真空等离子清洗机设备原理、特点及应用-深圳纳恩科技有限公司

真空等离子清洗机

等离子清洗是通过等离子所含活性粒子与污染物分子反应或利用产生的粒子轰击被清洗表面，使污染物从被清洗表面分离的清洗方法，等离子在清洗材料表面的同时，也会对被清洗表面改性，提高润湿性和表面的附着力等。等离子清洗设备分为真空（低压）和大气（常压）两大类型，其中真空等离子清洗机因其等离子体密度、温度、能量易于控制的优点而被广泛应用于工业领域。

真空等离子清洗机清洗原理

等离子清洗可分为化学清洗（如图1所示）、物理清洗（如图2所示）及两种混合清洗。针对不同行业的清洗产品可选择相对应的工艺气体进行等离子清洗。

化学等离子清洗
清洗反应是以化学反应为主的等离子体清洗。可用氧气等离子体经过化学的反应可以使非挥发性的有机物生成易挥发的H₂O和CO₂，化学式为：
O²＋e^-＝2O※+e^-
O※＋非挥发性的有机物＝H₂O+CO₂
也可用氢气等离子体可以通过化学的反应去除金属表面的氧化层，清洁金属的表面，化学式为：
H₂+e^-＝2H※+e^-
H※+非挥发性的金属氧化物＝金属＋H₂O

图1 化学等离子清洗原理示意图

物理等离子清洗
清洗反应是以物理反应为主的等离子体清洗。
Ar＋e^- ＝Ar⁺+2e^-
Ar⁺+沾污＝挥发性的沾污
氩气离子在等离子产生的自偏压环境下被加速从而带有动能，然后离子轰击清洗工件表面，用于去除氧化物和环氧树脂的溢出物。

图2 物理等离子清洗原理示意图

混合式等离子清洗
清洗反应中物理反应与化学反应均起关键作用。

真空等离子清洗机产生等离子体的原理

产生等离子体的情形有很多种，主要概括为两类：一类是自然界中产生的等离子体，比如地球高空中的等离子体层自然产生的等离子体；另一类是人工产生等离子体，也就是说利用外界能量使气体分子、原子产生电离，并且不需要将所有的分子、原子都电离成电子、离子。

真空等离子清洗机是人为产生等离子体的设备，产生等离子体最为方便的方法是将两极板通过射频电压源来驱动，当施加的电压足够大时，就可击穿气体，使得电流可在两极板间流动，这之间的低压（真空）气体放电产生等离子体。它的原理是：在超低压（真空）环境下，游离于气体中的自由电子在射频电场的作用下被加速成高能电子，从而与其他气体分子发生碰撞使其电离，然后电离出的电子又与其他的气体分子产生碰撞，造成连锁碰撞反应，最后产生大量的等离子体。当外加的电压大于气体分子的击穿电压时，在真空等离子清洗机的腔室中可以连续产生等离子体。

真空等离子清洗机的两种放电模式及其特点

真空等离子清洗机依据其放电模式的不同分为电感耦合等离子体（ICP）、电容耦合等离子体（CCP）及微波等离子体。其中，微波等离子体因其极高的电源频率而很少被使用，所以我们仅对ICP真空等离子清洗机和CCP真空等离子清洗机进行简单的说明，这两种耦合方式各有优劣。

ICP式真空等离子清洗机它的原理是当有高频电流通过ICP装置中的线圈时，产生轴向磁场，磁场再在圆柱形腔室内产生感生电场，在低压环境下，气体中的电子被加速，产生一连串碰撞，最终产生等离子体。ICP的特点是结构简单，在反应腔室内不安置电极，其使用的射频电源一般为13.5MHz的射频电源，这样产生的等离子体密度较高，因而具有较高的的化学活性，被广泛应用于半导体工艺生产中。并且这种方式感应耦合线圈安装在真空室外，内部无电极，不存在溅射污染问题，能满足高纯材料的制备和高精度的清洗要求。

CCP式真空等离子清洗机的工作原理与ICP不同，多采用平板式电极，其放电结构由两部分组成：放电腔室和两块金属极板，一块极板需要牢固的接地，另一块极板经匹配器连接到等离子体源上，这就组成了平行板式容性耦合等离子体。当电源接通后,放电腔内的两平板电极组成的电容结构之间产生高频电场，电子在电场的作用下被赋能，做快速的往复运动，激发原子放电，从而产生了等离子体。CCP的优势是放电面积大，具有稳定、均匀的特点，很容易获得大面积的加工处理能力。

图3 两种类型真空等离子清洗机放电结构示意图

真空等离子清洗机的结构组成

无论是CCP，还是ICP结构的真空等离子清洗机，其结构组成都是差不多的，系统主要由三大部分组成包括真空系统、放电系统和控制系统。只是在放电系统方面稍有区别，其中电容耦合式真空等离子清洗机的放电系统由放电腔体、平行极板、和电源及匹配网络组成，电感耦合式真空等离子清洗机的放电系统由放电腔体，感应线圈，和电源及匹配网络组成。其放电结构大致原理图如图3所示。

真空等离子清洗机的设备类型

真空等离子清洗机一般来说主要分为离线式和在线真空等离子清洗机两大类型。离线式等离子清洗机和在线式等离子清洗机的模型，如图4、5所示。
在线式等离子清洗机是在离线式等离子清洗机的设备基础上为了尽量减少生产工艺中的人工参与而设计的一种设备，能够与产线对接，实现自动化生产流程。

图 4（左）离线式等离子清洗机图5（右）在线式等离子清洗机

真空等离子清洗机对比常压等离子清洗机的优势特点

真空等离子清洗机由于具有密闭的真空腔体环境，所以容易控制产生等离子体的气氛，可以得到较纯的等离子体。并且因为腔体压力低，等离子体可以扩散的距离较远，等离子体因碰撞所损失的能量也较小，因此真空等离子清洗机有较好的处理效率，由于压力够低，sputtering效应也有助于提高清洁速度，甚至可以去除无机污染物。密闭的环境及所需气体用量少，因此可以使用特珠气体，并且可以同时通入多种反应气体、增加制程弹性及更广的应用范围。

此外真空等离子清洗机对处理产品的形状没有限制，尤其适合3D都需要处理的产品，特别是产品上有较深的盲孔，和沉孔也需要清洗的部分，这一点是常压等离子清洗机无法比拟的。

从产能上来说，真空等离子清洗机尤其适合大批量的产品处理，其一次处理效率要远远高于常压等离子清洗机。

真空等离子清洗机常见应用范围

半导体行业
在半导体行业中，真空等离子清洗机一般应用于以下几个关键步骤中
去胶：用氧的等离子体对硅片进行处理，清洗晶圆表面的光刻胶残胶。
半导体封装：真空状态下的等离子作用能够基本去除材料表面的无机/有机污染，提高材料的表面活性，增加引线的键合能力，防止封装的分层。
例如在一个COB基板上，在SMT元件粘接好后进行IC芯片的引线键合。在表面安装元件粘接后，会有大量的助焊剂污染物和水残余，而为了在PCB基板上可靠地进行引线键合，这些必须去除。

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离子清洗机来提高其粘接性能
印刷：等离子处理可以提高承印物表面对于油墨的附着力，比如PP、PE等表面做高品质的印刷,等离子处理已经成为一种高效而又安全的印前处理手段。

微流控芯片
等离子处理技术是微流控芯片制作过程中最常用的键合技术，能够实现PDMS-玻璃的永久性贴合。

真空等离子清洗机具有清洗效果好，清洗后不会产生有害污染物、效率高、节省劳动力和安全可靠等优点，其具有更广泛的市场前景。