等离子体清洗及其在电子封装中的应用

文章内容出自公众号：半导体封装工程师之家 作者海绵宝宝的耳朵

龙乐

（成都龙泉天生路205号1栋208室，成都610100）

摘　要：

 

等离子体工艺是干法清洗应用中的重要部分，随着微电子技术的发展，等离子体清洗的优势越来越明显。文章介绍了等离子体清洗的特点和应用，讨论了它的清洗原理和优化设计方法。最后分析了等离子体清洗工艺的关键技术及解决方法。

 

1 引言

 

半导体器件生产过程中，晶圆芯片表面会存在各种颗粒、金属离子、有机物及残留的磨料颗粒等沾污杂质。为保证集成电路IC集成度和器件性能，必须在不破坏芯片及其他所用材料的表面特性、电特性的前提下，清洗去除芯片表面上的这些有害沾污杂质物。否则，它们将对芯片性能造成致命影响和缺陷，极大地降低产品合格率，并将制约器件的进一步发展。目前，器件生产中的几乎每道工序都有清洗这一步骤，其目的是去除芯片表面沾污、杂质，现广泛应用的物理化学清洗方法大致可分成湿法清洗和干法清洗两类，尤其是干法清洗发展很快，其中的等离子体清洗优势明显，在半导体器件及光电子元器件封装领域中获得推广应用。

 

2 等离子体清洗

 

等离子体就是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子和不带电的中性粒子如激发态分子以及自由基组成的部分电离的气体，由于其正负电荷总是相等的，所以称为等离子体。这也是物质存在的又一种基本形态（第四态）。一种新形态必然有与其相应的化学行为，由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易与固体表面发生反应，这种反应可分为物理的或化学的。用等离子体通过化学或物理作用时对工件（生产过程中的电子元器件及其半成品、零部件、基板、印制电路板）表面进行处理，实现分子水平的污渍、沾污去除（一般厚度在3nm～30nm），提高表面活性的工艺叫做等离子体清洗。其机理主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”，达到去除物体表面污渍的目的，其通常包括无机气体被激发为等离子态、气相物质被吸附在固体表面、被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子、产物分子解析形成气相、反应残余物脱离表面等过程。

 

等离子体清洗的最大特点是不分处理对象的基材类型均可进行处理，对金属、半导体、氧化物、有机物和大多数高分子材料也能进行很好的处理，只需要很低的气体流量，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。在等离子体清洗工艺中，不使用任何化学溶剂，因此基本上无污染物，有利于环境保护。此外，其生产成本较低，清洗具有良好的均匀性和重复性、可控性，易实现批量生产。

 
 

3 等离子体清洗的类别

 

最基本的等离子体清洗设备由四大部分组成，即激发电源、真空泵、真空腔、反应气体源。激发电源是提供气体放电能量来源的电源，可以采用不同的频率；真空泵的主要作用是抽走副产品，包括旋片式机械泵或增压泵；真空腔内带有放电电离的电极，将反应气体变成等离子体；反应气体源一般采用的气体有氩、氧、氢、氮、四氯化碳等单一气体，或两种气体混合使用。有许多因素支配着等离子体清洗的效用，这些因素包含化学性质的选择、制程参数、功率、时间、零件放置及电极构造。不同的清洗用途所需要的设备结构、电极接法、反应气体种类是不同的，其工艺原理也有很大区别，有的是物理反应，有的是化学反应，有的是物理化学两种作用都产生，反应的有效性取决于等离子体气源、等离子系统的组合及等离子工艺操作参数。表1示出半导体生产中等离子工艺的选择及应用，等离子体腐蚀、等离子体去胶较早被半导体生产前部工序采用，利用常压辉光冷等离子体所产生的活性物质对有机沾污和光刻胶进行清洗，是替代湿化学清洗方法的一种绿色手段。

 

3.1 化学反应为主的清洗

 

表面反应以化学反应为主的等离子体清洗，习惯上称等离子清洗PE，许多气体的等离子态可产生高活性的粒子。从化学反应式可知，典型的PE工艺是氧气或氢气等离子体工艺，用氧等离子通过化学反应，能够使非挥发性有机物变成易挥发性的CO2和水汽，去除沾污物，使表面清洁；用氢的等离子可通过化学反应，去除金属表面氧化层，清洁金属表面。反应气体电离产生的高活性反应粒子，在一定条件下与被清洗物体表面发生化学反应，反应生成物是易挥发性物，可以被抽走，而针对被清除物的化学成分，选择合适的反应气体组分是极为重要的。PE的特点是表面改性，清洗速度较快，选择性好，对有机沾污污染比较有效。其不足是可能产生氧化物。

 

3.2 物理反应为主的清洗

 

表面反应以物理反应为主的等离子体清洗，也称为溅射腐蚀SPE或离子铣IM。表面物理溅射是指等离子体中的正离子在电场获得能量去轰击表面，撞击移去表面分子片段和原子，使污染物从表面去除，并能够使表面在分子级范围改变微观形态粗糙化，从而改善表面的粘结性能。氩气本身是惰性气体，等离子态的氩气并不和表面发生反应，最常用的工艺是氩等离子通过物理溅射使表面清洁。等离子体物理清洗不会产生氧化副作用，保持被清洗物的化学纯洁性，腐蚀作用各向异性，缺点是对表面产生很大的损害和热效应，选择性差，速度较低。

 

3.3 反应离子腐蚀

 

化学清洗、物理清洗各有利弊，在反应离子腐蚀中把这两种机理结合起来，物理反应和化学反应都同时起重要作用，相互促进，其效果既有较好的选择性、清洗率、均匀性，又有较好的方向性。

 

3.4 顺流等离子体清洗

 

顺流等离子体也叫源室分腔式等离子体DPE，产生等离子体的源位于等离子发生腔，待清洗的工件位于工艺腔，把气相反应粒子、原子团、光子等引入工艺腔，对工件进行清洗，把离子、电子基本滤除掉。2.45GHz顺流等离子体类型是用于封装类等离子清洗的主要形式，适于清洗有机物。

 

3.5 激发频率分类

 

常用的等离子体电源激发频率有三种：激发频率40kHz的等离子体为超声等离子，发生的反应为物理反应，清洗系统离子密度较低；13.56MHz的等离子体为射频等离子体，等离子体发生的反应既有物理反应又有化学反应，离子密度和能量较高；2.45GHz的等离子体为微波等离子体，离子浓度最高，反应为化学反应。实际上，半导体生产中大多采用射频或微波等离子体清洗，而半导体后部工序用户用的等离子体清洗设备大多数采用由铝或不锈钢制造的方形、长方形金属箱体，电极为内置平行板状结构。

 

各等离子体清洗设备厂家针对不同的用户需求，设计制造了许多种不同结构类型、不同电源频率的清洗设备，各有所长，也就各有所短。选用等离子清洗设备前要搞清楚待清洗工件特征，要清除掉的沾污物是什么，待清洗工件在清洗过程中应避免什么，是高温、晶格损伤、静电损伤还是二次污染等，通过试验结果确认、选购满足不同工件对等离子清洗不同要求的设备。

 

4 在封装生产中的应用

 

等离子体清洗在微电子封装领域有着广泛的应用前景，等离子体清洗技术的成功应用依赖于工艺参数的优化，包括过程压力、等离子激发频率和功率、时间和工艺气体类型、反应腔室和电极的配置以及待清洗工件放置位置等。半导体后部生产工序中，由于指印、助焊剂、焊料、划痕、沾污、微尘、树脂残迹、自热氧化、有机物等，在器件和材料表面形成各种沾污，这些沾污会明显地影响封装生产及产品质量，利用等离子体清洗技术，能够很容易清除掉生产过程中形成的这些分子水平的污染，从而显著地改善封装的可制造性、可靠性及成品率。

 

在芯片封装生产中，等离子体清洗工艺的选择取决于后续工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及表面污染物性质等，表2示出等离子体清洗工艺的选择及应用的部分实例。

 

 

 

4.1 优化引线键合

 

在芯片、微电子机械系统MEMS封装中，基板、基座与芯片之间有大量的引线键合，引线键合仍然是实现芯片焊盘与外引线连接的重要方式，如何提高引线键合强度一直是行业研究的问题。射频驱动的低压等离子清洗技术是一种有效的、低成本的清洁方法，能够有效地去除基材表面可能存在的污染物，例如氟化物、镍的氢氧化物、有机溶剂残留、环氧树脂的溢出物、材料的氧化层，等离子清洗一下再键合，会显著提高键合强度和键合引线拉力的均匀性，它对提高引线键合强度作用很大。在引线键合之前，气体等离子体技术可以用来清洗芯片接点，改善结合强度及成品率，表3示出一例改善的拉力强度对比，采用氧气及氩气的等离子体清洗工艺，在维持高工序能力指数Cpk值的同时能有效改善拉力强度。据资料介绍，研究等离子体清洗的效能时，不同公司的不同产品类型在键合前采用等离子体清洗，增加键合引线拉力强度的幅度大小不等，但对提高器件的可靠性而言都很有好处。

用Ar等离子体，将样品置放在地极板，当射频功率为200W～600W、气体压力为100mT～120mT或140mT～180mT时，清洗10min～15min，能获得很好的清洗效果和键合强度，实验用直径25μm金丝键合引线，当采用等离子清洗后，其平均键合强度可提高到6.6gf以上。

 

4.2 倒装焊接前的清洗

 

在芯片倒装封装方面，对芯片和载体进行等离子体清洗，提高其表面活性以后再进行倒装焊，可以有效地防止或减少空洞，提高黏附性。另一特点是提高填料边缘高度，改善封装的机械强度，降低因材料间不同的热膨胀系数而在界面间形成的剪切应力，提高产品可靠性和寿命。

 

4.3 芯片粘结的清洗

 

等离子体表面清洗可用于芯片粘结之前的处理，由于未处理材料表明普遍的疏水性和惰性，其表面粘结性能通常很差，粘结过程中很容易在界面产生空洞。活化后的表面能改善环氧树脂等高分子材料在表面的流动性能，提供良好的接触表面和芯片粘结浸润性，可有效防止或减少空洞形成，改善热传导能力。清洗常用的表面活化工艺是通过氧气、氮气或它们的混合气等离子体来完成的。微波半导体器件在烧结前采用等离子体清洗管座，对保证烧结质量十分有效。

 

4.4 引线框架的清洗

 

引线框架在当今的塑封中仍占有相当大的市场份额，其主要采用导热性、导电性、加工性能良好的铜合金材料制作引线框架。但铜的氧化物及其他一些污染物会造成模塑料与铜引线框架分层，并影响芯片粘接和引线键合质量，确保引线框架清洁是保证封装可靠性的关键。研究表明，采用氢氩混合气体，激发频率13.56MHz，能够有效地去除引线框架金属层上的污染物，氢等离子体能够去除氧化物，而氩通过离子化能够促进氢等离子体数量的增加。为了对比清洗效果，J.H.Hsieh把铜引线框架经175℃氧化后，采用两种气体Ar和Ar/H2（1∶4）等离子体清洗，时间分别为2.5min和12min，检测结果表明，引线框架表面氧化物残余量很少，氧的含量为0.1at%。

 

4.5 管座管帽的清洗

 

管座管帽若存放时间较长，表面会有陈迹且可能有污染，先对管座管帽进行等离子体清洗，去除污染，然后封帽，可显著提高封帽合格率。陶瓷封装通常使用金属浆料印制线作键合区、盖板密闭区。在这些材料的表面电镀Ni、Au前，采用等离子清洗，去掉有机物沾污，提高镀层质量。

 

5 结束语

 

在微电子、光电子、MEMS封装方面，等离子技术正广泛应用于封装材料清洗及活化，对解决电子元器件存在的表面沾污、界面状态不稳定、烧结及键合不良等缺陷隐患，提升质量管理和工序控制能力具有可操作性的积极作用，改善材料表面特性，提高封装产品性能，需要选择合适的清洗方式和清洗时间，对提高封装质量和可靠性极为重要。