摘要： 微波等離子清洗作為一種綠色無(wú)污染的高精密干法清洗方式， 可以有效去除表面污染物，避免靜電損傷。簡(jiǎn)述了微波等離子清洗的原理及特點(diǎn)，介紹了設(shè)備的構(gòu)成、清洗工藝和模式，對(duì)微波導(dǎo)入和微波源與負(fù)載的匹配兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；通過工藝驗(yàn)證，微波等離子清洗降低了接觸角度，提高了引線鍵合強(qiáng)度。
在集成電路的制程中，會(huì)產(chǎn)生許多種類的污染物，包括氟化樹脂、氧化物、環(huán)氧樹脂、焊料、光刻蝕劑等，這些污染物將嚴(yán)重影響集成電路及其元器件的可靠性和合格率。等離子清洗作為一種能有效去除表面污染物的工藝技術(shù)被廣泛應(yīng)用于集成電路的制程中。
隨著工藝技術(shù)水平的不斷提高，集成電路的規(guī)模和復(fù)雜程度越來越高，生產(chǎn)中采用的新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)等離子清洗技術(shù)在去除表面污染物的同時(shí)卻不能有效避免靜電損傷。在日常工作中，個(gè)人身體所帶的靜電勢(shì)在1~2kV的區(qū)間內(nèi)，人體一般無(wú)法察覺到這個(gè)電壓范圍內(nèi)的靜電，但敏感的集成電路卻無(wú)法承受這個(gè)水平的靜電電壓而受到損傷，并且90%的靜電損傷是無(wú)法檢測(cè)，只有在使用時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，這就嚴(yán)重影響集成電路的成品率和可靠性，這對(duì)于敏感電路來說卻是不允許的，基于這個(gè)工藝要求，在清洗工藝中去除污染物的同時(shí)避免靜電損傷就顯得尤為重要。本文針對(duì)集成電路制程需求，充分利用現(xiàn)有成熟等離子清洗技術(shù)，重點(diǎn)介紹了微波等離子清洗機(jī)及工藝驗(yàn)證。
1 微波等離子清洗原理及特點(diǎn)
等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)（被稱為物質(zhì)的第四態(tài)），是由原子，電子，分子，離子或自由基組合而成，等離子清洗就是通過物理、化學(xué)作用對(duì)被清洗物表面進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)去除分子水平污染物的一種工藝過程，同時(shí)也可提高其表面活性。
1.1微波等離子發(fā)生原理
微波等離子是由工作頻率為2.45GHz的微波激發(fā)工藝氣體放電,在正負(fù)極磁場(chǎng)作用下的諧振腔體內(nèi)產(chǎn)生等離子體，該諧振腔體位于反應(yīng)倉(cāng)體旁邊，磁控管連接微波發(fā)生器，因?yàn)檎麄€(gè)放電過程不需要正負(fù)電極，所以產(chǎn)生自偏壓極小，從根本上避免了靜電放電損傷。等離子體激發(fā)頻率和自偏壓的關(guān)系如圖1所示。
1.2微波等離子清洗特點(diǎn)
微波等離子清洗與傳統(tǒng)濕法清洗相比，不需要使用大量的酸、堿、有機(jī)溶劑等，不會(huì)給環(huán)境帶來任何污染，有利于環(huán)保和人員安全，同時(shí)該清洗技術(shù)的均勻性、重復(fù)性和可控性非常好，具有三維處理能力，可以進(jìn)行方向選擇。微波等離子清洗與低頻或射頻放電產(chǎn)生的等離子體相比，它的特點(diǎn)是沒有正負(fù)電極，自偏壓很小，不會(huì)產(chǎn)生放電污染，有效防止靜電損傷；等離子密度高，生產(chǎn)效率高；離子運(yùn)動(dòng)沖擊小，不會(huì)產(chǎn)生UV（紫外線）輻射，尤其適用于一些敏感電路的制程清洗。
2 微波等離子清洗機(jī)
本研究對(duì)象是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所自主研發(fā)的DQX-310微波等離子清洗機(jī)，設(shè)備結(jié)構(gòu)由五部分組成：外殼框架系統(tǒng)、微波放電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該設(shè)備控制方式為工控機(jī) PLC，操作方式包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下將不同工藝參數(shù)按照配方方式管理，可同時(shí)存儲(chǔ)50組不同的配方。設(shè)備設(shè)計(jì)有工作氣體耗盡報(bào)警、壓縮空氣壓力低于設(shè)定值報(bào)警、泵熱過載報(bào)警、反應(yīng)倉(cāng)泄露率過大報(bào)警等安全功能。圖2為設(shè)備組成示意圖及實(shí)物照片。
2.1工藝流程及參數(shù)
微波等離子清洗工藝流程及其工藝參數(shù)決定著清洗質(zhì)量，工藝流程包括抽真空、充放工藝氣體、輝光放電、凈化和平衡，工藝參數(shù)包括放電功率、氣體種類、氣體流量和輝光放電時(shí)間，不同的工藝參數(shù)設(shè)置直接影響微波等離子體清洗效果，因此針對(duì)不同的清洗對(duì)象和制程要求應(yīng)該設(shè)置適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)以便進(jìn)行清洗。根據(jù)我所在射頻等離子清洗方面多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)制定微波等離子清洗工藝流程圖，如圖3所示。
2.2清洗模式設(shè)計(jì)
集成電路制程中不同的工藝過程會(huì)使用不同的物料盒來存放工件，主要分為半封閉式和敞開式的物料盒，這就要求清洗機(jī)有很好的兼容性，因此我們?cè)谖⒉ǖ入x子清洗機(jī)中設(shè)計(jì)了三種清洗模式，分別是ECR模式，順流模式和旋轉(zhuǎn)模式，可通過觸摸屏進(jìn)行切換，其中旋轉(zhuǎn)清洗和ECR清洗模式適用于敞開式的物料盒，順流清洗模式適用于半封閉的物料盒，同時(shí)清洗模式的不同對(duì)反應(yīng)腔體的真空度要求也不一樣，關(guān)系如圖4所示，ECR清洗模式所需的真空度要求更低，相比另外兩種模式效果更好，去除污染物的能力更強(qiáng)。
3 關(guān)鍵技術(shù)與解決方案
3.1微波導(dǎo)入
微波導(dǎo)入是通過放電的形式將微波能量轉(zhuǎn)移到工藝氣體分子上，同時(shí)促使氣體電離從而產(chǎn)生等離子體的一種過程，其放電的效率直接影響著清洗質(zhì)量。微波放電的原理分為矩形波導(dǎo)管電場(chǎng)放電法和空腔諧振器耦合法兩種，考慮到放電效率，我們選擇采用空腔諧振器耦合法來進(jìn)行微波導(dǎo)入?？涨恢C振器耦合放電法的原理是選擇在空腔諧振器電磁感應(yīng)最強(qiáng)的位置加工一個(gè)圓形孔洞，把放電管安裝在這個(gè)圓孔上，這樣做是可以使空腔諧振器的電場(chǎng)方向和放電管的方向平行，通過安裝在諧振器末端的短路器來調(diào)整其長(zhǎng)度。同時(shí)在放電管的外部安裝一段保護(hù)管，可以避免微波從圓孔和放電管的縫隙中泄露。為了提高放電管的耐熱強(qiáng)度，我們選擇了熱損耗極小的石英管或者是氧化鋁管。
3.2負(fù)載與微波源的匹配
與射頻等離子清洗的匹配性相比,微波等離子清洗機(jī)的匹配性更加困難,主要由于微波反饋過程中,如果不能精確的進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié),微波源將很容易造成損傷。所以說精確的匹配性調(diào)節(jié)是獲得優(yōu)良清洗效果的必要條件。微波源配備合適的匹配系統(tǒng)可以根據(jù)清洗腔體及產(chǎn)品等清洗條件的不同進(jìn)行負(fù)載阻抗自動(dòng)調(diào)節(jié)，使清洗效果及一致性達(dá)到最佳。
隔離器是一種降低負(fù)載變動(dòng)防止反射波對(duì)磁控管影響的元器件，可以將負(fù)載的變動(dòng)導(dǎo)致的磁控管輸出功率和發(fā)振頻率的變化幅度抑制在一定范圍內(nèi)，減少磁控管收到反射波的影響，延長(zhǎng)微波源及磁控管的使用壽命。將“隔離器”接入到微波傳輸線中，可以使入射波通過后幾乎無(wú)衰減，而利用模擬負(fù)載使反射波在旋轉(zhuǎn)90°之后被吸收掉。尤其是在負(fù)載條件不穩(wěn)定的情況下，能夠有效避免微波源及磁控管遭受反射損傷。
4 工藝驗(yàn)證
集成電路制程工藝中鍵合失效是主要原因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有30%的產(chǎn)品失效來源于鍵合缺陷，嚴(yán)重影響集成電路的可靠性。微波等離子清洗可有效去除鍵合區(qū)的污染物，提升鍵合質(zhì)量，因此我們選擇集成電路引線鍵合前的清洗來驗(yàn)證微波等離子清洗效果。實(shí)驗(yàn)選用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所研制的DQX-310微波等離子清洗機(jī)、THETA接觸角測(cè)試儀和DAGE-SERIES-4000TPXY拉力測(cè)試儀。
4.1實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)針對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行：采用“95%氬氣＋5%氫氣”的混合氣體作為實(shí)驗(yàn)中的工藝氣體；選擇不同的工藝參數(shù)，包括放電功率、放電時(shí)間和氣體流量，在實(shí)驗(yàn)條件和其他參數(shù)不變的前提下，分別變換3個(gè)參數(shù)探究對(duì)清洗效果的影響。通過清洗前后接觸角和鍵合強(qiáng)度的檢測(cè)來驗(yàn)證清洗效果。
4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過微波等離子清洗后，工件表面的污染物明顯減少，接觸角明顯降低，有效改善結(jié)合區(qū)域的表面浸潤(rùn)性，且發(fā)現(xiàn)對(duì)接觸角的影響主次依次排序：工藝氣體流量＞放電功率＞放電時(shí)間，適合實(shí)驗(yàn)工件的工藝參數(shù)清洗后接觸角測(cè)試結(jié)果如表1所示；鍵合強(qiáng)度普遍提高，拉力測(cè)試平均提升26.12%。
5 小結(jié)與展望
微波等離子清洗具有激發(fā)頻率高、自偏壓小、離子動(dòng)能小、離子濃度高、化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效避免靜電損傷、實(shí)現(xiàn)均勻的三維清洗，與傳統(tǒng)等離子清洗（超聲或射頻）相比，微波等離子清洗可以產(chǎn)生具有優(yōu)良特性的等離子體，所以微波等離子清洗機(jī)在集成電路制程中，尤其是可靠性要求極高的軍用集成電路生產(chǎn)過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，市場(chǎng)前景十分廣闊。