带加热及水冷的等离子清洗系统

师筱娜，马 斌

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

集成电路生产工艺需求，前期芯片制造,后期封装及混合电路等的可持续发展；陶瓷、石英、高分子工程塑料等表面纳米级的活化改性，由非极性到带有一层纳米级的极性材料表层，以提高材料表面物理和化学的粘接印刷涂覆上漆性能，最贴近生活化的如制鞋业的工艺生产需求，连接器上logo的印刷等；LCD液晶显示屏表面有机物干扰材料的去除；金属表层氧化物的去除等；等离子清洗的应用例子极为广泛，而在设备反应腔室的电极载物托盘上进行托盘等离子有效区的整体均匀加热，在腔室四周外壁和真空门进行水冷，成为了促进等离子处理过程的有效方法。

1 等离子体及清洗系统

1.1 等离子体

根据1879年克鲁克斯提出的名词概念：固态加热时经相变为液体；液体加热经相变为气体；在气体中加入更多的能量如电磁能及加热，就可以使一些原子电离，在高于100000K的温度下大部分物质处于电离状态，物质的这种电离状态则称为第四态。假如有一种机理能使气体电离，而且气体的密度又足够低，以致复合较慢，那么等离子状态也能在低于100000K的温度下存在。由此得出，温度是导致物质状态变化相变的关键参量，而温度直接影响带电粒子(电子离子)的密度[1]。

由克拉尔和特里维尔皮斯的等离子体物理学知[1]：宇宙中99.9%的物质都处于等离子体状态，等离子体是宇宙中最常见丰富的可见物质形式，包括太阳、恒星、电离层、闪电、极光、星际、高温火焰等。但是在地球上却很少有天然等离子体存在，因为地球及其附近大气的低温度和高密度阻碍了等离子体的存在。但在地球上层的大气(电离层)中，存在着由稀薄大气因光致电离产生的等离子体。在离地球更远的地方，等离子体在接近真空的空间被地磁场所俘获。等离子体从太阳流向地球(太阳风)，并充满星际空间的许多区域，从而形成一种被用以观察更外层空间的介质。这就意味着要获得和研究等离子体及其性质，必须用实验装置的方法来产生它们。最早是在1927年，当水银蒸气在高压电场中放电时由科研人员发现等离子体。后面的发现是通过多种形式，例如电弧光、激光、石英灯管日光灯管、能源需求的热核聚变、等离子处理系统等。等离子体的参数范围很广，温度密度皆跨越了数个量级。是由部分被电离的原子及原子团(正离子)以及电子组成的离子化气体状物质，整体正负电荷总数相等宏观呈电中性[2]。

1.2 等离子清洗系统

等离子清洗系统是通过控制由密闭腔室连接真空泵、RF电源和进气控制的装置系统产生的等离子体，通过化学或物理作用对放置在电极(正极和负极)和非电极(悬浮极)载物托盘上的工件表面进行纳米级处理，实现分子水平的多余材料和沾污去除，改善工件表面极性性能，为下步工艺做好基础的工艺过程设备。被清除的材料和沾污可能有：有机物如玻璃表面的油污、环氧基聚合物、氧化物如氧化银等、氮氧化物、光刻胶，焊料残余、金属盐等[3]。对应不同的基材及沾污，应采用不同的清洗工艺：工艺气体种类及流量控制如氧气、氩气、氯基气、氢气等；不同的电源激励频率如常用的13.56MHz、40kHz、2.45GHz；不同的电源功率如600W,1000W,2000W等；是否设计加装磁场以方向性地加速等离子体；工作台是否加热、加热温度及升温速度等。

利用等离子体活泼的物理化学电磁流体特性，可以实现一系列传统湿法处理所不能实现的反应过程和处理效果，产生速度快、能量高、无污染、处理对象广泛、整体成本低、无需干燥处理，占用空间小等。气体放电瞬间产生等离子体，处理甚至几秒钟就可改变表面性质,时间长的达到45min左右不仅被活化，还会被刻蚀及处理厚度纳米级至微米级加厚。

以氧气等离子体去除物体表面油脂污垢为例，等离子体对油脂污垢的作用，类似于使油脂污垢发生燃烧反应，但不同之处是在低温情况下发生的"燃烧"。其基本原理：氧气等离子体中的氧原子自由基、激发态的氧气分子、电子以及紫外线的共同作用下，油脂分子最终被氧化成水和二氧化碳分子，并从物体表面被清除[4]。

图1 部分气体的等离子体清洗示意图

图1为部分气体如氧气、氢气、氩气等离子体处理示意图。

2 带加热及水冷结构的等离子清洗系统

2.1 系统基本构成

带电极载物托盘加热结构及真空腔室四壁和门水冷的等离子清洗系统结构示意见图2。系统共包括电器控制及操作系统、真空腔室、供气系统、13.56 MHz RF电源、真空泵、水冷机等。图2为该系统结构组成示意图。

图2 系统结构组成示意图

2.2 加热电极载物托盘介绍

反应腔体设计为等离子清洗常见的规则盒形，电极电容耦合平行载物托盘的加热采用耐高温电绝缘材料两片云母板中间夹常用电加热丝的方式。在已知为真空内加热电压及加热丝电阻的情况下,根据需求的最大加热温度及升温时间，计算出合理的加热功率和电流，并根据载物托盘的大小设计适合均匀的加热板图形，以获得均匀的加热平面，使得整个载物托盘加热区为有效区，可以尽可能多的放满工件或放大尺寸工件。图3为加热托盘及四壁和门水冷示意图。

图3 加热托盘及四壁和门水冷示意图

2.3 真空腔体四壁和门水冷介绍

整个加热过程中腔体外壁及门进行水冷，水路设计弯路平滑过度，以尽可能地保证水流顺畅及冷水机的正常工作，并在外壁安装热传感器，温度超过设定安全值时，系统蜂鸣器报警，防止热辐射危及人身安全引起烫伤等，及影响设备其它组件的正常工作。

2.4 后期加热改进预设计

对于后期系统改进的加热方式升级，可以采用石英加热管的红外热辐射方式，其电热转换效率高，使用寿命长，且电源引线不用暴露于真空腔体及等离子处理区域内，以防止加热方式的过早疲劳损坏引起不必要的短路等隐患。加热温度可设置为较之前更高一些的温度，如300 ℃～400 ℃，最高耐温达800 ℃摄氏度。

2.5 过程原理

在成熟清洗工艺流程开始前，打开水冷机，设置温度值，及等离子处理工艺参数，从而控制等离子的强度与密度等；加热载物托盘无论正负极，放入工件后开始加热至设定温度后停止加热；立即开始等离子清洗流程；根据处理效果调整温度及工艺参数，进行数次实验直至得出合适的加热温度及工艺参数。值得注意的是，温度及工艺参数设置要求一般是针对工件自身要求的，例如工件自身基材及附属材料的最适宜耐热温度及热损伤，材料的物理化学性能在等离子氛围中是否容易被改变及氧化，等离子处理后的材料损伤等。后期系统改进提升后，将加热电压定在真空电压70 V或110 V内，这样进行等离子处理流程时负极可同时加热并控制整定温度，要求更精确时可在温控仪表上设定温度控制工艺曲线，用以更准确地得出清洗速度在不同温度下的速度温度曲线。

3 结束语

温度是等离子体产生的极重要因素，太阳及太阳风(太阳日冕)、热核聚变就是典型的例子，研究不同温度下等离子清洗系统内等离子的密度活性，处理速度及均匀性，可选择性地得到适宜的材料处理种类及厚度和处理后表面材料特性，并且不会对基材表面产生等离子损伤及热损伤，这项技术具有很大的实用意义。此方面应用需求将越来越大，尤其是持续发展与需求的半导体集成电路生产领域。