射频等离子清洗系统设计

柳国光，苗俊芳，胡文平，师筱娜

(中国电子科技集团公司第二研究所山西太原030024)

完成一次清洗工艺，传统的溶液溶解方法会产生几升甚至几十升的污染液，而采用相应的等离子清洗工艺，则只产生约0.5 g携带污染物的气体。尽管环境友好性突出，但缓慢的清洗速度使得等离子清洗通常仅作为溶液清洗后的最后一道清洗来获得理想的表面清洁度，对减少工业清洗中产生的污染并没有多大作用。因此，为了使等离子清洗技术成为减少污染的有效手段，必须大幅度提高等离子清洗速度，以实现替代工业清洗中的溶液清洗环节，减少污染物的排放。

1 清洗原理和影响清洗效果的主要因素

1.1 原理及实现方法

等离子清洗是依靠特定物质等离子体中的高能粒子流冲击需要清洁的物体表面，产生物理冲击（如氩等离子体）或化学反应（氧等离子体）来实现去除物体表面污渍的功能。目前，大多数等离子清洗系统通过降低反应仓的压力到100 Pa以下，然后以一定的速度通入合适的气体并启动电源来获得等离子体。

1.2 影响清洗效果的主要因素

1.2.1 电极对等离子清洗效果影响

电极的设计对等离子清洗效果有着显著的影响，主要包括电极的材料、布局和尺寸等因素。对于内电极等离子清洗系统，由于电极暴露在等离子体中，某些材料的电极会被一些等离子体刻蚀或发生溅射现象，造成不必要的污染并导致电极尺寸的变动，进而影响等离子清洗系统的稳定性。电极的布局对等离子清洗的速度和均匀性有较大影响，较小的电极间距能够将等离子体限制在狭小的区域从而获得较高密度的等离子体，实现较快速度的清洗。随着间距的增加清洗速度逐渐下降但均匀性逐渐增强，电极的尺寸通常决定了等离子系统的整体容量，在电极平行分布的等离子清洗系统中，电极通常作为托盘使用，较大尺寸的电极能够一次清洗更多的元器件，提高设备的运行效率。

1.2.2 工作压强对等离子清洗效果的影响

工作压强是等离子清洗的重要参数之一，压强的提高意味着等离子体密度的增加和粒子平均能量的降低，对化学反应为主导的等离子体，密度的增加能显著提高等离子系统的清洗速度，而物理轰击主导的等离子清洗系统则效果并不明显。此外，压强的改变可能会引起等离子体清洗反应机理的变化。如硅片刻蚀工艺所采用的CF4/O2等离子体，当压强较低时离子轰击起主导作用，而随着压强的增加，化学刻蚀不断加强并逐渐占据主导作用。

1.2.3 电源功率及频率对等离子清洗效果的影响

电源的功率对等离子体各参数都有影响，比如电极的温度、等离子体产生的自偏压以及清洗效率等。随着输出功率的增加，等离子清洗速度逐渐加强，并逐渐稳定在一个峰值，而自偏压则随着输出功率的增加不断上升。由于功率范围基本恒定，频率是影响等离子体自偏压的关键参数，随着频率的增加自偏压逐渐下降。此外，随着频率的增加等离子体中电子的密度也会逐渐增加，而粒子平均能量逐步下降。

1.2.4 工作气体的选择对等离子清洗效果的影响

工艺气体的选择是等离子清洗工艺设计的关键步骤，尽管很多时候大多数气体或气体混合物都能对污染物起到去除作用，但清洗速度却能相差几倍甚至几十倍。如在氧气（O2）中加入不同比例的氟化硫(SF6)作为工艺气体来清洗有机玻璃，其结果如图1，从图中可见合理选择工艺气体能大幅提高清洗速度。

图1 O2中SF6百分含量与PMMA清洗速度

2 等离子清洗系统的设计

2.1 电极的设计

由上述分析可知，电极本身应尽可能不受等离子体的影响，且间距可调以适应不同应用对等离子体特性的需求，此外，应该在满足应用条件的基础上使托盘电极面积最大化。因此将电极设计成如图2所示机构，电极板主体由不锈钢材料制成，通过电极接头可选择的与电源正极或负极连通，电极板由两侧的绝缘块固定在真空腔体中，整个电极系统可跟据不同需求选择电极板的极性与间距，以获得最合适的等离子体。同时可以通过增加真空腔体的长宽高来增加托盘的数量和尺寸，提高清洗系统的效率。

2.2 等离子体发生器的设计

等离子体发生器的选择与其频率的选择是确保等离子质量和过程灵活性的两个最重要的参数。射频发生器的频率确定能否很好的将气体激发为等离子态。为满足不同需求的应用，将射频电源功率选择为0到1000 W可调，频率选择为13.56 MHz，同时采用电源匹配系统来调节负载阻抗，以保证最佳的等离子密度和可重复性。

图2 电极板与电极系统

2.3 真空及供气系统设计

保证工作腔体压力的稳定是实现等离子清洗系统稳定工作的条件之一，等离子工作时会持续通入工作气体同时由真空泵将废气排出，为了保证工作压强的稳定，供气系统采用高精度流量计来精确调节工作气体的流量，同时采用高稳定性的真空泵来实现废气的均衡排放。此外，供气系统设计有4组工艺气体，以最大化地实现对不同工艺气体及其混合物的需求。

2.4 系统的运行效果

为测试上述系统的效果，利用接触角测量仪对采用该等离子清洗系统清洗后的不锈钢材料进行了滴水试验，试验用不锈钢表面带胶，不同工艺条件下清洗10次取均值，其结果见表1。

表1 接触角试验数据

可见，经该等离子系统清洗后，不锈钢表面清洁度大幅提升，同时也表明合理的参数设计确实能改善等离子系统的清洗效果，该系统灵活的工艺参数设定能力使它能方便的找出最佳工艺参数，使等离子清洗效果最优化。

3 结束语

等离子技术应用的关键是通过设定合理的工艺参数来获取最合适的等离子体，因此在设计等离子系统时需要尽可能实现工艺参数设定的柔性化，为各种应用提供不同的等离子体生成条件。本文介绍的系统能灵活的调整射频等离子体的几个主要生成条件，可满足多种等离子清洗应用，但针对具体的应用没有简易的条件设定方法，需要不断地实践来获取工艺参数，同时由于频率的不可调，限制了系统某些领域的应用，还有待进一步完善。

[1]熊楚才.等离子清洗技术[J].清洗技术，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