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等離子體清洗
等離子體技術(shù)在本世紀(jì)60年代起就開始應(yīng)用于化學(xué)合成、薄膜制備、表面處理和精細(xì)化工等領(lǐng)域, 在大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路工藝干法化、低溫化方面, 近年來也開發(fā)應(yīng)用了等離子體聚合、等離子體蝕刻、等離子體灰化及等離子體陽(yáng)極氧化等全干法工藝技術(shù)。等離子清洗技術(shù)也是工藝干法化的進(jìn)步成果之一。與濕法清洗不同, 等離子清洗的機(jī)理是依靠處于“等離子態(tài)”的物質(zhì)的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。從目前各類清洗方法來看, 可能等離子體清洗也是所有清洗方法中最為徹底的剝離式的清洗。
就反應(yīng)機(jī)理來看, 等離子體清洗通常包括以下過程:
a.無(wú)機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài);
b.氣相物質(zhì)被吸附在固體表面;
c.被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子;
d.產(chǎn)物分子解析形成氣相;
e.反應(yīng)殘余物脫離表面。
氣體被激發(fā)成等離子態(tài)有多種方式, 如激光、微波、電暈放電、熱電離、弧光放電等多種方式, 在電子清洗中, 主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無(wú)機(jī)氣體 (Ar2、N2、H2、O2等) 在高頻低壓下被激發(fā), 產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子、自由基等多種活性粒子。一般在等離子清洗中, 可把活化氣體分為兩類, 一類為惰性氣體的等離子體 (如Ar2、N2等) ;另一類為反應(yīng)性氣體的等離子體 (如O2、H2等) 。這些活性粒子能與表面材料發(fā)生反應(yīng), 在這一過程中等離子體能有效地使材料表面層中產(chǎn)生大量自由基, 這種作用在高分子表面特別明顯。在半導(dǎo)體領(lǐng)域, 反應(yīng)性等離子體的研究很早就十分活躍。如CF4和O2混合的等離子體清洗, 我們可以通過控制CF4的流量來控制反應(yīng)的進(jìn)度。
等離子體清洗技術(shù)的最大特點(diǎn)是不分處理對(duì)象的基材類型, 均可進(jìn)行處理, 如金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料 (如:聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯) 等原基材料都能很好地處理, 并可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。清洗的重要作用之一是提高膜的附著力, 如在Si襯底上沉積Au膜, 經(jīng)Ar等離子體處理掉表面的碳?xì)浠衔锖推渌廴? 明顯改善了Au的附著力。等離子體處理后的基體表面, 會(huì)留下一層含氟化物的灰色物質(zhì), 可用溶液去掉。同時(shí)有利于改善表面沾著性和潤(rùn)濕性。在清洗過程中經(jīng)等離子體表面活化形成的自由基, 能夠進(jìn)一步形成特定官能團(tuán), 這種特定官能團(tuán)的引入, 特別是含氧官能團(tuán), 對(duì)改善材料的沾著性和濕潤(rùn)性起著明顯的作用。
等離子體清洗的應(yīng)用
1 蝕刻工藝
某種程度來講, 等離子清洗實(shí)質(zhì)上是等離子體刻蝕的一種較輕微的情況。進(jìn)行干式蝕刻工藝的設(shè)備包括反應(yīng)室、電源、真空部分。工件送入反應(yīng)室被真空泵抽真空, 氣體被導(dǎo)入并與等離子體進(jìn)行交換。等離子體在工件表面發(fā)生反應(yīng), 反應(yīng)的揮發(fā)性副產(chǎn)物被真空泵抽走。等離子體刻蝕工藝實(shí)際上便是一種反應(yīng)性等離子工藝。近期的發(fā)展是在反應(yīng)室的內(nèi)部安裝成擱架形式, 這種設(shè)計(jì)是富有彈性的, 用戶可以移去架子來配置合適的等離子體的蝕刻方法:反應(yīng)性等離子體 (RIE) , 順流等離子體 (downstream) , 直接等離子體 (direction plasma) 。所謂直接等離子體, 亦稱作反應(yīng)離子蝕刻, 是等離子的一種直接浸蝕形式。它的主要優(yōu)勢(shì)是高的蝕刻率和高的均勻性。直接等離子體具有較低浸蝕, 但工件卻暴露在射線區(qū)。順流等離子是種較弱的工藝, 它適合去除厚為1～5nm的薄層。在射線區(qū)或等離子中, 人們擔(dān)心工件受到損壞, 目前, 這種擔(dān)心還沒有證據(jù), 看來只有在重復(fù)的高射線區(qū)和延長(zhǎng)處理時(shí)間到60～120min才能發(fā)生, 正常情況下, 這樣的條件只在大的薄片及不是短時(shí)的清洗中。
2 在引線的鍵合中
在等離子清洗的工裝設(shè)計(jì)中采用一些特殊結(jié)構(gòu)可以滿足用戶每小時(shí)清洗500～1000個(gè)引線框的要求。這種工藝對(duì)COB’S (裸芯片封裝) 或其它的封裝都采用相同的工藝條件便能提供給用戶一種簡(jiǎn)單而有效的清洗。板上芯片連接技術(shù) (DCA) 中, 無(wú)論是焊線芯片工藝, 還是倒裝芯片、卷帶自動(dòng)結(jié)合技術(shù), 整個(gè)芯片封裝工藝中, 等離子清洗工藝都將作為一種關(guān)鍵技術(shù)存在, 對(duì)整個(gè)IC封裝的可靠性產(chǎn)生重要影響。
以COB’S為例:
芯片粘接 (Die bonding) —固化 (Cure) —等離子清洗 (Plasma cleaning) —線焊 (Wire bond) —包裝—固化
3 BGA封裝工藝
在BGA工藝中, 對(duì)表面清潔和處理都是非常嚴(yán)格的, 焊球與基板的連接要求一個(gè)潔凈表面以保證焊接的一致性和可靠性。等離子體處理它可以保證不留痕跡, BGA焊盤要求等離子處理來確保良好的粘接性能, 并且, 已有批量和在線式的清洗工藝。
4 混裝電路
混裝電路出現(xiàn)的問題是引線與表面的虛接, 這主要?dú)w因于電路表面的焊劑、光刻膠及其它一些殘留物質(zhì)。針對(duì)這種清洗, 要用到氬的等離子體清洗, 氬等離子體可以去除錫的氧化物或金屬, 從而改變電性能。此外, 鍵接前的氬等離子體還用于清洗金屬化、芯片粘接和最后封裝前的鋁基板。
5 硬盤
用等離子清洗來去除由上一步濺鍍工藝留下的殘余物, 同時(shí)基材表面經(jīng)過處理, 對(duì)改變基材的潤(rùn)濕性、減小摩擦, 很有好處。
6 去除光致抗蝕劑
在晶片制造工藝中, 使用氧等離子體去除晶片表面抗蝕刻 (photoresist) 。干式工藝唯一的缺點(diǎn)是等離子體區(qū)的活性粒子可能會(huì)對(duì)一些電敏感性的設(shè)備造成損害。為了解決這一問題, 人們發(fā)展了幾種工藝, 其一是用一個(gè)法拉第裝置以隔離轟擊晶片表面的電子和離子;另一種方法是將清洗蝕刻對(duì)象置于活性等離子區(qū)之外。 (順流等離子清洗) 蝕刻率因電壓、氣壓以及膠的量而定, 典型的刻蝕率為100nm/min, 正常需要10min。
7 液晶顯示器生產(chǎn)中的清洗
在液晶清洗中的干式清洗, 使用的活化氣體是氧的等離子體, 它能除去油性污垢和臟物粒子, 因?yàn)檠醯入x子體可將有機(jī)物氧化, 形成氣體排出。它的唯一問題是需要在去除粒子后加入一個(gè)除靜電裝置清洗工藝如下:
研磨—吹氣—氧等離子體—除靜電
通過干式洗凈工藝后的電極端子與顯示器, 增強(qiáng)了偏光板粘貼的成品率, 并且電極端與導(dǎo)電膜間的粘附性也大大改善。
8 精密零件清洗
在經(jīng)過機(jī)械加工的零件表面主要?dú)埩粑餅橛皖愇廴? 采用O2等離子體去除會(huì)特別有效。
等離子清洗設(shè)備和工藝就會(huì)以其在健康、環(huán)保、效益、安全等諸多方面的優(yōu)勢(shì)逐步取代濕法清洗工藝, 特別是在精密件清洗和新半導(dǎo)體材料研究和集成電路器件制造業(yè)中, 等離子清洗應(yīng)用前景廣闊。
