等离子体清洗的应用及优势

电子光学工业生产中的清理是一个很广的定义，包含一切与除去污染物质相关的加工工艺。通常就是指在没有毁坏产品的表面特点及电特点的条件下，合理地消除残余在原材料上的浮尘、金属离子及有机化合物残渣。现阶段已广泛运用的物理学清理方式，大概可分成两大类：干法清理和干式清理。

　　干法清理在目前的电子光学清理加工工艺中还占有主导性。可是从对自然环境的危害、原料的损耗及发展方向上看，干式清理要明显好于干法清理。

　　干式清理中发展较快、优点显著的是等离子清理，等离子清理已逐渐在半导体器件、电子光学封装形式、精密的机器设备等职业逐渐广泛运用。

　　2等离子清理

　　2.1等离子清理的原理

　　等离子是一部分水解的汽体，是成分最常见的固态、液态、汽态之外的第四态。等离子由电子器件、正离子、氧自由基、光量子及其别的中性化颗粒构成。因为等离子中的电子器件、正离子和氧自由基等活力颗粒的存有，其自身非常容易与固态表层产生反映。

　　图1简易叙述了可以清理的原理，主要是借助等离子中活力颗粒的“活性功效”做到除去物件表层污垢的目地。就反映原理看来，等离子清理通常包含下列全过程：有机物汽体被激起为等离子态；气相色谱成分被粘附在液体表层；被吸咐官能团与固态表层分子结构反映转化成物质分子结构；物质分子结构分析产生气相色谱；反映残余物摆脱表层。

　　等离子清洁技术性的最大的特征不是分解决目标的板材种类，均可开展解决，对金属材料、半导体材料、金属氧化物和绝大多数纤维材料，如聚丙稀、聚酯、聚丙烯腈、聚氯乙烷、环氧树脂、乃至聚四氟乙烯等都能有效地解决，并可完成总体和部分及其繁杂构造的清理。

等离子清理还具备下列一些特性：非常容易选用数控加工技术，自动化技术水平高；具备高精密的调节设备，時间操纵的精密度很高；恰当的等离子清理不容易在表层造成损害层，表层质量获得确保；因为是在真空泵中开展，不环境污染，确保清理外表不被二次污染。

　　2.2等离子清理归类

　　2.2.1反应类型归类

　　等离子与固态表层产生反映可以分成物理反应（离子轰击）和化学变化。物理反应体制是活力颗粒负电子待清理表层，使污渍摆脱表层最后被机械泵抽走；化学变化体制是各种各样生物的颗粒和污染物质反映转化成易挥发物的成分，再由机械泵抽走挥发物的成分。

　　以物理反应为主导的等离子清理，也称为磁控溅射浸蚀（SPE）或离子铣（IM），其特点取决于自身不产生化学变化，清理表层不容易留有一切的金属氧化物，可以维持被清理物的有机化学纯粹性，浸蚀功效各种各样；缺陷便是对表层造成了非常大的危害，会造成较大的热电效应，对被清洁表层的多种不一样成分可选择性差，浸蚀速率较低。以化学变化为主导的等离子清理的特点是清理速率较高、可选择性好、对消除有机化学污染物质较为合理，缺陷是会在表层造成金属氧化物。和物理反应相较为，化学变化的缺陷不容易摆脱。而且二种反映体制对表层外部经济外貌导致的不良影响有明显不一样，物理反应可以使表层在分子结构级范畴内显得更为“不光滑”，进而更改表层的粘结特点。也有一种等离子清理是表面反应体制中物理反应和反应都起主要功效，即反映正离子浸蚀或反映电子束浸蚀，二种清理可以相互促进，离子轰击使被清洁表层造成损害消弱其离子键或是产生分子态，非常容易消化吸收反映剂，正离子撞击使被清理物加温，使之更易于造成反映；其实际效果是不仅有不错的可选择性、清理率、匀称性，又有不错的专一性。

　　典型性的等离子体物理清理加工工艺是氩气瓶等离子清理。氩气瓶自身是稀有气体，等离子的氩气瓶不和表层产生反映，反而是根据离子轰击使表层清理。典型性的等离子化学水处理加工工艺是o2等离子清理。根据等离子造成的自由基十分开朗，非常容易与氮氧化合物产生反映，造成二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发性有机物，进而除去表层的污染物质。

　　2.2.2激起工作频率归类

　　等离子态的硬度和激起次数有如下所示关联：

　　nc=1.2425×108v2

　　在其中nc为等离子态相对密度（cm-3），v为激起工作频率（Hz）。激起工作频率与等离子态相对密度。

　　常见的等离子激起次数有三种：激起工作频率为40kHz的等离子为超声波等离子，13.56MHz的等离子为微波射频等离子，2.45GHz的等离子为微波加热等离子。

　　不一样等离子造成的自偏压不一样，如下图3所显示[2]。超声波等离子的自偏压为1000V上下，微波射频等离子的自偏压为250V上下，微波加热等离子的自偏压很低，仅有几十伏，并且三种等离子的体制不一样。超声波等离子产生的反映为物理反应，微波射频等离子产生的反映不仅有物理反应又有化学变化，微波加热等离子产生的反映为化学变化。超声波等离子清理对被清理表层造成的危害较大，因此具体半导体材料生产制造运用中大部分选用微波射频等离子清理和微波加热等离子清理。

　　3在封装形式加工工艺中的运用

　　在电子光学封装形式的生产过程中，因为手指纹、助焊膏、各种各样交叉式环境污染、当然空气氧化等，元器件和原材料表层会产生各种各样脏污，包含有机化合物、环氧树脂胶、光刻技术、焊接材料、金属盐等。这种脏污会显著地危害封装形式生产过程中的有关加工工艺品质。应用等离子清理可以非常容易消除掉生产过程中所产生的这种分子结构能力的环境污染，确保产品工件表层分子与将要粘附材料的分子中间密切触碰，进而合理地提升键合线抗压强度，改进集成ic粘合品质，降低封装形式漏汽率，提升电子器件的特性、良品率和稳定性。中国某企业在铝丝键合前选用等离子清理后，引线键合良品率提升10％，引线键合抗压强度一致性也是有提升。

　　在电子光学封装形式中，等离子清理加工工艺的选取决定后面加工工艺对原材料表层的规定、原材料表层的原来特点、有机化学构成及其污染物质的特性等。通常运用于等离子清理的空气有氩气瓶、o2、氡气、四氟化碳以及混合气等。表1列举了可以清理加工工艺的挑选及运用。

　　3.1等离子清理铝键合服

　　电子器件键合区的品质对集成电路工艺的稳定性具有十分关键的功效。封装形式做为元器件和电子控制系统中间的唯一联接，键合区务必无污染物质和具备较好的引线键合特点。污染物质（如金属氧化物和有机化学沉渣）会比较严重消弱键合区的粘合特性，而传统化的湿式清理对键合服的污染物质清除不完全或是不可以除去。研究表明，选用等离子清理可以有效的祛除键合区的表层脏污物，提升键合区的粘结性。

　　Y.F.Chong在探讨中选用Ar/H2（激起工作频率为13.56MHz）等离子清理键合区[3]。等离子态汽体和污染物质反映转化成挥发物的汽体（如 CO2和H2O），随后由超滤装置抽走这种汽体。清理后选用俄歇电子能谱仪（AES）、X光电子器件能谱仪（XPS）和扫描仪透射电镜（SEM）对键合服表层开展检验，检验结果显示金属氧化物脏污的成分大幅度降低，可是对键合服周边的钝化层也导致了非常大的损害。

　　科学研究结果显示[3]，等离子清理5min后，可以留意到铝键合服表层的形状拥有完全的转变。表层上结晶体构造的逐渐转变伴随着等离子清理時间提升，键合区的可粘合性拥有非常大的提升。这也是因为粘合性是在于表层结晶体构造的硬度和相对高度。据推断这种结晶体构造全是由氯化物构成的，氟来自上下游CF4/O2等离子离子注入钝化层的加工工艺。这种结晶体构造根据阻拦金属材料间化学物质的产生来消弱键合区和擅木联接时的粘结性。增加清理時间的负面影响是，Si3N4钝化层的晶体展现出针状和纤维，而完好无损钝化层的晶体是光滑的大晶体。图4所显示的是在Ar/H2等离子清理环节中，键合区表层氧分子浓度值的转变。通过1min的清理，氧的成分拥有明显的降低，2~5min清理后氧的转变轻缓。氧含量的降低表明了在冲洗环节中有很多金属氧化物和氧氯化物从键合区表层磁控溅射出去。氧含量的降低也表明了键合区的粘结性提高了。

　　3.2等离子清理对基材焊层的危害

　　键合线是基材和集成ic中间的关键接口方式之一，在电子光学封装形式中，基材和集成ic中间有大批量的键合线。除开导线丝品质、超声波动能、時间、工作压力和气温对键合线造成危害外，基材上焊层的表层特点对其也是有至关重要的危害。基材焊层上的污染物质（如金属氧化物和氮氧化合物）会减少表层质量和显著地减少键合线的通过率，弥漫于环境中的环境污染成分做到1g/m3便会巨大地危害键合线的抗压强度。因而在键合线前清理焊层表层是十分关键的。

　　目前的一些科学研究选用二种不一样体制的等离子清理和不一样的全过程主要参数，对清理前后左右的样本开展比照[4]。对焊层开展表层清理后，把表面张力做为考量表层质量的一个关键规范；选用焊球剪切应力检测和导线抗拉力检测来点评等离子清理的实际效果；选用俄歇电子能谱仪（AES）对焊层开展进一步剖析。

　　表面张力方式广泛运用于考量表层的侵润特点，表面张力低于90°的表层是侵润表层，超过90°的表层不是侵润表层。具备较高表面的固态是亲水性的，表层是侵润表层；相反，具备较低表面的固态表层不是侵润表层。大部分有机物污染物质是憎水性的，因此可以选用精确测量表面张力做为考量焊层表层洁净度的方式。研究表明，未完成过等离子清洗的试品表面张力为68°；表层开展过化学变化体制等离子清理的试品的表面张力为17°上下；而表层开展过物理反应体制等离子清理过的试品的表面张力为28°[4]。得知化学变化体制等离子清理的试品表层更为清理一些。

　　焊球剪切应力检测是点评焊球键合最立即的方式。研究表明，通过化学变化体制清理（Ar/H2，激起工作频率为2.45GHz）的试品具备较大的焊球剪切强度。特别注意的是，通过物理反应体制等离子清理的焊层的焊球剪切强度比未通过清理的焊层的抗压强度要低。发生这种情况的缘故是在清理环节中磁控溅射颗粒再堆积在焊层表层导致了“二次污染”。

　　J.M.Nowful等人科学研究了物理反应体制等离子清理中的再堆积状况，对通过清理但未键合线的焊层表层开展俄歇电子能谱仪（AES）剖析。剖析结果显示，通过等离子清理的样本都可以很好地除去有机物污染物质。可是在通过物理反应体制等离子清理的试品中，发觉了新的污染物质如Ag和Cu，这种原素是由从别的部位磁控溅射出去的颗粒堆积在焊层表层生成的，进而减少了键合线抗压强度[4]。

　　3.3等离子清理铜柔性线路板

　　柔性线路板封装形式仍是如今封装形式的流行，合金铜因为具备较好的传热性能、电气性能、生产加工特性及其较低的价钱被作为关键的柔性线路板原材料。可是铜的金属氧化物和别的的一些有害物质会导致模塑胶与铜柔性线路板分层次，减少元件的稳定性，从而危害到集成ic粘合和键合线的品质。因而维持柔性线路板的清理是确保封装形式稳定性关键的一步。

　　研究表明[5]，选用氢氩混合气（激起工作频率为13.56MHz），可以很好地除去柔性线路板金属材料层上的污染物质。在冲洗全过程中氢等离子可以除去金属氧化物，而氩根据离子化可以推动氢等离子总数的提升。

　　为了更好地比照清理实际效果，J.H.Hsieh把铜柔性线路板在175℃空气氧化后开展等离子清理，选用二种汽体Ar和Ar/H2（1：4），清理時间各自为 2.5min和12min。检验结果显示，柔性线路板通过清理后表层金属氧化物残留量非常少。通过氩氢混合气清理后的柔性线路板氧的成分为0.1at%，通过氩清理的柔性线路板氧的成分为0.3at%。

　　实验结果显示，空气氧化時间的提高会减少抗拉力。金属氧化物薄厚的增加也会减少键合线区上键合丝的抗拉力。当柔性线路板通过预空气氧化和等离子清理后，抗拉力获得了大幅的提升，尤其是通过Ar等离子清理2.5min的试品提升更为显著。以上結果的一个很有可能的表述是，氩等离子磁控溅射提升了表层的细微表面粗糙度，进而使物理性能提高和扩大了化学变化的面积。可以用原子力显微镜（AFM）观查表明的外貌和微表面粗糙度。通过氩等离子清理，短期内清理后表层十分明显地变不光滑了，长期的清理后表层越来越光洁。而选用氩氢等离子清理，表层的外貌不产生变化，而且時间不对其造成危害，这可以表述为何氩氢等离子清理对抗拉力沒有明显的危害。

　　氩氢和氩等离子清理結果有这么大的区别是因为清理体制的不一样。当氩做为工作中汽体的情况下，除去金属氧化物关键靠外表的磁控溅射；而氢等离子引进了氧和氢中间的化学变化，因此表层外貌转变并不大。有关氩等离子清理后抗拉力的提高另一个很有可能的表述是因为残留的金属氧化物的危害，假如金属氧化物层的薄厚低于25nm时可以提高模塑胶与柔性线路板的黏附。试验表明薄空气氧化层对抗拉力的危害并不是非常大，对抗拉力危害较大的要素是来自氩正离子磁控溅射产生的微表面粗糙度的提升。

　　3.4陶瓷封装电镀工艺前等离子清理

　　陶瓷封装中通常采用金属材料料浆印刷线作键合服、后盖板密封性区。在那些原材料的表层电镀工艺Ni、Au前选用等离子清理，可除掉有机化合物脏污，明显增强涂层品质。

　　4结果

　　干法清理尽管在目前的半导体封装形式制造中占有首要影响力，可是其产生的条件及其原材料耗费问题不可忽视。而做为干式清理中最有发展前景的等离子清理，则具备不区分原材料种类均可开展清理、清理性价比高、对周围环境污染小等优势。等离子清洁工艺在电子光学封装形式中具备普遍的运用，适用于除去表层废弃物和表层离子注入等，加工工艺的选取在于之后加工工艺对原材料表层的规定、原材料表层的原来特点、有机化学构成及其表层污染物质特性。将等离子清理引进电子光学封装形式中，可以明显改进封装形式品质和稳定性。可是选用不一样的加工工艺，对键合特点、柔性线路板的特性等的不良影响有较大差别。比如，对铝键合服选用氩氢等离子清理一段时间后，键合区的粘合特性有明显增强，可是太长的时间段也会对钝化层产生危害；对焊层选用物理反应体制等离子清理会导致“二次污染”，反倒减少了焊层的表层特点；对铜柔性线路板选用二种不一样体制的等离子清洗，抗拉力检测的結果有较大差别。因而，挑选适宜的冲洗方法和清理時间，对提升封装形式品质和稳定性是十分关键的。

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