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等離子體清洗根據不同清洗對象(金屬、半導體、氧化物、高分子材料)及處理工藝等可選用不同的單一工藝氣體或兩種氣體混合。根據反應原理可分為物理清洗(如Ar、N2)和化學清洗(如O2、H2)。表1所示為工藝選用及反應過程和應用。式(12)表示O2在得到射頻高頻脈沖電壓能量后變成氧陽離子和電子,離子停留時間在幾十到幾百毫秒之間,具體停留時間與工藝條件有關。式(13)表示O2在一定溫度、壓強及射頻高頻脈沖電場下分解成氧原子。式(14)中被電子激發的氧轉變成基態并發出紫外線,紫外線輻射可分解長碳鏈化合物等聚合物類污物,加速式(17)反應。式(15)表示單線態氧吸收光線生成激發態氧原子。式(16)[14]表示氧分子在自由電子作用下分解成氧原子和氧離子。式(12)至式(16)產生的電子、O2+、O、O2、O+在高頻能量作用下撞擊材料表面,使其表面活性增大并產生凹凸,材料表面粗糙度增大進而使粘接力增加,表面張力提升;附著在材料表面的電子會對向材料表面運動的氧陽離子產生吸引力,加速其運動并增加沖擊力。式(19)為激發態氧原子去除有機物的過程。對于有機物或半導體基材,其表面斷裂的鍵會與OH-反應生成OH基,提升其親水性,使易于沉積且沉積層質地較純;但材料表面親水性的提高存在最佳表面改性時間,超時則親水性再次下降。

表1 等離子體清洗工藝選用及反應過程和應用

等離子體清洗的表面改性作用

等離子體表面改性是利用等離子體中產生的電子、離子、原子和紫外線等對材料表面進行處理,使其活化、改性,提升材料表面性能。

等離子體表面改性除了提升材料表面粗糙度外,還可增加一些材料表面的耐磨性。對于性能穩定但質地硬脆的碳化物、硅化物和氮化物,表面改性能夠在其表面重新形成一層致密的網狀層,使其硬度變大、耐熱、抗腐蝕,防止加工過程中發生表層干裂。例如:半導體器件加工中Si經Ar表面改性后會更加耐熱、耐磨、耐蝕,否則由于Si硬脆質地其表層膜會出現干裂,導致產生廢件;對于有機物,在材料表面形成一層交聯層,可提高其耐磨性或抗腐蝕性。

等離子清洗的表面改性作用可提升材料性能,保證產品可靠性,因此應用廣泛。在半導體加工中,可對金屬涂層和陶瓷涂層等進行表面改性提升其耐磨性、耐蝕性和耐熱性、附著力;在半導體沉積前在最佳時間下對其表面改性,能夠提升半導體、金屬膜基結合力或有機物表面親水性;等離子表面改性還可在晶圓加工及鍵合前清洗中應用;表面改性能提升材料表面粗糙度,如在微噴砂處理和玻璃基材處理中應用Ar等離子體粗化。