水冷式等離子清洗系統(tǒng)

師筱娜，劉 虎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

集成電路生產(chǎn)工藝過程的持續(xù)需求和不斷發(fā)展，包括前期晶圓生產(chǎn)工藝及后期芯片及輔助電路封裝工藝，陶瓷或石英薄膜混合電路，絲網(wǎng)印制電路板，PCB板等結(jié)構(gòu)尺寸的不斷復(fù)雜細(xì)化與減小,微電子和光電子的大范圍的不斷應(yīng)用，5G時(shí)代的震撼來臨等可持續(xù)發(fā)展的大力需求，使得芯片集成與封裝技術(shù)及芯片板組裝技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展。一些影響器件性能和工藝工序操作質(zhì)量的污染物，人們也部分能夠用等離子體清洗這種簡(jiǎn)單快速有效及綠色無污染的方式來解決這些問題。

1 基礎(chǔ)等離子清洗系統(tǒng)

1.1 等離子體物理參量

描述等離子體的物理參量，有帶電粒子密度，粒子速度，等離子體溫度,等離子體壓力,磁場(chǎng)，它們均是隨空間和時(shí)間變化的場(chǎng)量[1]。等離子體作為中性整體運(yùn)動(dòng)。其中可以有電流存在，電流是磁場(chǎng)形態(tài)決定的。例如等離子清洗系統(tǒng)電源電極耦合方式，是采用電感耦合還是電容耦合，有無粒子的磁場(chǎng)加速等。本文介紹的等離子系統(tǒng)為傳統(tǒng)基礎(chǔ)的盒型真空腔體平行電極板電容耦合方式。

基礎(chǔ)型等離子清洗系統(tǒng)一般由控制部分、真空腔室部分、等離子電源及耦合部分、氣體部分組成[2]。在一些特殊的工藝段，由于工件的自身熱敏感或生產(chǎn)工藝要求接近刻蝕參數(shù)，會(huì)在基礎(chǔ)等離子清洗系統(tǒng)上改造耦合方式及托盤托架部分，改進(jìn)提升進(jìn)氣抽氣位置方式，改變腔室材質(zhì)等以達(dá)到最佳耦合和處理效果。

1.2 等離子清洗及刻蝕等設(shè)備的發(fā)展簡(jiǎn)介

國(guó)外等離子體清洗自20世紀(jì)70年代引用于去膠，80年代成為集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域成熟的等離子刻蝕技術(shù)，到后來成功應(yīng)用的等離子濺射，氣相沉積等。而國(guó)內(nèi)的等離子體清洗設(shè)備起步于20世紀(jì)末，至今基礎(chǔ)型的等離子清洗設(shè)備技術(shù)基本成熟，但是距離國(guó)外在均勻性，處理速度，去膠等方面仍然具有較遠(yuǎn)的距離。本文介紹激勵(lì)電源頻率為中頻40 kHz、射頻13.56 MHz時(shí)，電極載物托盤水冷的結(jié)構(gòu)及工藝，以適應(yīng)熱敏感器件的特性。

2 水冷式等離子清洗設(shè)備2.1 水冷原因

一部分微電子集成電路器件工藝生產(chǎn)過程中，比如已封裝芯片的攝像頭組件，需要等離子清洗系統(tǒng)進(jìn)行表面處理增加活性和去除污染物。對(duì)于1000 W，13.56 MHz射頻電源，電源本身無需水冷，但是在輝光處理時(shí)，由于等離子體具有一定的溫度，帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)組件表面進(jìn)行物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)的雙重作用，同時(shí)組件放置在電極托盤上(正負(fù)電極)充當(dāng)了等離子電源的負(fù)載，也成為了正負(fù)電極。處理時(shí)間越長(zhǎng)，金屬電極托盤和工件皆有不同程度的升溫。而這些材料特性在超過比如35℃時(shí)，會(huì)變形變色熱損傷，導(dǎo)致工件廢件。故需要對(duì)其放置的托盤進(jìn)行水冷及實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)。

對(duì)于40kHz中頻電源，功率2000W內(nèi)，等離子清洗時(shí)間只有幾分鐘，則電源及反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)靶材皆無需水冷；當(dāng)功率為3000W以上時(shí)，進(jìn)行等離子處理的同時(shí)，電源和反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)靶材皆需水冷，因發(fā)熱量長(zhǎng)期超過電源及靶材可承受范圍，會(huì)導(dǎo)致電源損壞靶材裂開或熔化。

2.2 基本構(gòu)造及工藝流程

帶水冷結(jié)構(gòu)電極載物托盤的等離子清洗系統(tǒng)是在成熟的基礎(chǔ)型等離子清洗機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝基礎(chǔ)上，為真空腔室及等離子電源做了水冷，系統(tǒng)包括電器控制操作系統(tǒng)、水冷電極托盤真空腔室、等離子電源、真空泵、氣路系統(tǒng)、水冷機(jī)等。

清洗工藝流程保留了基礎(chǔ)型等離子清洗機(jī)的流程：在壓力到達(dá)設(shè)定本底壓力時(shí)，充入工藝氣體,當(dāng)腔內(nèi)壓力進(jìn)出動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，利用等離子電源產(chǎn)生的中高頻交變電磁場(chǎng)激發(fā)生成等離子體，對(duì)被清洗工件表面進(jìn)行物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)雙重作用，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過抽真空排出，而達(dá)到清洗目的[3]。

2.3 水冷電極載物托盤介紹

水冷電極載物托盤真空腔室示意見圖1。

圖1 水冷電極載物托盤真空腔室

在水冷電極載物托盤上均布有氣體擴(kuò)散整個(gè)腔內(nèi)的通孔，交叉均布蛇形水路；腔體后端有熱電偶檢測(cè)口，實(shí)時(shí)檢測(cè)托盤溫度，超過設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴器立即報(bào)警，等離子清洗工藝流程停止，設(shè)備斷電維護(hù)。值得注意的是水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需易安裝維護(hù)，水路轉(zhuǎn)彎處平滑，水路順暢，以易于水冷機(jī)的正常工作。托盤間水路連接方式也有不同。設(shè)備第一臺(tái)機(jī)水路設(shè)計(jì)，不僅水冷效果不達(dá)預(yù)期，且水冷加工較麻煩，安裝較難；第二臺(tái)水路設(shè)計(jì)水冷效果達(dá)預(yù)期，但是需要堵的水口較多，漏水風(fēng)險(xiǎn)變大，且一二臺(tái)水路與真空腔室的接口密封結(jié)構(gòu)中，密封圈無卡槽易移位，直接導(dǎo)致安裝需極謹(jǐn)慎，否則漏氣。

對(duì)于40kHz水冷電源，需在電源和真空腔室進(jìn)水口前安裝三通電磁閥，使得設(shè)備上電時(shí)真空腔室一直保持水冷，只有在等離子處理時(shí)電源也水冷，不處理時(shí)不會(huì)因水冷而導(dǎo)致電源內(nèi)部器件溫度過低結(jié)露霜，影響電源正常工作。

3 結(jié)束語

從物質(zhì)第四態(tài)概念提出開始，等離子技術(shù)涉及多種領(lǐng)域：能源、工業(yè)、環(huán)境等。雖然等離子體相關(guān)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于集成電路制造等領(lǐng)域，但由于等離子體復(fù)雜的物理化學(xué)、氣固相界面、電磁狀態(tài)，到目前為止仍然不能完全有效對(duì)其進(jìn)行模擬及分析。對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展需求，等離子處理設(shè)備還有很長(zhǎng)的研發(fā)應(yīng)用之路，彼此良性促進(jìn)，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的更加快速發(fā)展。