李凌宇，王玉亮

(中國電子科技集團(tuán)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(duì)已經(jīng)實(shí)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(duì)于高質(zhì)量芯片的需求也在不斷提高，然而在整個(gè)工藝過程中存在的污染物及污染源一直是一個(gè)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(jìn)一步提高等離子清洗工藝尤其是可塑性較強(qiáng)的箱式等離子清洗設(shè)備[2]。同時(shí)近幾年隨著國家對(duì)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(duì)氣體的加速作用的作用結(jié)果。這種狀態(tài)下會(huì)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(shí)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(jìn)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(jī)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(jī)污染物作用，反應(yīng)過后會(huì)把有機(jī)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(duì)物體材料表面的污染物進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中使用化學(xué)和物理方法同時(shí)進(jìn)行清洗，其清洗速率通常比單獨(dú)使用物理清洗或化學(xué)清洗快。在實(shí)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(jī)

本研究中采用箱式等離子清洗設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)及震蕩成對(duì)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(jī)污染物進(jìn)行物理碰撞或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)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(dá)到清潔及活化物體材料表面的目的。其最大特點(diǎn)是可實(shí)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(jī)

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(gè)銅電極，其中左邊為負(fù)極，右邊為正極。每個(gè)電極條上有輸出端與倉體側(cè)壁的鋁支撐對(duì)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(duì)應(yīng)銅電極相連接實(shí)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(huì)在兩極流通而過且不會(huì)被彼此隔離，屬于較強(qiáng)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(shí)驗(yàn)也可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)待清洗的物體放在正極上時(shí)為較為強(qiáng)烈的清洗(去膠)方式。本論文中實(shí)驗(yàn)亦可以驗(yàn)證當(dāng)樣本放在正極板上的清洗效果更好，同時(shí)對(duì)于更改電極板結(jié)構(gòu)對(duì)清洗的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3 等離子清洗實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)物圖

3.2 清洗實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用芬蘭產(chǎn)的THETA型號(hào)接觸角測試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)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(shí)間，不同電極板等變量進(jìn)行近百組實(shí)驗(yàn)得到的不銹鋼方片清洗前后對(duì)比如圖4。

圖4 清洗前后接觸角實(shí)驗(yàn)對(duì)比示意圖

通過改變射頻時(shí)間，射頻功率以及電極板類型對(duì)一百多個(gè)不銹鋼方片進(jìn)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(duì)比

圖6 相同參數(shù)同一電極板正負(fù)極清洗效果對(duì)比

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1) 在同一正極板上的同一個(gè)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(jì)中可以優(yōu)先排除這種設(shè)計(jì)思路。

4 結(jié)語

通過對(duì)箱式等離子清洗機(jī)不同電極板上不銹鋼方片清洗效果的水滴角實(shí)驗(yàn)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(duì)性的對(duì)電極板進(jìn)行改進(jìn)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(jī)在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用范圍，推動(dòng)行業(yè)更快發(fā)展。