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真空等離子清洗機(jī)

等離子清洗是通過(guò)等離子所含活性粒子與污染物分子反應(yīng)或利用產(chǎn)生的粒子轟擊被清洗表面，使污染物從被清洗表面分離的清洗方法，等離子在清洗材料表面的同時(shí)，也會(huì)對(duì)被清洗表面改性，提高潤(rùn)濕性和表面的附著力等。等離子清洗設(shè)備分為真空（低壓）和大氣（常壓）兩大類(lèi)型，其中真空等離子清洗機(jī)因其等離子體密度、溫度、能量易于控制的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

真空等離子清洗機(jī)清洗原理

等離子清洗可分為化學(xué)清洗（如圖1所示）、物理清洗（如圖2所示）及兩種混合清洗。針對(duì)不同行業(yè)的清洗產(chǎn)品可選擇相對(duì)應(yīng)的工藝氣體進(jìn)行等離子清洗。

化學(xué)等離子清洗
清洗反應(yīng)是以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗?？捎醚鯕獾入x子體經(jīng)過(guò)化學(xué)的反應(yīng)可以使非揮發(fā)性的有機(jī)物生成易揮發(fā)的H₂O和CO₂，化學(xué)式為：
O²＋e^-＝2O※+e^-
O※＋非揮發(fā)性的有機(jī)物＝H₂O+CO₂
也可用氫氣等離子體可以通過(guò)化學(xué)的反應(yīng)去除金屬表面的氧化層，清潔金屬的表面，化學(xué)式為：
H₂+e^-＝2H※+e^-
H※+非揮發(fā)性的金屬氧化物＝金屬＋H₂O

圖1 化學(xué)等離子清洗原理示意圖

物理等離子清洗
清洗反應(yīng)是以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗。
Ar＋e^- ＝Ar⁺+2e^-
Ar⁺+沾污＝揮發(fā)性的沾污
氬氣離子在等離子產(chǎn)生的自偏壓環(huán)境下被加速?gòu)亩鴰в袆?dòng)能，然后離子轟擊清洗工件表面，用于去除氧化物和環(huán)氧樹(shù)脂的溢出物。

圖2 物理等離子清洗原理示意圖

混合式等離子清洗
清洗反應(yīng)中物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)均起關(guān)鍵作用。

真空等離子清洗機(jī)產(chǎn)生等離子體的原理

產(chǎn)生等離子體的情形有很多種，主要概括為兩類(lèi)：一類(lèi)是自然界中產(chǎn)生的等離子體，比如地球高空中的等離子體層自然產(chǎn)生的等離子體；另一類(lèi)是人工產(chǎn)生等離子體，也就是說(shuō)利用外界能量使氣體分子、原子產(chǎn)生電離，并且不需要將所有的分子、原子都電離成電子、離子。

真空等離子清洗機(jī)是人為產(chǎn)生等離子體的設(shè)備，產(chǎn)生等離子體最為方便的方法是將兩極板通過(guò)射頻電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)施加的電壓足夠大時(shí)，就可擊穿氣體，使得電流可在兩極板間流動(dòng)，這之間的低壓（真空）氣體放電產(chǎn)生等離子體。它的原理是：在超低壓（真空）環(huán)境下，游離于氣體中的自由電子在射頻電場(chǎng)的作用下被加速成高能電子，從而與其他氣體分子發(fā)生碰撞使其電離，然后電離出的電子又與其他的氣體分子產(chǎn)生碰撞，造成連鎖碰撞反應(yīng)，最后產(chǎn)生大量的等離子體。當(dāng)外加的電壓大于氣體分子的擊穿電壓時(shí)，在真空等離子清洗機(jī)的腔室中可以連續(xù)產(chǎn)生等離子體。

真空等離子清洗機(jī)的兩種放電模式及其特點(diǎn)

真空等離子清洗機(jī)依據(jù)其放電模式的不同分為電感耦合等離子體（ICP）、電容耦合等離子體（CCP）及微波等離子體。其中，微波等離子體因其極高的電源頻率而很少被使用，所以我們僅對(duì)ICP真空等離子清洗機(jī)和CCP真空等離子清洗機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明，這兩種耦合方式各有優(yōu)劣。

ICP式真空等離子清洗機(jī)它的原理是當(dāng)有高頻電流通過(guò)ICP裝置中的線圈時(shí)，產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再在圓柱形腔室內(nèi)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，在低壓環(huán)境下，氣體中的電子被加速，產(chǎn)生一連串碰撞，最終產(chǎn)生等離子體。ICP的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在反應(yīng)腔室內(nèi)不安置電極，其使用的射頻電源一般為13.5MHz的射頻電源，這樣產(chǎn)生的等離子體密度較高，因而具有較高的的化學(xué)活性，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)中。并且這種方式感應(yīng)耦合線圈安裝在真空室外，內(nèi)部無(wú)電極，不存在濺射污染問(wèn)題，能滿足高純材料的制備和高精度的清洗要求。

CCP式真空等離子清洗機(jī)的工作原理與ICP不同，多采用平板式電極，其放電結(jié)構(gòu)由兩部分組成：放電腔室和兩塊金屬極板，一塊極板需要牢固的接地，另一塊極板經(jīng)匹配器連接到等離子體源上，這就組成了平行板式容性耦合等離子體。當(dāng)電源接通后,放電腔內(nèi)的兩平板電極組成的電容結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生高頻電場(chǎng)，電子在電場(chǎng)的作用下被賦能，做快速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，激發(fā)原子放電，從而產(chǎn)生了等離子體。CCP的優(yōu)勢(shì)是放電面積大，具有穩(wěn)定、均勻的特點(diǎn)，很容易獲得大面積的加工處理能力。

圖3 兩種類(lèi)型真空等離子清洗機(jī)放電結(jié)構(gòu)示意圖

真空等離子清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

無(wú)論是CCP，還是ICP結(jié)構(gòu)的真空等離子清洗機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成都是差不多的，系統(tǒng)主要由三大部分組成包括真空系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。只是在放電系統(tǒng)方面稍有區(qū)別，其中電容耦合式真空等離子清洗機(jī)的放電系統(tǒng)由放電腔體、平行極板、和電源及匹配網(wǎng)絡(luò)組成，電感耦合式真空等離子清洗機(jī)的放電系統(tǒng)由放電腔體，感應(yīng)線圈，和電源及匹配網(wǎng)絡(luò)組成。其放電結(jié)構(gòu)大致原理圖如圖3所示。

真空等離子清洗機(jī)的設(shè)備類(lèi)型

真空等離子清洗機(jī)一般來(lái)說(shuō)主要分為離線式和在線真空等離子清洗機(jī)兩大類(lèi)型。離線式等離子清洗機(jī)和在線式等離子清洗機(jī)的模型，如圖4、5所示。
在線式等離子清洗機(jī)是在離線式等離子清洗機(jī)的設(shè)備基礎(chǔ)上為了盡量減少生產(chǎn)工藝中的人工參與而設(shè)計(jì)的一種設(shè)備，能夠與產(chǎn)線對(duì)接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)流程。

圖 4（左）離線式等離子清洗機(jī) 圖5（右）在線式等離子清洗機(jī)

真空等離子清洗機(jī)對(duì)比常壓等離子清洗機(jī)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

真空等離子清洗機(jī)由于具有密閉的真空腔體環(huán)境，所以容易控制產(chǎn)生等離子體的氣氛，可以得到較純的等離子體。并且因?yàn)榍惑w壓力低，等離子體可以擴(kuò)散的距離較遠(yuǎn)，等離子體因碰撞所損失的能量也較小，因此真空等離子清洗機(jī)有較好的處理效率，由于壓力夠低，sputtering效應(yīng)也有助于提高清潔速度，甚至可以去除無(wú)機(jī)污染物。密閉的環(huán)境及所需氣體用量少，因此可以使用特珠氣體，并且可以同時(shí)通入多種反應(yīng)氣體、增加制程彈性及更廣的應(yīng)用范圍。

此外真空等離子清洗機(jī)對(duì)處理產(chǎn)品的形狀沒(méi)有限制，尤其適合3D都需要處理的產(chǎn)品，特別是產(chǎn)品上有較深的盲孔，和沉孔也需要清洗的部分，這一點(diǎn)是常壓等離子清洗機(jī)無(wú)法比擬的。

從產(chǎn)能上來(lái)說(shuō)，真空等離子清洗機(jī)尤其適合大批量的產(chǎn)品處理，其一次處理效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常壓等離子清洗機(jī)。

真空等離子清洗機(jī)常見(jiàn)應(yīng)用范圍

半導(dǎo)體行業(yè)
在半導(dǎo)體行業(yè)中，真空等離子清洗機(jī)一般應(yīng)用于以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟中
去膠：用氧的等離子體對(duì)硅片進(jìn)行處理，清洗晶圓表面的光刻膠殘膠。
半導(dǎo)體封裝：真空狀態(tài)下的等離子作用能夠基本去除材料表面的無(wú)機(jī)/有機(jī)污染，提高材料的表面活性，增加引線的鍵合能力，防止封裝的分層。
例如在一個(gè)COB基板上，在SMT元件粘接好后進(jìn)行IC芯片的引線鍵合。在表面安裝元件粘接后，會(huì)有大量的助焊劑污染物和水殘余，而為了在PCB基板上可靠地進(jìn)行引線鍵合，這些必須去除。

高分子塑料
粘接：大部分高分子塑料在粘接前都可以利用真空等離子清洗機(jī)來(lái)提高其粘接性能
印刷：等離子處理可以提高承印物表面對(duì)于油墨的附著力，比如PP、PE等表面做高品質(zhì)的印刷,等離子處理已經(jīng)成為一種高效而又安全的印前處理手段。

微流控芯片
等離子處理技術(shù)是微流控芯片制作過(guò)程中最常用的鍵合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)PDMS-玻璃的永久性貼合。

真空等離子清洗機(jī)具有清洗效果好，清洗后不會(huì)產(chǎn)生有害污染物、效率高、節(jié)省勞動(dòng)力和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，其具有更廣泛的市場(chǎng)前景。