等离子清洗的工艺探究

王春生，叶荣坤，李志胜

(燕山大学，河北 秦皇岛 066012)

0 引言

等离子体清洗是利用等离子体中的高能粒子和活性粒子，通过轰击或活化反应作用将金属表面污物去除的过程[1]。等离子体清洗的过程不使用化学试剂，不会造成二次污染；清洗设备可重复性强，所需设备和运行成本比较低，而且操作灵活简单，可以实现对金属表面的整体或某些局部及复杂结构的清洗，有些经过等离子体清洗后的表面性能还可以得到改善，等离子清洗在微电子工业、半导体业等高科技领域的应用将会越来越广泛。

1 传统清洗方法的讨论

传统清洗方法主要分为两个大类：一种为湿法清洗另一种是干法清洗。其中湿法清洗是指需要液体作为清洗媒介的方法。湿法清洗中一般包括蒸汽清洗，溶液浸泡清洗和旋转喷淋清洗。但由于湿法清洗一般都需要引入新的杂质同时需要除锈所以一般不用在钢铁清洗上。干法清洗是以压力或抽吸的手段达到清洗污染物的目的，或是在气体媒介中进行清洗的方法为干法清洗[2]。由于湿法清洗不能精确控制，而且清洗不彻底，同时还会引入新的杂质，所以近年来干法清洗快速发展起来。干法清洗中一般包括机械清洗，超声波清洗，干冰清洗和等离子体清洗。机械清洗相对于其他几种清洗方式而言效率较低，成本较高。超声波清洗一般配合溶液联合使用。而干冰清洗因为干冰的制作成本以及不可重复性所以也不可能应用于大规模的钢铁清洗行业。

等离子体清洗的过程不使用化学试剂，所以不会造成二次污染[3]；清洗设备可重复性强，所需设备和运行成本比较低，而且操作灵活简单，可以实现对金属表面的整体或某些局部及复杂结构的清洗。有些经过等离子体清洗后的表面性能还可以得到改善，有助于金属的后续加工应用[4]。

影响等离子清洗效果的因素有很多，其中最主要的是电源功率频率、工作压强、工作气体种类以及清洗的时间。电源频率选用国际标准射频频率13.56MHz，等离子清洗的效果会随着功率的增大而变好；工作压强的选择要根据清洗的基片进行合理选用，当以物理作用为主时应减小压力以增大离子能量，当以化学作用为主时要增大一些压力，保证反应气体浓度，清洗时间也要保证清洗效果的同时减小能耗。本文主要探究功率对清洗效果的影响。

2 电容耦合低压射频等离子体仿真

2.1 模型的建立

根据自研的电容耦合射频等离子清洗机建立一维仿真模型如图1所示。模型主要由射频电源、匹配网络以及两个平行极板组成，其中一端接金属电极一端接地。两极板间距9.2cm，射频电源频率0～120W可调，充入气体选用氦气。

图1 仿真模型示意图

2.2 仿真结果及分析

通过模拟软件基于等离子体时间周期窗口，研究了射频频率在13.56MHz，输入功率110W时电子密度、电子温度以及带电物质数密度在空间上的分布特征，同时研究了功率对电子密度以及电子温度等分布的影响[6]。

2.2.1 等离子体电子密度以及温度等时间周期平均值在空间上的分布特征

由图2电子密度周期平均值可看出在电子密度沿轴向先增大后减小，而在鞘层区域电子密度随着距离的增加而迅速增大，在2cm处电子密度增加趋势减缓并在极板中间达到最大值。同时电子温度在靠近极板边缘的鞘层区域出现最大值，等离子区域取得极小值。这是由于在鞘层区域电场比较大，电子在鞘层区域被电场加速而获得能量，所以在鞘层区域内，电子温度出现了最大值。

图2 电子密度周期平均值

由图3带电物质数密度周期平均值可以看出氦离子和电子都随着距离的增大而增大，在极板中间取得最大值呈现关于极板中间对称的结构。在极板边缘存在一定的带电物质不是严格的电中性，同时极板附近氦离子密度要大于电子密度，且随着距离的增大，电子密度逐渐与氦离子密度重合并同时取得最大值。

图3 带电物质数密度周期平均值

综上所述在腔体中间部分等离子体的电子温度、密度以及带电物质数密度同时达到最大值，基于此，待清洗工件应置于中间部分以保证最好的清洗效果。

2.2.2 功率对等离子体电子密度以及温度等的影响

通过图4电子密度与功率的关系可以看出，随着功率增大，电子密度的平均值随着功率的增加逐渐增大，且同样在极板中间取得最大值，整体趋势是相同的但差距在不断缩小。同时在鞘层区域的差距不大，但随着距离的增加其差距也逐渐在增大[7]。

图4 电子密度与功率的关系

由图5电子温度与功率的关系可以看出，电子温度在鞘层区域随着功率的增大其最大值在增大，但在主等离子区电子温度与功率并没有关系，不随着功率的改变而改变。这是因为在稳态等离子体中，电子温度只与气压以及系统尺度等相关。此外，极板附近由于电场加速、电子获得的能量转化为热运动的能量，所以呈现出较高的电子温度且随着功率的增大而增大。

图5 电子温度与功率的关系

从图6带电物质数密度与功率的关系可以看出，氦离子和电子数密度都随着功率的增大而增大，且随着功率的增加其变化程度逐渐减小。从图中可以看出氦离子和电子数密度在90W和110W时几乎重合，可以得出90W和110W功率对于此电容耦合等离子清洗机而言对应的清洗效果是几乎相同的，所以从经济性角度考量选用90W功率既能够达到相同效果也能够节约能量。

图6 带电物质数密度与功率的关系

3 实验探究

3.1 实验方案

本次实验的目的是研究射频功率对清洗效果的影响，实验时首先固定功率，只改变清洗时间测得清洗效果的最大值，其次改变功率重复操作，经过等离子清理之后，通过称重法测定清洗之后减少的质量评定清洗效果。

3.2 实验过程

取出金属板分别标注，并分别称重后擦上等重润滑油，将金属板放入等离子清洗机内，关好腔门，打开电源，打开真空泵开始抽取真空，当腔体内气压低于100Pa时打开射频电源，在控制面板分别输入30W、50W、70W、90W，并分别输入10min、15min、20min、25min、30min、35min，清洗时间达到后关闭射频电源，取出金属板后称重计算差值以测定清洗效果。

3.3 实验结果及结论

经过测量不同功率下稳定后的清洗效果实验结果如图7所示。

图7 清洗效果与功率的关系

通过折线图7可以看出随着功率的增大，等离子清洗的效果逐渐变好，这是因为随着功率的增大，等离子体的浓度和能量都增加，所以清洗效果也会相应地变好，这与仿真的规律是一致的。同时90W功率下能达到最好的清洗效果，满足经济性和效率的要求。

4 结论

通过仿真模拟能直观地展示等离子清洗机腔体内部电子温度、电子密度等的分布特征，同时可以帮助选取等离子清洗的最佳功率以及计算工件台的高度。仿真模拟计算结果与实验接近一致，仿真模拟与实验相结合的方法大大简便了对等离子清洗工艺的探究。