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等离子体清洗及其应用

2018年05月08日 点击:

微电子工业中的清洗是一个很广的概念,包括任何与去除污染物有关的工艺。通常是指在不破坏材料表面特性及电特性的前提下,有效地清除残留在材料上的微尘、金属离子及有机物杂质。目前已广泛应用的物理化学清洗方法,大致可分为两类:湿法清洗和干法清洗。

  湿法清洗在现阶段的微电子清洗工艺中还占据主导地位。但是从对环境的影响、原材料的消耗及未来发展上看,干法清洗要明显优于湿法清洗。

  干法清洗中发展较快、优势明显的是等离子体清洗,等离子体清洗已逐步在半导体制造、微电子封装、精密机械等行业开始普遍应用。

  2等离子体清洗

  2.1等离子体清洗的机理

  等离子体是部分电离的气体,是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易与固体表面发生反应。

  图1简单描述了等离子体清洗的机理,主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看,等离子体清洗通常包括以下过程:无机气体被激发为等离子态;气相物质被吸附在固体表面;被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子;产物分子解析形成气相;反应残余物脱离表面。

  等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型,均可进行处理,对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料,如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理,并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

等离子体清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术,自动化程度高;具有高精度的控制装置,时间控制的精度很高;正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层,表面质量得到保证;由于是在真空中进行,不污染环境,保证清洗表面不被二次污染。

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  2.2等离子体清洗分类

  2.2.1反应类型分类

  等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应(离子轰击)和化学反应。物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面,使污染物脱离表面最终被真空泵吸走;化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质,再由真空泵吸走挥发性的物质。

  以物理反应为主的等离子体清洗,也叫做溅射腐蚀(SPE)或离子铣(IM),其优点在于本身不发生化学反应,清洁表面不会留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化学纯净性,腐蚀作用各向异性;缺点就是对表面产生了很大的损害,会产生很大的热效应,对被清洗表面的各种不同物质选择性差,腐蚀速度较低。以化学反应为主的等离子体清洗的优点是清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效,缺点是会在表面产生氧化物。和物理反应相比较,化学反应的缺点不易克服。并且两种反应机制对表面微观形貌造成的影响有显著不同,物理反应能够使表面在分子级范围内变得更加“粗糙”,从而改变表面的粘接特性。还有一种等离子体清洗是表面反应机制中物理反应和化学反应都起重要作用,即反应离子腐蚀或反应离子束腐蚀,两种清洗可以互相促进,离子轰击使被清洗表面产生损伤削弱其化学键或者形成原子态,容易吸收反应剂,离子碰撞使被清洗物加热,使之更容易产生反应;其效果是既有较好的选择性、清洗率、均匀性,又有较好的方向性。

  典型的等离子体物理清洗工艺是氩气等离子体清洗。氩气本身是惰性气体,等离子体的氩气不和表面发生反应,而是通过离子轰击使表面清洁。典型的等离子体化学清洗工艺是氧气等离子体清洗。通过等离子体产生的氧自由基非常活泼,容易与碳氢化合物发生反应,产生二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发物,从而去除表面的污染物。

  2.2.2激发频率分类

  等离子态的密度和激发频率有如下关系:

  nc=1.2425×108v2

  其中nc为等离子态密度(cm-3),v为激发频率(Hz)。激发频率与等离子态密度。

  常用的等离子体激发频率有三种:激发频率为40kHz的等离子体为超声等离子体,13.56MHz的等离子体为射频等离子体,2.45GHz的等离子体为微波等离子体。

  不同等离子体产生的自偏压不一样,如图3所示[2]。超声等离子体的自偏压为1000V左右,射频等离子体的自偏压为250V左右,微波等离子体的自偏压很低,只有几十伏,而且三种等离子体的机制不同。超声等离子体发生的反应为物理反应,射频等离子体发生的反应既有物理反应又有化学反应,微波等离子体发生的反应为化学反应。超声等离子体清洗对被清洁表面产生的影响最大,因而实际半导体生产应用中大多采用射频等离子体清洗和微波等离子体清洗。

  3在封装工艺中的应用

  在微电子封装的生产过程中,由于指印、助焊剂、各种交叉污染、自然氧化等,器件和材料表面会形成各种沾污,包括有机物、环氧树脂、光刻胶、焊料、金属盐等。这些沾污会明显地影响封装生产过程中的相关工艺质量。使用等离子体清洗可以很容易清除掉生产过程中所形成的这些分子水平的污染,保证工件表面原子与即将附着材料的原子之间紧密接触,从而有效地提高引线键合强度,改善芯片粘接质量,减少封装漏气率,提高元器件的性能、成品率和可靠性。国内某单位在铝丝键合前采用等离子体清洗后,键合成品率提高10%,键合强度一致性也有提高。

  在微电子封装中,等离子体清洗工艺的选择取决于后续工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及污染物的性质等。通常应用于等离子体清洗的气体有氩气、氧气、氢气、四氟化碳及其混合气体等。表1列出了等离子体清洗工艺的选择及应用。

  3.1等离子体清洗铝键合区

  集成电路键合区的质量对微电子器件的可靠性起到非常重要的作用。封装作为器件和电子系统之间的唯一连接,键合区必须无污染物和具有良好的键合特性。污染物(如氧化物和有机残渣)会严重削弱键合区的粘接性能,而传统的湿法清洗对键合区的污染物去除不彻底或者不能去除。研究表明,采用等离子体清洗能够有效去除键合区的表面沾污物,提高键合区的粘接性。

  Y.F.Chong在研究中采用Ar/H2(激发频率为13.56MHz)等离子体清洗键合区[3]。等离子态气体和污染物反应生成挥发性的气体(如 CO2和H2O),然后由真空系统吸走这些气体。清洗后采用俄歇电子能谱(AES)、X光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对键合区表面进行检测,检测结果表明氧化物沾污的含量大大降低,但是对键合区周围的钝化层也造成了很大的损伤。

  研究结果表明[3],等离子体清洗5min后,可以观察到铝键合区表面的形态有了彻底的变化。表面上结晶结构的逐步变化随着等离子体清洗时间增加,键合区的可粘接性有了很大的提高。这是由于粘接性是取决于表面结晶结构的密度和高度。据推测这些结晶结构都是由氟化物组成的,氟来源于上游CF4/O2等离子体刻蚀钝化层的工艺。这些结晶结构通过阻止金属间化合物的形成来削弱键合区和金丝连接时的粘接性。延长清洗时间的负面效应是,Si3N4钝化层的晶粒呈现出针状和纤维状,而完好钝化层的晶粒是平滑的大晶粒。图4所示的是在Ar/H2等离子体清洗过程中,键合区表面氧原子浓度的变化。经过1min的清洗,氧的含量有了显著的下降,2~5min清洗后氧的变化平缓。氧含量的下降表明了在清洗过程中有许多氧化物和氧氟化物从键合区表面溅射出来。氧含量的下降也表明了键合区的粘接性增强了。

  3.2等离子体清洗对基板焊盘的影响

  引线键合是基板和芯片之间的主要连接方式之一,在微电子封装中,基板和芯片之间有大量的引线键合。除了引线丝质量、超声能量、时间、压力和温度对引线键合产生影响外,基板上焊盘的表面特性对其也有重要的影响。基板焊盘上的污染物(如氧化物和碳氢化合物)会降低表面质量和明显地降低引线键合的成功率,弥散于空间中的污染含量达到1g/m3就会极大地影响引线键合的强度。因此在引线键合前清洗焊盘表面是十分重要的。

  现有的一些研究采用两种不同机制的等离子体清洗和不同的过程参数,对清洗前后的样品进行对比[4]。对焊盘进行表面清洗后,把接触角作为衡量表面质量的一个重要标准;采用焊球剪切力测试和引线拉力测试来评价等离子体清洗的效果;采用俄歇电子能谱(AES)对焊盘进行进一步分析。

  接触角方法广泛应用于衡量表面的浸润特性,接触角小于90°的表面是浸润表面,大于90°的表面是不浸润表面。具有较高表面能的固体是亲水的,表面是浸润表面;反之,具有较低表面能的固体表面是不浸润表面。大多数有机污染物是憎水的,所以可以采用测量接触角作为衡量焊盘表面清洁度的方法。研究表明,未进行过等离子清洗的样品接触角为68°;表面进行过化学反应机制等离子体清洗的样品的接触角为17°左右;而表面进行过物理反应机制等离子体清洗过的样品的接触角为28°[4]。可知化学反应机制等离子体清洗的样品表面更加清洁一些。

  焊球剪切力测试是评价焊球键合最直接的方法。研究表明,经过化学反应机制清洗(Ar/H2,激发频率为2.45GHz)的样品具有最大的焊球剪切强度。值得注意的是,经过物理反应机制等离子体清洗的焊盘的焊球剪切强度比未经过清洗的焊盘的强度要低。出现这种现象的原因是在清洗过程中溅射粒子再沉积在焊盘表面造成了“二次污染”。

  J.M.Nowful等人研究了物理反应机制等离子体清洗中的再沉积现象,对经过清洗但未引线键合的焊盘表面进行俄歇电子能谱(AES)分析。分析结果表明,经过等离子体清洗的样品都能够有效地去除有机污染物。但是在经过物理反应机制等离子体清洗的样品中,发现了新的污染物如Ag和Cu,这些元素是由从其他位置溅射出来的粒子沉积在焊盘表面形成的,从而降低了引线键合强度[4]。

  3.3等离子体清洗铜引线框架

  引线框架封装仍是目前封装的主流,铜合金由于具有良好的导热性能、电性能、加工性能以及较低的价格被用作主要的引线框架材料。但是铜的氧化物和其他的一些污染物会造成模塑料与铜引线框架分层,降低器件的可靠性,进而影响到芯片粘接和引线键合的质量。因此保持引线框架的清洁是保证封装可靠性重要的一步。

  研究表明[5],采用氢氩混合气体(激发频率为13.56MHz),能够有效地去除引线框架金属层上的污染物。在清洗过程中氢等离子体能够去除氧化物,而氩通过离子化能够促进氢等离子体数量的增加。

  为了对比清洗效果,J.H.Hsieh把铜引线框架在175℃氧化后进行等离子体清洗,采用两种气体Ar和Ar/H2(1:4),清洗时间分别为 2.5min和12min。检测结果表明,引线框架经过清洗后表面氧化物残余量很少。经过氩氢混合气体清洗后的引线框架氧的含量为0.1at%,经过氩清洗的引线框架氧的含量为0.3at%。

  试验结果表明,氧化时间的增长会降低拉力。氧化物厚度的增长也会降低引线键合区上键合丝的拉力。当引线框架经过预氧化和等离子体清洗后,拉力得到了大幅度的提高,尤其是经过Ar等离子体清洗2.5min的样品提高更加明显。上述结果的一个可能的解释是,氩等离子体溅射增加了表面的微小粗糙度,从而使机械性能增强和增大了化学反应的表面积。可用原子力显微镜(AFM)观察表明的形貌和微粗糙度。经过氩等离子体清洗,短时间清洗后表面非常明显地变粗糙了,长时间的清洗后表面变得光滑。而采用氩氢等离子体清洗,表面的形貌不发生变化,并且时间不对其产生影响,这可以解释为什么氩氢等离子体清洗对拉力没有显著的影响。

  氩氢和氩等离子体清洗结果有这么大的差别是由于清洗机制的不同。当氩作为工作气体的时候,去除氧化物主要靠表面的溅射;而氢等离子体引入了氧和氢之间的化学反应,所以表面形貌变化不大。关于氩等离子体清洗后拉力的增强另一个可能的解释是由于残余的氧化物的影响,如果氧化物层的厚度小于25nm时可以增强模塑料与引线框架的粘附。实验表明薄氧化层对拉力的影响不是很大,对拉力影响最大的因素还是来源于氩离子溅射带来的微粗糙度的增加。

  3.4陶瓷封装电镀前等离子体清洗

  陶瓷封装中通常使用金属浆料印制线作键合区、盖板密封区。在这些材料的表面电镀Ni、Au前采用等离子体清洗,可去掉有机物沾污,明显提高镀层质量。

  4结论

  湿法清洗虽然在现有的微电子封装生产中占据主要地位,但是其带来的环境以及原料消耗问题不容忽视。而作为干法清洗中最有发展潜力的等离子体清洗,则具有不分材料类型均可进行清洗、清洗质量好、对环境污染小等优点。等离子体清洗技术在微电子封装中具有广泛的应用,主要用于去除表面污物和表面刻蚀等,工艺的选择取决于后序工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及表面污染物性质。将等离子体清洗引入微电子封装中,能够显著改善封装质量和可靠性。但是采用不同的工艺,对键合特性、引线框架的性能等的影响有很大差异。例如,对铝键合区采用氩氢等离子体清洗一段时间后,键合区的粘接性能有明显提高,但是过长的时间也会对钝化层造成损害;对焊盘采用物理反应机制等离子体清洗会造成“二次污染”,反而降低了焊盘的表面特性;对铜引线框架采用两种不同机制的等离子清洗,拉力测试的结果有很大差异。因此,选择合适的清洗方式和清洗时间,对提高封装质量和可靠性是十分重要的。