半導(dǎo)體行業(yè)等離子清洗機的應(yīng)用及其工藝氣體選擇

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-09-08

等離子清洗機被廣泛應(yīng)用于去除表面污染物和表面活化。等離子清洗技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用可以歸納為四大類：

1．污染物清除2．表面活化：3．表面刻蝕：4．表面交聯(lián)。

等離子清洗工藝的選擇取決于后繼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)等等。通常應(yīng)用于等離子表面改性的氣體有氬氣、氧氣、氫氣、氮氣、四氟化碳及其混合氣體等等其主要應(yīng)用及選擇見表1。

表一半導(dǎo)體行業(yè)等離子清洗工藝的選擇及應(yīng)用

等離子清洗氣體	表面處理工藝	應(yīng)用
氬氣（Ar）	表面污染物去除	導(dǎo)線鏈接
		芯片粘接
	表面交聯(lián)	表面粘接
氧氣（O2）	表面有機污染物去除	芯片粘結(jié)
	表面活化	塑料封裝
	表面刻蝕	光刻膠去除
氮氣（N2）	表面活化	塑料封裝
氫氣（H2）	金屬氧化物去除	導(dǎo)線連接
		芯片粘接
四氟化碳（CF4）和氧氣	表面刻蝕	光刻膠去除
六氟化硫（SF6）和氧氣		表面有機物去除
		薄膜去除（Sio2、Si3N4）

除氬氣等離子清洗工藝以外，很多情況下。等離子清洗工藝是物理作用和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合。改性后的材料表面通常對環(huán)境比較敏感。隨著等離子體處理后時間的增加，材料表面可能失去等離子體工藝所產(chǎn)生的表面的化學(xué)和物理特性。

以下就等離子清洗機在半導(dǎo)體行業(yè)的各種應(yīng)用進行探討：

1．污染物清除(ContaminantsRemovaI)

在半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，各種污染物有可能沉積在表面上。通常主要的污染物有氟化物、氧化物及各種有機污染物。氟離子污染通常來源于上游的表面刻蝕工藝。氟離子的存在會攻擊金屬導(dǎo)線而導(dǎo)致導(dǎo)線強度變?nèi)?。氟離子的存在也會影響金屬導(dǎo)線與表面的粘結(jié)強度。表面氧化物主要來源于金屬的氧化。它的存在會影響金屬互化物的生存而導(dǎo)致粘結(jié)強度變?nèi)趸驘o粘結(jié)能力。表面有機污染物主要來源于上游工藝，諸如光刻膠殘余物和環(huán)氧樹脂滲出物。它的存在會使表面失去粘結(jié)力，從而導(dǎo)致微弱的導(dǎo)線鍵合強度和潛在的界面剝離。

通常這些污染物在表面的厚度很薄，只在幾個分子級到微米級的厚度等離子體的物理濺射和化學(xué)反應(yīng)能用于去除這些污染物。通過等離子體的物理濺射工藝化學(xué)反應(yīng)工藝或混合的物理化學(xué)工藝，基板得以清洗而增強芯片粘結(jié)能力(Die Attach)，焊盤(Bond Pads)得以清洗而改善導(dǎo)線鍵合能力(Wire Bond ability)，界面得以清洗而降低潛在的界面剝離。

例如，以氧氣為基本氣源的等離子體清洗可以通過下列化學(xué)反應(yīng)非常有效地去除表面有機污染物，諸如環(huán)氧樹脂殘余物。

有機污染物(含c，H，0)+含氧氣的等離子體→CO2+CO+H2O(易揮發(fā)產(chǎn)物)

反應(yīng)產(chǎn)物在表面揮發(fā)。通過真空系統(tǒng)，反應(yīng)產(chǎn)物被抽提出真空腔而留下一個干凈清潔的表面。

物理濺射等離子體清洗工藝可以用來清除焊盤上的氧化物．實驗證實，氬氣等離子體清洗過的PBGA基板可以增加24.3％的導(dǎo)線拉力強度。

金屬氧化物的存在會成為導(dǎo)線粘結(jié)和焊錫再流的障礙?；旌系奈锢砘瘜W(xué)等離子工藝(氬氣和氫氣等離子體)能夠還原金屬氧化物。例如，在氫氣等離子體中，通過氫自由基和金屬氧化物的反應(yīng)，氧化銅可以被還原成銅。

CuO+2H*————Cu+H2O

另外，氬氣/氫氣等離子體還能夠通過混合的等離子物理化學(xué)作用去除鍍金焊盤表面的氧化鎳。從而提高導(dǎo)線在焊盤表面的鍵合能力。

2．表面活化(Surface Actlvation)

在等離子體中，被離解的氣體分子，諸如氧氣、氫氣、氮氣和氨氣，會與表面發(fā)生反應(yīng)，從而在表面產(chǎn)生不同的化學(xué)官能團。這些不同的官能團改變了材料表面的化學(xué)特陛。其本身與材料表面形成化學(xué)鍵，同時有能力與膠粘劑形成化學(xué)鍵，從而改善了表面的粘接力。另一方面，表面化學(xué)官能團的形成也增加了表面面積，導(dǎo)致表面具有良好的粘結(jié)強度。表面化學(xué)官能團的類型取決于等離子體氣體的選擇及表面的本身特性。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域．等離子體的表面活化工藝被應(yīng)用于芯片粘結(jié)(Die Attach)的前端處理。由于未處理材料表面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上產(chǎn)生空隙?；罨蟮谋砻鏁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。為芯片粘結(jié)提供良好的條件，進而減少空隙形成的可能和改善熱傳導(dǎo)能力。常見的等離子體表面活化工藝是通過氧氣、氮氣或它們的混合氣等離子體來完成的。

在塑料封裝(MoIding／Encapsulation)方面，封裝材料與電子元件間良好的粘結(jié)力是提供半導(dǎo)體裝置可靠性和壽命的必要保證。良好的塑料封裝提供半導(dǎo)體裝置足夠的機械強度、優(yōu)良的抗腐蝕能力、匹配材料在界面間的熱膨脹系數(shù)。

界面剝離是塑料封裝方面最常見的問題之一。它的產(chǎn)生通常是由于表面污染物和氧化物的存在或表面沒有活化造成的。它影響了產(chǎn)品的可靠性，因此利用等離子體進行表面活化和污染物清洗來改善界面粘結(jié)能力已經(jīng)成為塑料封裝的必需步驟。

已經(jīng)證實，等離子清洗工藝改善了塑料封裝材料與金屬導(dǎo)線架、芯片表面之間的粘結(jié)能力。

在覆晶封裝(FIip Chip)方面，活化后的表面可以促進界面的粘結(jié)能力，提高虹吸速度(Wicking Speed)和降低形成空隙的可能性。等離子體處理后的覆晶封裝的另一個優(yōu)點是提高填料邊緣高度，從而改善半導(dǎo)體封裝的機械強度．降低因材料間不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)而在界面間形成的剪切應(yīng)力，而提高半導(dǎo)體產(chǎn)品的可靠性和壽命。

3．表面刻蝕(Etching)

等離子技術(shù)的另一個主要應(yīng)用是表面刻蝕。等離子體產(chǎn)生的離子和自由基等活性粒子會選擇性地與表面分子反應(yīng)而產(chǎn)生易揮發(fā)產(chǎn)物，導(dǎo)致表面被刻蝕和清洗。等離子表面刻蝕工藝可以通過等離子氣源、等離子產(chǎn)生條件優(yōu)化．在其它材料存在的隋況下．使某些材料被選擇性地刻蝕。

等離子表面刻蝕技術(shù)中最常用的氣體是四氟化碳(CF4)。四氟化碳和氧氣混合的等離子體產(chǎn)生大量的化學(xué)活性很強的氧自由基、氟自由基和氟氧自由基。這些自由基能夠斷裂許多材料中的c—c鍵。氣固相反應(yīng)所產(chǎn)生的易揮發(fā)副產(chǎn)物被真空泵系統(tǒng)排出。另一種常用于等離子體刻蝕的氣體是六氟化硫(SF6)。

等離子刻蝕在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，包括光膠去除、薄膜去除、有機復(fù)合物去除，以及二氧化硅(SiO)、氮化硅(Si3N4)、砷化鎵(GaAs)刻蝕等等。在光電子元件制造領(lǐng)域，等離子體刻蝕已經(jīng)被用于去除光導(dǎo)纖維外面的有機保護層。

傳統(tǒng)的光導(dǎo)纖維由三層材料制成，即中心部分的線芯，次外層的包復(fù)層和最外層的有機保護層。線芯由光導(dǎo)材料制成，用于傳輸光信息；包復(fù)層促進光的全反射，減少傳輸過程中光信號的損失有機保護層用于保護整個光纖。通常，有機保護層材料是Urethane Acrylate聚合物。
光電子工業(yè)中的許多應(yīng)用需要去除這層有機保護層，諸如氣密接封，激光二極管引線和光纖Bragg光柵等等。

等離子體刻蝕可以用于去除這層有機保護層。工藝的關(guān)鍵是去除整個有機保護層而保持光纖線芯的固有強度。因此，嚴(yán)格控制有機保護層去除過程，盡量減少光纖線芯被等離子體刻蝕是必需的。

4、表面交聯(lián)(Crosslinking)

等離子體誘導(dǎo)的表面交聯(lián)指的是等離子氣體諸如氬氣和氦氣等離子體從表面去除一些原子和產(chǎn)生一些表面自由基。這些等離子體產(chǎn)生的表面自由基并不穩(wěn)定，會相互結(jié)合形成化學(xué)鍵，從而形成交叉鏈接表面。

氬氣等離子體能夠有效地濺射出材料表面的部分原子，使表面在納米級上更加”粗糙”，增加了表面面積。另一方面，氬氣等離子處理后的表面產(chǎn)生大量的自由基，這種未飽和的自由基非?；顫?，具有與其它分子形成化學(xué)鍵的能力。因此，等離子體誘導(dǎo)的表面交叉鏈接能夠改善表面的粘結(jié)能力，改善金屬與有機聚合物的粘結(jié)力。

以上資料由國產(chǎn)等離子清洗機廠家納恩科技整理編輯，未經(jīng)表面處理的材料通常不具備符合粘結(jié)的物理和化學(xué)特性而需要表面活化，在保證整體材料性質(zhì)不變的睛況下，等離子清洗工藝實現(xiàn)了固體表面幾個分子層的物理或化學(xué)改性。等離子清洗機在半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用。