等离子清洗在不同电极板上的效果差异

李凌宇，王玉亮

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

随着芯片制造及集成技术的不断发展，对已经实现的芯片清洗效果提出了更高的要求，以满足其封装以后足够的精度及可靠性[1]。随着电路框架结构尺寸的逐渐缩小，芯片集成对于高质量芯片的需求也在不断提高，然而在整个工艺过程中存在的污染物及污染源一直是一个不可忽视的问题，从环保、清洁程度及其均匀性等因素方面考虑应进一步提高等离子清洗工艺尤其是可塑性较强的箱式等离子清洗设备[2]。同时近几年随着国家对于芯片自主可控的重视，芯片质量、可靠性等关键因素显的格外重要。

1 等离子清洗

1.1 等离子清洗原理

本论文的基础建立在电容(射频或微波均可)耦合所产生的等离子体形成的等离子场，其中的等离子气体电离是通过外部施加的高频电场对气体的加速作用的作用结果。这种状态下会发生辉光放电，其所形成的等离子体中包含正离子、电子、原子及亚稳态的分子等[3]。

当被清洗物体表面与高频电场所激发的等离子体产生相互作用的时候，一方面利用等离子体激活的化学活性物质或者等离子体本身与被清洗(去胶)物体表面的污染物进行相关的化学反应，比如用等离子体中的活性氢与物体表面的氧化物发生还原反应或者等离子体中的活性氧离子或原子与物体材料表面的有机物可以发生氧化反应[4]。等离子体与物体材料表面有机污染物作用，反应过后会把有机污染物分解为二氧化碳、水等通过真空泵或其他设备排出。另一方面的物理作用是通过利用等离子体中的高能粒子对物体材料表面的污染物进行轰击产生作用，比如利用等离子体中的活性氩来清洗物件材料表面的污染物，通过相互轰击使污染物形成具有挥发性的悬浮污染物从而被真空泵或其他设备排出。

在实际生产中使用化学和物理方法同时进行清洗，其清洗速率通常比单独使用物理清洗或化学清洗快。在实际清洗或去胶工艺中，可采用氩气与氢气混合或纯氧气或者氩气与氧气混合的物理化学清洗方法，但考虑到氢气的易爆性，需严格控制混合气体中氢气的含量[5]。

1.2 箱式等离子清洗机

本研究中采用箱式等离子清洗设备进行工艺试验，该设备为低温低压射频等离子清洗设备，其中比较核心的关键等离子清洗原理是基于由真空泵在腔体中抽出的真空低压状态下，利用射频或微波源激发形成的高压交变电场将氧气或氩气等工艺气体高速运动及震荡成对应的等离子体，与物体材料表面的微颗粒污染物或者有机污染物进行物理碰撞或者发生化学反应，进而形成挥发性物质，最后再由真空泵将这些易挥发性的物质排出腔体外部，从而达到清洁及活化物体材料表面的目的。其最大特点是可实现整体和局部以及复杂结构的清洗，该设备操作简单，单次可清洗数量比较大，又无废液，污染源产生[6]。其结构如图1所示，清洗工艺流程如图2所示。

图1 箱式等离子清洗机

图2 等离子清洗工艺流程

2 电极板在等离子清洗中的作用

打开反应仓，安装有若干电极板(亦有样品托盘的作用)。在反应仓的后部安装有两个铜电极，其中左边为负极，右边为正极。每个电极条上有输出端与仓体侧壁的铝支撑对应。电极板能够充当反应电极是建立在其上面的插头与对应铜电极相连接实现的，电极条选择插入左边或者右边能够决定该电极架为正极或者为负极。本设备提供的清洗模式为直接等离子体模式。采用正、负电极相间隔放置的模式称为直接等离子体模式，这种模式的配置下所有的正负离子都会在两极流通而过且不会被彼此隔离，属于较强轰击性的方式。待清洗的物体可放在正极上也可放在负极上，通过实验也可以发现当待清洗的物体放在正极上时为较为强烈的清洗(去胶)方式。本论文中实验亦可以验证当样本放在正极板上的清洗效果更好，同时对于更改电极板结构对清洗的结果会产生一定的影响。

3 等离子清洗实验

3.1 实验材料

主要材料是方便测量等离子清洗后水滴角的带膜不锈钢方片(如图3所示)，用来做清洗实验的三种不同类型的电极板分别为小孔、无孔和大孔(涉及设备具体结构，此处就不展示图片)。

图3 不锈钢方片实物图

3.2 清洗实验

本次试验采用芬兰产的THETA型号接触角测试仪对实验材料进行水滴角的测量。通过更改不同射频功率，不同氧气流量，不同射频时间，不同电极板等变量进行近百组实验得到的不锈钢方片清洗前后对比如图4。

图4 清洗前后接触角实验对比示意图

通过改变射频时间，射频功率以及电极板类型对一百多个不锈钢方片进行了清洗前后的接触角测试，效果如图5，图6。

图5 相同参数不同电极板的清洗效果对比

图6 相同参数同一电极板正负极清洗效果对比

3.3 实验结论

1) 在同一正极板上的同一个位置上大孔和小孔的清洗效果相差无几。

2) 在大孔电极板上左右两侧的清洗效果要好于中间位置，而在小孔电极板上的趋势不太明显。

3) 在相同条件下不同电极板的正极清洗效果要好于负极，在无孔电极板上的表现最明显。

4) 无孔电极板的清洗效果不如其他两种电极板，因此在结构设计中可以优先排除这种设计思路。

4 结语

通过对箱式等离子清洗机不同电极板上不锈钢方片清洗效果的水滴角实验可以更为直观地接触到射频电源产生的等离子场在腔体内的分布情况，从而可以更具针对性的对电极板进行改进以提高清洗或去胶的均匀性，适应更高的工艺要求，增大箱式等离子清洗机在半导体行业中的应用范围，推动行业更快发展。