等離子清洗在不同電極板上的效果差異

李凌宇，王玉亮

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

隨著芯片制造及集成技術(shù)的不斷發(fā)展，對已經(jīng)實現(xiàn)的芯片清洗效果提出了更高的要求，以滿足其封裝以后足夠的精度及可靠性[1]。隨著電路框架結(jié)構(gòu)尺寸的逐漸縮小，芯片集成對于高質(zhì)量芯片的需求也在不斷提高，然而在整個工藝過程中存在的污染物及污染源一直是一個不可忽視的問題，從環(huán)保、清潔程度及其均勻性等因素方面考慮應(yīng)進一步提高等離子清洗工藝尤其是可塑性較強的箱式等離子清洗設(shè)備[2]。同時近幾年隨著國家對于芯片自主可控的重視，芯片質(zhì)量、可靠性等關(guān)鍵因素顯的格外重要。

1 等離子清洗

1.1 等離子清洗原理

本論文的基礎(chǔ)建立在電容(射頻或微波均可)耦合所產(chǎn)生的等離子體形成的等離子場，其中的等離子氣體電離是通過外部施加的高頻電場對氣體的加速作用的作用結(jié)果。這種狀態(tài)下會發(fā)生輝光放電，其所形成的等離子體中包含正離子、電子、原子及亞穩(wěn)態(tài)的分子等[3]。

當(dāng)被清洗物體表面與高頻電場所激發(fā)的等離子體產(chǎn)生相互作用的時候，一方面利用等離子體激活的化學(xué)活性物質(zhì)或者等離子體本身與被清洗(去膠)物體表面的污染物進行相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，比如用等離子體中的活性氫與物體表面的氧化物發(fā)生還原反應(yīng)或者等離子體中的活性氧離子或原子與物體材料表面的有機物可以發(fā)生氧化反應(yīng)[4]。等離子體與物體材料表面有機污染物作用，反應(yīng)過后會把有機污染物分解為二氧化碳、水等通過真空泵或其他設(shè)備排出。另一方面的物理作用是通過利用等離子體中的高能粒子對物體材料表面的污染物進行轟擊產(chǎn)生作用，比如利用等離子體中的活性氬來清洗物件材料表面的污染物，通過相互轟擊使污染物形成具有揮發(fā)性的懸浮污染物從而被真空泵或其他設(shè)備排出。

在實際生產(chǎn)中使用化學(xué)和物理方法同時進行清洗，其清洗速率通常比單獨使用物理清洗或化學(xué)清洗快。在實際清洗或去膠工藝中，可采用氬氣與氫氣混合或純氧氣或者氬氣與氧氣混合的物理化學(xué)清洗方法，但考慮到氫氣的易爆性，需嚴(yán)格控制混合氣體中氫氣的含量[5]。

1.2 箱式等離子清洗機

本研究中采用箱式等離子清洗設(shè)備進行工藝試驗，該設(shè)備為低溫低壓射頻等離子清洗設(shè)備，其中比較核心的關(guān)鍵等離子清洗原理是基于由真空泵在腔體中抽出的真空低壓狀態(tài)下，利用射頻或微波源激發(fā)形成的高壓交變電場將氧氣或氬氣等工藝氣體高速運動及震蕩成對應(yīng)的等離子體，與物體材料表面的微顆粒污染物或者有機污染物進行物理碰撞或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而形成揮發(fā)性物質(zhì)，最后再由真空泵將這些易揮發(fā)性的物質(zhì)排出腔體外部，從而達到清潔及活化物體材料表面的目的。其最大特點是可實現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗，該設(shè)備操作簡單，單次可清洗數(shù)量比較大，又無廢液，污染源產(chǎn)生[6]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，清洗工藝流程如圖2所示。

圖1 箱式等離子清洗機

圖2 等離子清洗工藝流程

2 電極板在等離子清洗中的作用

打開反應(yīng)倉，安裝有若干電極板(亦有樣品托盤的作用)。在反應(yīng)倉的后部安裝有兩個銅電極，其中左邊為負(fù)極，右邊為正極。每個電極條上有輸出端與倉體側(cè)壁的鋁支撐對應(yīng)。電極板能夠充當(dāng)反應(yīng)電極是建立在其上面的插頭與對應(yīng)銅電極相連接實現(xiàn)的，電極條選擇插入左邊或者右邊能夠決定該電極架為正極或者為負(fù)極。本設(shè)備提供的清洗模式為直接等離子體模式。采用正、負(fù)電極相間隔放置的模式稱為直接等離子體模式，這種模式的配置下所有的正負(fù)離子都會在兩極流通而過且不會被彼此隔離，屬于較強轟擊性的方式。待清洗的物體可放在正極上也可放在負(fù)極上，通過實驗也可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)待清洗的物體放在正極上時為較為強烈的清洗(去膠)方式。本論文中實驗亦可以驗證當(dāng)樣本放在正極板上的清洗效果更好，同時對于更改電極板結(jié)構(gòu)對清洗的結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

3 等離子清洗實驗

3.1 實驗材料

主要材料是方便測量等離子清洗后水滴角的帶膜不銹鋼方片(如圖3所示)，用來做清洗實驗的三種不同類型的電極板分別為小孔、無孔和大孔(涉及設(shè)備具體結(jié)構(gòu)，此處就不展示圖片)。

圖3 不銹鋼方片實物圖

3.2 清洗實驗

本次試驗采用芬蘭產(chǎn)的THETA型號接觸角測試儀對實驗材料進行水滴角的測量。通過更改不同射頻功率，不同氧氣流量，不同射頻時間，不同電極板等變量進行近百組實驗得到的不銹鋼方片清洗前后對比如圖4。

圖4 清洗前后接觸角實驗對比示意圖

通過改變射頻時間，射頻功率以及電極板類型對一百多個不銹鋼方片進行了清洗前后的接觸角測試，效果如圖5，圖6。

圖5 相同參數(shù)不同電極板的清洗效果對比

圖6 相同參數(shù)同一電極板正負(fù)極清洗效果對比

3.3 實驗結(jié)論

1) 在同一正極板上的同一個位置上大孔和小孔的清洗效果相差無幾。

2) 在大孔電極板上左右兩側(cè)的清洗效果要好于中間位置，而在小孔電極板上的趨勢不太明顯。

3) 在相同條件下不同電極板的正極清洗效果要好于負(fù)極，在無孔電極板上的表現(xiàn)最明顯。

4) 無孔電極板的清洗效果不如其他兩種電極板，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以優(yōu)先排除這種設(shè)計思路。

4 結(jié)語

通過對箱式等離子清洗機不同電極板上不銹鋼方片清洗效果的水滴角實驗可以更為直觀地接觸到射頻電源產(chǎn)生的等離子場在腔體內(nèi)的分布情況，從而可以更具針對性的對電極板進行改進以提高清洗或去膠的均勻性，適應(yīng)更高的工藝要求，增大箱式等離子清洗機在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用范圍，推動行業(yè)更快發(fā)展。