半导体行业等离子清洗机的应用及其工艺气体选择

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-09-08

等离子清洗机被广泛应用于去除表面污染物和表面活化。等离子清洗技术在半导体行业中的应用可以归纳为四大类：

1．污染物清除2．表面活化：3．表面刻蚀：4．表面交联。

等离子清洗工艺的选择取决于后继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等。通常应用于等离子表面改性的气体有氩气、氧气、氢气、氮气、四氟化碳及其混合气体等等其主要应用及选择见表1。

表一半导体行业等离子清洗工艺的选择及应用

等离子清洗气体	表面处理工艺	应用
氩气（Ar）	表面污染物去除	导线链接
		芯片粘接
	表面交联	表面粘接
氧气（O2）	表面有机污染物去除	芯片粘结
	表面活化	塑料封装
	表面刻蚀	光刻胶去除
氮气（N2）	表面活化	塑料封装
氢气（H2）	金属氧化物去除	导线连接
		芯片粘接
四氟化碳（CF4）和氧气	表面刻蚀	光刻胶去除
六氟化硫（SF6）和氧气		表面有机物去除
		薄膜去除（Sio2、Si3N4）

除氩气等离子清洗工艺以外，很多情况下。等离子清洗工艺是物理作用和化学反应的结合。改性后的材料表面通常对环境比较敏感。随着等离子体处理后时间的增加，材料表面可能失去等离子体工艺所产生的表面的化学和物理特性。

以下就等离子清洗机在半导体行业的各种应用进行探讨：

1．污染物清除(ContaminantsRemovaI)

在半导体产品生产过程中，各种污染物有可能沉积在表面上。通常主要的污染物有氟化物、氧化物及各种有机污染物。氟离子污染通常来源于上游的表面刻蚀工艺。氟离子的存在会攻击金属导线而导致导线强度变弱。氟离子的存在也会影响金属导线与表面的粘结强度。表面氧化物主要来源于金属的氧化。它的存在会影响金属互化物的生存而导致粘结强度变弱或无粘结能力。表面有机污染物主要来源于上游工艺，诸如光刻胶残余物和环氧树脂渗出物。它的存在会使表面失去粘结力，从而导致微弱的导线键合强度和潜在的界面剥离。

通常这些污染物在表面的厚度很薄，只在几个分子级到微米级的厚度等离子体的物理溅射和化学反应能用于去除这些污染物。通过等离子体的物理溅射工艺化学反应工艺或混合的物理化学工艺，基板得以清洗而增强芯片粘结能力(Die Attach)，焊盘(Bond Pads)得以清洗而改善导线键合能力(Wire Bond ability)，界面得以清洗而降低潜在的界面剥离。

例如，以氧气为基本气源的等离子体清洗可以通过下列化学反应非常有效地去除表面有机污染物，诸如环氧树脂残余物。

有机污染物(含c，H，0)+含氧气的等离子体→CO2+CO+H2O(易挥发产物)

反应产物在表面挥发。通过真空系统，反应产物被抽提出真空腔而留下一个干净清洁的表面。

物理溅射等离子体清洗工艺可以用来清除焊盘上的氧化物．实验证实，氩气等离子体清洗过的PBGA基板可以增加24.3％的导线拉力强度。

金属氧化物的存在会成为导线粘结和焊锡再流的障碍。混合的物理化学等离子工艺(氩气和氢气等离子体)能够还原金属氧化物。例如，在氢气等离子体中，通过氢自由基和金属氧化物的反应，氧化铜可以被还原成铜。

CuO+2H*————Cu+H2O

另外，氩气/氢气等离子体还能够通过混合的等离子物理化学作用去除镀金焊盘表面的氧化镍。从而提高导线在焊盘表面的键合能力。

2．表面活化(Surface Actlvation)

在等离子体中，被离解的气体分子，诸如氧气、氢气、氮气和氨气，会与表面发生反应，从而在表面产生不同的化学官能团。这些不同的官能团改变了材料表面的化学特陛。其本身与材料表面形成化学键，同时有能力与胶粘剂形成化学键，从而改善了表面的粘接力。另一方面，表面化学官能团的形成也增加了表面面积，导致表面具有良好的粘结强度。表面化学官能团的类型取决于等离子体气体的选择及表面的本身特性。

在半导体领域．等离子体的表面活化工艺被应用于芯片粘结(Die Attach)的前端处理。由于未处理材料表面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上产生空隙。活化后的表面会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。为芯片粘结提供良好的条件，进而减少空隙形成的可能和改善热传导能力。常见的等离子体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。

在塑料封装(MoIding／Encapsulation)方面，封装材料与电子元件间良好的粘结力是提供半导体装置可靠性和寿命的必要保证。良好的塑料封装提供半导体装置足够的机械强度、优良的抗腐蚀能力、匹配材料在界面间的热膨胀系数。

界面剥离是塑料封装方面最常见的问题之一。它的产生通常是由于表面污染物和氧化物的存在或表面没有活化造成的。它影响了产品的可靠性，因此利用等离子体进行表面活化和污染物清洗来改善界面粘结能力已经成为塑料封装的必需步骤。

已经证实，等离子清洗工艺改善了塑料封装材料与金属导线架、芯片表面之间的粘结能力。

在覆晶封装(FIip Chip)方面，活化后的表面可以促进界面的粘结能力，提高虹吸速度(Wicking Speed)和降低形成空隙的可能性。等离子体处理后的覆晶封装的另一个优点是提高填料边缘高度，从而改善半导体封装的机械强度．降低因材料间不同的热膨胀系数(CTE)而在界面间形成的剪切应力，而提高半导体产品的可靠性和寿命。

3．表面刻蚀(Etching)

等离子技术的另一个主要应用是表面刻蚀。等离子体产生的离子和自由基等活性粒子会选择性地与表面分子反应而产生易挥发产物，导致表面被刻蚀和清洗。等离子表面刻蚀工艺可以通过等离子气源、等离子产生条件优化．在其它材料存在的隋况下．使某些材料被选择性地刻蚀。

等离子表面刻蚀技术中最常用的气体是四氟化碳(CF4)。四氟化碳和氧气混合的等离子体产生大量的化学活性很强的氧自由基、氟自由基和氟氧自由基。这些自由基能够断裂许多材料中的c—c键。气固相反应所产生的易挥发副产物被真空泵系统排出。另一种常用于等离子体刻蚀的气体是六氟化硫(SF6)。

等离子刻蚀在半导体封装领域有广泛的应用，包括光胶去除、薄膜去除、有机复合物去除，以及二氧化硅(SiO)、氮化硅(Si3N4)、砷化镓(GaAs)刻蚀等等。在光电子元件制造领域，等离子体刻蚀已经被用于去除光导纤维外面的有机保护层。

传统的光导纤维由三层材料制成，即中心部分的线芯，次外层的包复层和最外层的有机保护层。线芯由光导材料制成，用于传输光信息；包复层促进光的全反射，减少传输过程中光信号的损失有机保护层用于保护整个光纤。通常，有机保护层材料是Urethane Acrylate聚合物。
光电子工业中的许多应用需要去除这层有机保护层，诸如气密接封，激光二极管引线和光纤Bragg光栅等等。

等离子体刻蚀可以用于去除这层有机保护层。工艺的关键是去除整个有机保护层而保持光纤线芯的固有强度。因此，严格控制有机保护层去除过程，尽量减少光纤线芯被等离子体刻蚀是必需的。

4、表面交联(Crosslinking)

等离子体诱导的表面交联指的是等离子气体诸如氩气和氦气等离子体从表面去除一些原子和产生一些表面自由基。这些等离子体产生的表面自由基并不稳定，会相互结合形成化学键，从而形成交叉链接表面。

氩气等离子体能够有效地溅射出材料表面的部分原子，使表面在纳米级上更加”粗糙”，增加了表面面积。另一方面，氩气等离子处理后的表面产生大量的自由基，这种未饱和的自由基非常活泼，具有与其它分子形成化学键的能力。因此，等离子体诱导的表面交叉链接能够改善表面的粘结能力，改善金属与有机聚合物的粘结力。

以上资料由国产等离子清洗机厂家纳恩科技整理编辑，未经表面处理的材料通常不具备符合粘结的物理和化学特性而需要表面活化，在保证整体材料性质不变的睛况下，等离子清洗工艺实现了固体表面几个分子层的物理或化学改性。等离子清洗机在半导体行业已经具有广泛的应用。