等离子清洗机的技术原理

  等离子清洗机的技术原理等离子清洗机的技术原理 1 什么是等离子体  等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、业态、气态3种状态存在，但在一些特殊的情况下可以以第四中状态存在，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。处于高速运动状态的电子；处于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；分子解离反应过程中生成的紫外线；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。 2.2 如何用人工方法制得等离子体 除了在自己已存在的...

  等离子清洗机的技术原理 1 什么是等离子体  等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、业态、气态3种状态存在，但在一些特殊的情况下可以以第四中状态存在，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。处于高速运动状态的电子；处于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；分子解离反应过程中生成的紫外线；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。 2.2 如何用人工方法制得等离子体 除了在自己已存在的等离子体以外，用人工方法在一些范围内也可以制得等离子体。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。后面的发现是通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都可以使处于低气压状态的气体物质转变成等离子体状态。 如在高频电场中处于低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下，能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，并与周围的分子或原子发生碰撞，结果使分子和原子中又激发出电子，而本身又处于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。在一般

  中常可以见到用下述反应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个反应式来表示： 第一个反应式表示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，第二个反应式表示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。第三个反应式表示氧气分子在具有高能量的激发态自由电子作为下转变成激发态。第四第五反应式则表示激发态的氧气分子进一步发生转变，在第四个反应式中，氧气饿饭脑子回到通常状态的同时发出光能（紫外线）。在第五个反应式中，激发态的氧气分子分解成两个氧原子自由基。第六个反应式表示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，当这些反应连续不断发生，就形成氧气等离子体，其他气体的等离子体的形成过程也可用相似的反应式描述。当然实际反应要比这些反应式描述的更为复杂。  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，不同微粒的温度其实就是不同的，所具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表示，电子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示，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快，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（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大幅度提升，各种微粒的温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，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，因此在实际应用中很少使用，目前投入到正常的使用中的只有低温等离子体，因为在本文中将低温等离子体简称为等离子体，希望不会引起读者误解。  （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，不一样的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性，这将在后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相互作用时有着及其重要的作用。  2.4.1 原子团等自由基与物体表面的反应  由于这些自由基呈电重型，存在寿命较长，而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，自由基的作用主要体现在化学反应过程中能量传递的活化作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量，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于不稳定的高能量状态，很有几率发生分解反应，在变成较小分子同时生成新的自由基，这种反应过程还可能接着来进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简单分子。在另一些情况下，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应推动力，从而引发物体表面上的物质发生化学反应而被去除。  2.4.2 电子与物体表面的作用  一方面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，另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。由于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快的多，当进行等离子体处理时，电子要比离子更早达到物体表面，并使表面带有负电荷，这有利于引发进一步反应。  2.4.3 离子与物体表面的作用  通常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当大的动能，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促进物体表面化学反应发生的几率。  2.4.4 紫外性与物体表面的反应  紫外性有着非常强的光能，可使附着在物体表面物质的分子键发生断裂而分解，而且紫外线具有很强的穿透能力，可透过物体的表面深入达数微米而产生作用。  综上所述，可知等离子清洗是利用等离子体内的各种具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离去除。  3 离子清洗机/等离子清理洗涤设施的结构及工作原理研究  3.1 离子清洗机/等离子清理洗涤设施的基本构造  根据用途的不同，可选用多种构造的等离子清理洗涤设施，并可通过选用不一样的种类的气体，调整装置的特征参数等方法使工艺流程实现最佳化，但等离子体清洗装置的基本结构大致是相同的，一般装置可由真空室、真空泵、高频电源、电极、气体导入系统、工件传送系统和控制管理系统等部分所组成。通常使用的真空泵是旋转油泵，高频电源通常用13.56M赫兹的无线电波，设备的运行过程如下：  （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，使线Pa左右的标准真空度。一般排气时间大约需要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处理工件，开始清洗作业。一般清洗处理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，并使气压升至一个大气压。  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，此共振现象就有利于电子吸收微波的能量，因拥有较高能量的电子，这将有利于等离子体的产生。   3.3.4 电容耦合式与感应耦合式离子体的差异性能比较  传统型的离子设备一般又称电容耦合等离子机（capacitor coupled plasma，CCP或CP）或电场耦合式等离子机（electric field coupled plasma），因为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，二为由于晶片通常置于其中一电极，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，绝大多数都是具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应也受到了带电粒子数目的限制，在低压状况下（1.333mPa以下），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而且也不是很有效率，为了尽最大可能避免此一困扰，使用者将制成的压力提高到及几毫帕或几十豪帕的范围，此压力范围若应用于CVD就很好，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，因为在此压力范围内，粒子的mean free－path已小到0.1mm以下，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（Inductively Coupled Plasma，ICP）在特性上取代了电场耦合方式（即电容式等离子体），该种等离子体在结构上由电感产生感应磁场，再利用此磁场产生感应而得到二次感应而得到二次感应电流环绕此磁场，由于此结构类似变压器原理，因此又称之为变压器耦合待离子体（transformer coupled plasma）此结构的优点是带电粒子功能损耗的缺点而使得效率极大的提升，借而提升电浆密度，更有利的一点是因为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，这种封闭式的加速路径使得粒子之间的碰撞几率大幅度提升，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，等离子体在压力小于0.133mPa以下的范围仍可维持1011－1013ion/cm2的数量级。由于此一优点，等离子体系统的工作所承受的压力可以延伸到0.133mpa以下，低工作所承受的压力得好处在于粒子的mean －free－path大，借由偏移压场可以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关键参数。在0.133－1.133mPa的压力范围下操作，其蚀刻角度可以到近于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反应主要有两种，一种是靠自由基来做化学反应，另一种则是靠等离子作物理反应，以下将作更详细的说明。   （1）化学反应（Chemical reaction）   在化学反应里常用的气体有氢气（H2）、氧气（O2）、甲烷（CF4）等，这些气体在电浆内反应成高活性的自由基，其方程式为：   这些自由基会促进与材料表面作反应。   其反应机理主要是利用等离子体里的自由基来与材料表面做化学反应，在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，就必须控制较高的压力来近进行反应。

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