
與濕法清洗不同，等離子清洗的機(jī)理是依靠處于“等離子態(tài)”的物質(zhì)的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。從目前各類清洗方法來看，可能等離子體清洗也是所有清洗方法中最為徹底的剝離式的清洗。
干法工藝與濕法清洗的主要區(qū)別如下：
就反應(yīng)機(jī)理來看，等離子體清洗通常包括以下過程：
??? a.無機(jī)氣體被激發(fā)到等離子態(tài)。
??? b.氣相物質(zhì)被吸附在固體表面。
??? c.被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子。
??? d.產(chǎn)物分子解析形成氣相。
??? e.反應(yīng)殘余物脫離表面。
氣體被激發(fā)到等離子態(tài)有多種方式，如激光、微波、電暈放電、熱電離、弧光放電等多種方式，在電子清洗中，主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無機(jī)氣體（Ar2、N2、H2、O2等）在高頻低壓下被激發(fā)，產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子，自由基等多種活性粒子，一般在等離子清洗中，可把活化氣體分為兩類，一類為惰性氣體的等離子體(如Ar2、N2 等)；另一類為反應(yīng)性氣體的等離子體(如O2、H2 等)。這些活性粒子能與表面材料發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)過程如下：?
電子--氣體分子--激發(fā)----激發(fā)態(tài)分子--------清洗（浸蝕、濺射） 離解 自由基 離子 中性分子
??? 在這一過程中等離子體能有效地使材料表面層中產(chǎn)生大量自由基，這種作用在高分子表面特別明顯。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，反應(yīng)性等離子體的研究很早就十分活躍。如，CF4和O2混合的等離子體清洗。我們可以通過控制CF4的流量來控制反應(yīng)的進(jìn)度。
??? 以輝光放電氫等離子體為例：
??H2+hv+e
??H2+e*→H2*+e
??2H·+e
??H2+2e
??H2+e
??H·+H++2e·
??? 同樣對于氧氣、水、和有機(jī)物也有如下反應(yīng)：
??O2 →2O·
??H2O→OH·+H·
??CH4→CH3·+H·
??R1R2→R1·+R2·
等離子清洗技術(shù)的最大特點是不分處理對象的基材類型，均可進(jìn)行處理，如金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料(如：聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯)等原基材料都能很好地處理，并可實現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。清洗的重要作用之一是提高膜的附著力，如在Si襯底上沉積Au膜，經(jīng)Ar等離子體處理掉表面的碳?xì)浠衔锖推渌廴?，明顯改善了Au的附著力。等離子體處理后的基體表面，會留下一層含氟化物的灰色物質(zhì)，可用溶液去掉。同時有利于改善表面沾著性和潤濕性。在清洗過程中經(jīng)等離子體表面活化形成的自由基，能夠進(jìn)一步加成特定官能團(tuán)，這種特定官能團(tuán)的引入，特別是含氧官能團(tuán)，對改善材料的沾著性和濕潤性能起著明顯的作用。實驗表明：不僅引入氧的等離子體，而且，Ar，N等的等離子體同樣能導(dǎo)入含氧的官能團(tuán)。如：-OH、-OOH等，最典型的是當(dāng)高分子材料與氧等離子體接觸時，在剛生成的自由基位置羥基化或羧基化。其反應(yīng)為：
??R·+O·→RO·
??R·+O2→ROO·
針對不同的等離子體，可能都會有一定種類的副產(chǎn)物出現(xiàn)，如四氟化碳與氧的等離子體在和聚合物發(fā)生反應(yīng)裂解成水蒸汽、二氧化碳、和少量氫氟酸，這些氫氟酸是反應(yīng)的副產(chǎn)品，有毒，但可用堿式濕法洗滌器去除。
附:等離子清洗設(shè)備工作原理簡圖
??? 電源
??? 氣源
??? 抽真空
??? 等離子工藝常規(guī)的化學(xué)清洗具有若干優(yōu)勢，等離子由于使用電能催化化學(xué)反應(yīng)而不是熱能,因此提供了一個低溫環(huán)境。等離子排除了由于濕式化學(xué)清洗帶來的危險，并且與其它清洗方式相比的最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液。總之，等離子工藝是一種簡單到幾乎不需管理的清洗工藝。
三、等離子體清洗的應(yīng)用
一般來講，清洗/蝕刻意思是去除產(chǎn)生干擾的材料。清洗效果的兩個實例是去除氧化物以提高釬焊質(zhì)量和去除金屬、陶瓷、及塑料表面有機(jī)污染物以改善粘接性能，這是因為玻璃、陶瓷和塑料（如聚丙烯、PTFE等）基本上是沒有極性的，因此這些材料在進(jìn)行粘合、油漆和涂覆之前要進(jìn)行表面活化處理。等離子體最初應(yīng)用于硅片及混裝電路的清洗以提高鍵接引線和釬焊的可靠性。如:去除半導(dǎo)體表面的有機(jī)污染以保證良好的焊點連接、引線鍵合和金屬化,以及PCB、混裝電路 MCMS（多芯片組裝）混裝電路中來自鍵接表面由上一工序留下的有機(jī)污染，如殘余焊劑、多余的樹脂等。清洗的各種例子不勝枚舉。在諸如此類的應(yīng)用中我們將列舉一些典型的等離子體清洗工藝。
?? 1 蝕刻工藝
某種程度來講，等離子清洗實質(zhì)上是等離子體刻蝕的一種較輕微的情況。進(jìn)行干式蝕刻工藝的設(shè)備包括反應(yīng)室、電源、真空部分。工件送入被真空泵抽空的反應(yīng)室。氣體被導(dǎo)入并與等離子體進(jìn)行交換。等離子體在工件表面發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的揮發(fā)性副產(chǎn)物被真空泵抽走。等離子體刻蝕工藝實際上便是一種反應(yīng)性等離子工藝。近期的發(fā)展是在反應(yīng)室的內(nèi)部安裝成擱架形式，這種設(shè)計的是富有彈性的，用戶可以移去架子來配置合適的等到離子體的蝕刻方法：反應(yīng)性等離子體（RIE），順流等離子體（downstream），直接等離子體（direction plasma）。 所謂直接等離子體，亦稱作反應(yīng)離子蝕刻，是等離子的一種直接浸蝕形式。它的主要優(yōu)勢是高的蝕刻率和高的均勻性。直接等離子體具有較低浸蝕但工件卻暴露在射線區(qū)。順流等離子是種較弱的工藝，它適合去除厚為10-50埃的薄層。在射線區(qū)或等離子中，人們擔(dān)心工件受到損壞，目前，這種擔(dān)心還沒有證據(jù)，看來只有在重復(fù)的高射線區(qū)和延長處理時間到60-120分鐘才可能發(fā)生，正常情況下，這樣的條件只在大的薄片及不是短時的清洗中。
?? 2 在引線的鍵合中
在等離子清洗的工裝設(shè)計采用一些特殊結(jié)構(gòu)可以滿足用戶每小時清洗500到1000個引線框的要求。這種工藝對COB’S（裸芯片封裝）或其它的封裝都采用相同的工藝條件便能提供給用戶一種簡單而有效的清洗。板上芯片連接技術(shù)（DCA）中，無論是焊線芯片工藝、倒裝芯片、卷帶自動結(jié)合技術(shù)中，整個芯片封裝工藝中，等離子清洗工藝都將作為一種關(guān)鍵技術(shù)存在。對整個IC封裝的可靠性產(chǎn)生重要影響。
??? 以COB’S為例：
??? 芯片粘接（Die bonding）-固化（Cure）-等離子清洗（Plasma cleaning）-線焊（Wire bond）-包裝-固化
??3 BGA封裝工藝
在BGA工藝中，對表面清潔和處理都是非常嚴(yán)格的，焊球與基板的連接要求一個潔凈表面以保證焊接的一致性和可靠性。等離子體處理它可以保證不留痕跡，BGA焊盤要求等離子處理來確保良好的粘接性能，并且，已有批量和在線式的清洗工藝。
??4 混裝電路
混裝電路出現(xiàn)的問題是引線與表面的虛接，這主要?dú)w因于電路表面的焊劑、光刻膠及其它一些殘留物質(zhì)。針對這種清洗，要用到氬的等離子體清洗，氬等離子體可以去除錫的氧化物或金屬，從而改變電性能，此外，鍵接前的氬等離子體還用于清洗金屬化、芯片粘接和最后封裝前的鋁基板。
?? 5 硬盤
用等離子清洗來去除由上一步濺鍍工藝留下的殘余物，同時基材表面經(jīng)過處理，對改變基材的潤濕性，減小摩擦，很有好處。
?? 6 去除光致抗蝕劑
在晶片制造工藝中，使用氧等離子體去除晶片表面抗蝕劑（photoresist）。干式工藝唯一的缺點是等離子體區(qū)的活性粒子可能會對一些電敏感性的設(shè)備造成損害。為了解決這一問題，人們發(fā)展了幾種工藝，其一是用一個法拉第裝置以隔離轟擊晶片表面和電子和離子；另一種方法是將清洗蝕刻對象置于活性等離子區(qū)之外。（順流等離子清洗）蝕刻率因電壓，氣壓以及膠的量而定，典型的刻蝕率為每分鐘1000埃，正常需要10 分鐘時間。
??7 液晶顯示器生產(chǎn)中的清洗：
在液晶清洗中的干式清洗，使用的活化氣體是氧的等離子體，它能除去油性污垢和臟物粒子，因為氧等離子體可將有機(jī)物氧化，形成氣體排出。它的唯一問題是需要在去除粒子后加入一個除靜電裝置清洗工藝如下：
研磨---吹氣----氧等離子體----除靜電
通過干式洗凈工藝后的電極端子與顯示器，增強(qiáng)了偏光板粘貼的成品率，并且電極端與導(dǎo)電膜間的粘附性也大大改善。
??8 精密零件清洗：
在經(jīng)過機(jī)械加工的零件表面主要?dú)埩粑餅橛皖愇廴?，采用O2等離子體去除會特別有效。
四、結(jié)束語
在最近的研究中人們還在提到等離子體清洗造成材料表面的濺射損傷。實際上，只要能量控制合適，輕度的表面損傷反而可以極大地增強(qiáng)附著力。在某些情況下成為不可或缺的工藝，如：用Ar等離子體去除一些材料表面氧化物。當(dāng)然，一些工藝試驗表明，采用分步工藝法進(jìn)行清洗，可以把這種損傷減小到最底程度。另外，國外已經(jīng)展開了對等離子體清洗殘余物毒性的深入研究，相信，不久以后，等離子清洗設(shè)備和工藝就會以其在健康、環(huán)保、效益、安全等諸多方面的優(yōu)勢逐步取代濕法清洗工藝，特別是在精密件清洗和新半導(dǎo)體材料研究和集成電路器件制造業(yè)中,等離子清洗應(yīng)用前景廣闊。我們針對等離子清洗的工藝也已經(jīng)進(jìn)行了一定研究和設(shè)備的研制,希望今后和國內(nèi)外同行就干法清洗工藝方面進(jìn)行有益的探討和交流。