等離子體清洗工藝的關(guān)鍵技術(shù) 等離子體清洗在封裝生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘要：

等離子體工藝是干法清洗應(yīng)用中的重要部分，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，等離子體清洗的優(yōu)勢越來越明顯。文章介紹了等離子體清洗的特點(diǎn)和應(yīng)用，討論了它的清洗原理和優(yōu)化設(shè)計方法。最后分析了等離子體清洗工藝的關(guān)鍵技術(shù)及解決方法。

1 引言

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中，晶圓芯片表面會存在各種顆粒、金屬離子、有機(jī)物及殘留的磨料顆粒等沾污雜質(zhì)。為保證集成電路IC集成度和器件性能，必須在不破壞芯片及其他所用材料的表面特性、電特性的前提下，清洗去除芯片表面上的這些有害沾污雜質(zhì)物。否則，它們將對芯片性能造成致命影響和缺陷，極大地降低產(chǎn)品合格率，并將制約器件的進(jìn)一步發(fā)展。目前，器件生產(chǎn)中的幾乎每道工序都有清洗這一步驟，其目的是去除芯片表面沾污、雜質(zhì)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用的物理化學(xué)清洗方法大致可分成濕法清洗和干法清洗兩類，尤其是干法清洗發(fā)展很快，其中的等離子體清洗優(yōu)勢明顯，在半導(dǎo)體器件及光電子元器件封裝領(lǐng)域中獲得推廣應(yīng)用。

2 等離子體清洗

等離子體就是由正離子、負(fù)離子、自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)分子以及自由基組成的部分電離的氣體，由于其正負(fù)電荷總是相等的，所以稱為等離子體。這也是物質(zhì)存在的又一種基本形態(tài)（第四態(tài)）。一種新形態(tài)必然有與其相應(yīng)的化學(xué)行為，由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)可分為物理的或化學(xué)的。用等離子體通過化學(xué)或物理作用時對工件（生產(chǎn)過程中的電子元器件及其半成品、零部件、基板、印制電路板）表面進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)分子水平的污漬、沾污去除（一般厚度在3nm～30nm），提高表面活性的工藝叫做等離子體清洗。其機(jī)理主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”，達(dá)到去除物體表面污漬的目的，其通常包括無機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài)、氣相物質(zhì)被吸附在固體表面、被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子、產(chǎn)物分子解析形成氣相、反應(yīng)殘余物脫離表面等過程。

等離子體清洗的最大特點(diǎn)是不分處理對象的基材類型均可進(jìn)行處理，對金屬、半導(dǎo)體、氧化物、有機(jī)物和大多數(shù)高分子材料也能進(jìn)行很好的處理，只需要很低的氣體流量，并可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。在等離子體清洗工藝中，不使用任何化學(xué)溶劑，因此基本上無污染物，有利于環(huán)境保護(hù)。此外，其生產(chǎn)成本較低，清洗具有良好的均勻性和重復(fù)性、可控性，易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3 等離子體清洗的類別

最基本的等離子體清洗設(shè)備由四大部分組成，即激發(fā)電源、真空泵、真空腔、反應(yīng)氣體源。激發(fā)電源是提供氣體放電能量來源的電源，可以采用不同的頻率；真空泵的主要作用是抽走副產(chǎn)品，包括旋片式機(jī)械泵或增壓泵；真空腔內(nèi)帶有放電電離的電極，將反應(yīng)氣體變成等離子體；反應(yīng)氣體源一般采用的氣體有氬、氧、氫、氮、四氯化碳等單一氣體，或兩種氣體混合使用。有許多因素支配著等離子體清洗的效用，這些因素包含化學(xué)性質(zhì)的選擇、制程參數(shù)、功率、時間、零件放置及電極構(gòu)造。不同的清洗用途所需要的設(shè)備結(jié)構(gòu)、電極接法、反應(yīng)氣體種類是不同的，其工藝原理也有很大區(qū)別，有的是物理反應(yīng)，有的是化學(xué)反應(yīng)，有的是物理化學(xué)兩種作用都產(chǎn)生，反應(yīng)的有效性取決于等離子體氣源、等離子系統(tǒng)的組合及等離子工藝操作參數(shù)。表1示出半導(dǎo)體生產(chǎn)中等離子工藝的選擇及應(yīng)用，等離子體腐蝕、等離子體去膠較早被半導(dǎo)體生產(chǎn)前部工序采用，利用常壓輝光冷等離子體所產(chǎn)生的活性物質(zhì)對有機(jī)沾污和光刻膠進(jìn)行清洗，是替代濕化學(xué)清洗方法的一種綠色手段。

3.1 化學(xué)反應(yīng)為主的清洗

表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗，習(xí)慣上稱等離子清洗PE，許多氣體的等離子態(tài)可產(chǎn)生高活性的粒子。從化學(xué)反應(yīng)式可知，典型的PE工藝是氧氣或氫氣等離子體工藝，用氧等離子通過化學(xué)反應(yīng)，能夠使非揮發(fā)性有機(jī)物變成易揮發(fā)性的CO 2 和水汽，去除沾污物，使表面清潔；用氫的等離子可通過化學(xué)反應(yīng)，去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。反應(yīng)氣體電離產(chǎn)生的高活性反應(yīng)粒子，在一定條件下與被清洗物體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成物是易揮發(fā)性物，可以被抽走，而針對被清除物的化學(xué)成分，選擇合適的反應(yīng)氣體組分是極為重要的。PE 的特點(diǎn)是表面改性，清洗速度較快，選擇性好，對有機(jī)沾污污染比較有效。其不足是可能產(chǎn)生氧化物。

3.2 物理反應(yīng)為主的清洗

表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗，也稱為濺射腐蝕SPE或離子銑IM。表面物理濺射是指等離子體中的正離子在電場獲得能量去轟擊表面，撞擊移去表面分子片段和原子，使污染物從表面去除，并能夠使表面在分子級范圍改變微觀形態(tài)粗糙化，從而改善表面的粘結(jié)性能。氬氣本身是惰性氣體，等離子態(tài)的氬氣并不和表面發(fā)生反應(yīng)，最常用的工藝是氬等離子通過物理濺射使表面清潔。等離子體物理清洗不會產(chǎn)生氧化副作用，保持被清洗物的化學(xué)純潔性，腐蝕作用各向異性，缺點(diǎn)是對表面產(chǎn)生很大的損害和熱效應(yīng)，選擇性差，速度較低。

3.3 反應(yīng)離子腐蝕

化學(xué)清洗、物理清洗各有利弊，在反應(yīng)離子腐蝕中把這兩種機(jī)理結(jié)合起來，物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)都同時起重要作用，相互促進(jìn)，其效果既有較好的選擇性、清洗率、均勻性，又有較好的方向性。

3.4 順流等離子體清洗

順流等離子體也叫源室分腔式等離子體DPE，產(chǎn)生等離子體的源位于等離子發(fā)生腔，待清洗的工件位于工藝腔，把氣相反應(yīng)粒子、原子團(tuán)、光子等引入工藝腔，對工件進(jìn)行清洗，把離子、電子基本濾除掉。2.45GHz順流等離子體類型是用于封裝類等離子清洗的主要形式，適于清洗有機(jī)物。

3.5 激發(fā)頻率分類

常用的等離子體電源激發(fā)頻率有三種：激發(fā)頻率40kHz的等離子體為超聲等離子，發(fā)生的反應(yīng)為物理反應(yīng)，清洗系統(tǒng)離子密度較低；13.56MHz 的等離子體為射頻等離子體，等離子體發(fā)生的反應(yīng)既有物理反應(yīng)又有化學(xué)反應(yīng)，離子密度和能量較高；2.45GHz的等離子體為微波等離子體，離子濃度最高，反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)。實(shí)際上，半導(dǎo)體生產(chǎn)中大多采用射頻或微波等離子體清洗，而半導(dǎo)體后部工序用戶用的等離子體清洗設(shè)備大多數(shù)采用由鋁或不銹鋼制造的方形、長方形金屬箱體，電極為內(nèi)置平行板狀結(jié)構(gòu)。

各等離子體清洗設(shè)備廠家針對不同的用戶需求，設(shè)計制造了許多種不同結(jié)構(gòu)類型、不同電源頻率的清洗設(shè)備，各有所長，也就各有所短。選用等離子清洗設(shè)備前要搞清楚待清洗工件特征，要清除掉的沾污物是什么，待清洗工件在清洗過程中應(yīng)避免什么，是高溫、晶格損傷、靜電損傷還是二次污染等，通過試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)、選購滿足不同工件對等離子清洗不同要求的設(shè)備。

4 在封裝生產(chǎn)中的應(yīng)用

等離子體清洗在微電子封裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，等離子體清洗技術(shù)的成功應(yīng)用依賴于工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括過程壓力、等離子激發(fā)頻率和功率、時間和工藝氣體類型、反應(yīng)腔室和電極的配置以及待清洗工件放置位置等。半導(dǎo)體后部生產(chǎn)工序中，由于指印、助焊劑、焊料、劃痕、沾污、微塵、樹脂殘跡、自熱氧化、有機(jī)物等，在器件和材料表面形成各種沾污，這些沾污會明顯地影響封裝生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量，利用等離子體清洗技術(shù)，能夠很容易清除掉生產(chǎn)過程中形成的這些分子水平的污染，從而顯著地改善封裝的可制造性、可靠性及成品率。

在芯片封裝生產(chǎn)中，等離子體清洗工藝的選擇取決于后續(xù)工藝對材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學(xué)組成以及表面污染物性質(zhì)等，表2示出等離子體清洗工藝的選擇及應(yīng)用的部分實(shí)例。

4.1 優(yōu)化引線鍵合

在芯片、微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS封裝中，基板、基座與芯片之間有大量的引線鍵合，引線鍵合仍然是實(shí)現(xiàn)芯片焊盤與外引線連接的重要方式，如何提高引線鍵合強(qiáng)度一直是行業(yè)研究的問題。射頻驅(qū)動的低壓等離子清洗技術(shù)是一種有效的、低成本的清潔方法，能夠有效地去除基材表面可能存在的污染物，例如氟化物、鎳的氫氧化物、有機(jī)溶劑殘留、環(huán)氧樹脂的溢出物、材料的氧化層，等離子清洗一下再鍵合，會顯著提高鍵合強(qiáng)度和鍵合引線拉力的均勻性，它對提高引線鍵合強(qiáng)度作用很大。在引線鍵合之前，氣體等離子體技術(shù)可以用來清洗芯片接點(diǎn)，改善結(jié)合強(qiáng)度及成品率，表3示出一例改善的拉力強(qiáng)度對比，采用氧氣及氬氣的等離子體清洗工藝，在維持高工序能力指數(shù)Cpk值的同時能有效改善拉力強(qiáng)度。據(jù)資料介紹，研究等離子體清洗的效能時，不同公司的不同產(chǎn)品類型在鍵合前采用等離子體清洗，增加鍵合引線拉力強(qiáng)度的幅度大小不等，但對提高器件的可靠性而言都很有好處。

用Ar等離子體，將樣品置放在地極板，當(dāng)射頻功率為200W～600W、氣體壓力為100mT～120mT或140mT～180mT時，清洗10min～15min，能獲得很好的清洗效果和鍵合強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)用直徑25μm金絲鍵合引線，當(dāng)采用等離子清洗后，其平均鍵合強(qiáng)度可提高到6.6gf以上。

4.2 倒裝焊接前的清洗

在芯片倒裝封裝方面，對芯片和載體進(jìn)行等離子體清洗，提高其表面活性以后再進(jìn)行倒裝焊，可以有效地防止或減少空洞，提高黏附性。另一特點(diǎn)是提高填料邊緣高度，改善封裝的機(jī)械強(qiáng)度，降低因材料間不同的熱膨脹系數(shù)而在界面間形成的剪切應(yīng)力，提高產(chǎn)品可靠性和壽命。

4.3 芯片粘結(jié)的清洗

等離子體表面清洗可用于芯片粘結(jié)之前的處理，由于未處理材料表明普遍的疏水性和惰性，其表面粘結(jié)性能通常很差，粘結(jié)過程中很容易在界面產(chǎn)生空洞?；罨蟮谋砻婺芨纳骗h(huán)氧樹脂等高分子材料在表面的流動性能，提供良好的接觸表面和芯片粘結(jié)浸潤性，可有效防止或減少空洞形成，改善熱傳導(dǎo)能力。清洗常用的表面活化工藝是通過氧氣、氮?dú)饣蛩鼈兊幕旌蠚獾入x子體來完成的。微波半導(dǎo)體器件在燒結(jié)前采用等離子體清洗管座，對保證燒結(jié)質(zhì)量十分有效。

4.4 引線框架的清洗

引線框架在當(dāng)今的塑封中仍占有相當(dāng)大的市場份額，其主要采用導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、加工性能良好的銅合金材料制作引線框架。但銅的氧化物及其他一些污染物會造成模塑料與銅引線框架分層，并影響芯片粘接和引線鍵合質(zhì)量，確保引線框架清潔是保證封裝可靠性的關(guān)鍵。研究表明，采用氫氬混合氣體，激發(fā)頻率13.56MHz，能夠有效地去除引線框架金屬層上的污染物，氫等離子體能夠去除氧化物，而氬通過離子化能夠促進(jìn)氫等離子體數(shù)量的增加。為了對比清洗效果，J.H.Hsieh把銅引線框架經(jīng)175℃氧化后，采用兩種氣體 Ar 和 Ar/H 2 （1∶4）等離子體清洗，時間分別為2.5min和12min，檢測結(jié)果表明，引線框架表面氧化物殘余量很少，氧的含量為0.1at%。

4.5 管座管帽的清洗

管座管帽若存放時間較長，表面會有陳跡且可能有污染，先對管座管帽進(jìn)行等離子體清洗，去除污染，然后封帽，可顯著提高封帽合格率。陶瓷封裝通常使用金屬漿料印制線作鍵合區(qū)、蓋板密閉區(qū)。在這些材料的表面電鍍Ni、Au 前，采用等離子清洗，去掉有機(jī)物沾污，提高鍍層質(zhì)量。

5 結(jié)束語

在微電子、光電子、MEMS 封裝方面，等離子技術(shù)正廣泛應(yīng)用于封裝材料清洗及活化，對解決電子元器件存在的表面沾污、界面狀態(tài)不穩(wěn)定、燒結(jié)及鍵合不良等缺陷隱患，提升質(zhì)量管理和工序控制能力具有可操作性的積極作用，改善材料表面特性，提高封裝產(chǎn)品性能，需要選擇合適的清洗方式和清洗時間，對提高封裝質(zhì)量和可靠性極為重要。

審核編輯：湯梓紅