文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了等離子體清洗及其機理。

等離子體清洗

等離子體清洗設(shè)備通常比UV-臭氧設(shè)備體積更大、成本更高且結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其組成部分包括真空泵、幾百瓦功率的射頻發(fā)生器以及高純度氣體（通常為氧氣和氬氣，部分場景下會使用氫氣）。從應(yīng)用特性來看，等離子體清洗本質(zhì)上屬于批量清洗方式，而UV-臭氧清洗則可適配傳送帶在線清洗系統(tǒng)，實現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)。實際操作過程中，需將待清洗器件放入抽真空的腔室內(nèi)，通入適量清洗氣體（氣壓通常控制在0.1~0.5Torr范圍內(nèi)），隨后開啟射頻功率電源，持續(xù)1~15min即可完成清洗流程。

近年來，一種簡化型、低成本的等離子體清洗系統(tǒng)已投入應(yīng)用，其核心結(jié)構(gòu)與微波爐類似。待清洗試樣被放置在微波爐外殼內(nèi)的玻璃腔室中，開啟磁控管后，會產(chǎn)生頻率約為2.5GHz的感應(yīng)等離子體。該類型設(shè)備已實現(xiàn)商業(yè)化，目前主要應(yīng)用于實驗室小規(guī)模清洗場景。但截至目前，尚未有獨立研究文獻對比微波等離子體清洗機與傳統(tǒng)等離子體清洗機在引線鍵合清洗中的效果，也缺乏該設(shè)備對敏感芯片進行無損清洗的相關(guān)實例驗證。

在微電子領(lǐng)域，等離子體清洗最初的應(yīng)用目的是清除晶圓表面的光刻膠污染物。而近年來，大量研究聚焦于采用等離子體清洗技術(shù)（使用氧氣、氬氣和/或氫氣）去除各類表面污染物，該技術(shù)已被證實對集成電路鍵合焊盤、混合電路基板、金（Au）鍵合焊盤、芯片級封裝，以及環(huán)氧樹脂模塑前的四方扁平封裝（QFP）、系統(tǒng)級封裝（SIP）、小外形封裝（SOP）塑封件和引線框架上的鍵合清洗均有效，可有效防止“爆米花效應(yīng)”的發(fā)生。

氧氣和氬氣等離子體清洗技術(shù)在集成電路、微電路領(lǐng)域已應(yīng)用多年，能夠有效提升焊盤可鍵合性，并擴大鍵合工藝的參數(shù)窗口（圖中所示即為基于現(xiàn)代鍍層工藝改善鍵合參數(shù)窗口的最新研究成果）。這種清洗方式可顯著提升金線與環(huán)氧樹脂粘接裸芯片器件上鋁焊盤的可鍵合性和長期可靠性，圖中展示了該清洗技術(shù)提升器件可靠性的具體實例。對于金線與鍍金表面的球形鍵合，采用等離子體清洗也能獲得類似的可鍵合性改善效果，其中氧等離子體可有效清除裸芯片粘接過程中溢出并附著在芯片附近基板金屬層鍵合焊盤上的環(huán)氧樹脂“溢膠”。同時，等離子體清洗不會對裸芯片的剪切強度產(chǎn)生負(fù)面影響，這一結(jié)論已得到充分驗證。

研究人員評估了多種等離子體清洗工藝對混合電路可鍵合性的提升效果，發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)過程中使用的特殊厚膜金（杜邦4290，反應(yīng)-鍵合型）的可鍵合性并未因氧等離子體清洗而改善，推測原因可能是氧等離子體導(dǎo)致反應(yīng)-鍵合元素（如銅Cu）發(fā)生氧化。該研究表明，采用無氧氬氣等離子體清洗（0.25Torr氣壓、300W功率、60min時長）可獲得最佳鍵合效果。該研究的另一重要發(fā)現(xiàn)是，清洗效果不僅取決于清洗氣體種類和射頻功率，還與固定裝置及待清洗材料的特性密切相關(guān)。推測固定裝置可能會屏蔽電離等離子體，或通過其他方式改變局部區(qū)域的等離子體濃度，進而影響清洗效果。

在另一種應(yīng)用場景中，氧等離子體無法有效清除半導(dǎo)體鍵合焊盤上的氟污染，推測氟已與表面氧化物下方的鋁（Al）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，行業(yè)內(nèi)也報道了其他等離子體清洗相關(guān)問題，部分情況下不僅未改善可鍵合性，反而導(dǎo)致其下降。這類問題通常是多種因素協(xié)同作用的結(jié)果，并非偶然現(xiàn)象。例如，氬氣等離子體可能刻蝕等離子體反應(yīng)腔室內(nèi)的聚四氟乙烯（Teflon）套管，釋放出的氟元素會腐蝕反應(yīng)-鍵合型厚膜金中的銅和金，同時還會檢測到氯（Cl）元素痕跡，最終導(dǎo)致焊盤表面形成銅羥基氟化物，降低金線月牙形鍵合的性能。顯然，只有充分理解材料與清洗工藝之間的相互作用，才能有效避免此類問題的發(fā)生。

采用環(huán)氧玻璃基板（如FR-4、BT等）或聚酰胺材質(zhì)的塑料封裝器件（如BGA），也可采用功率為300W的氧氣/氬氣混合等離子體進行短時間（1~5min）清洗。若清洗時間過長，會導(dǎo)致基板發(fā)熱或塑料基材被刻蝕，因此部分研究人員會單獨使用氬氣進行清洗，以最大限度減少塑料基材的降解。

氫氣和氬氣可用于直流等離子體清洗（區(qū)別于射頻等離子體清洗）。當(dāng)氬氣中混入約5%的氫氣時，等離子體的擊穿電壓會顯著降低，研究表明這種清洗方式不會對敏感集成電路器件造成輻射型損傷。清洗過程中，有機污染物會轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔餁怏w，硫、磷、氮化合物等無機污染物也會揮發(fā)去除。研究顯示，該清洗方式可全面提升鍵合強度，尤其是在鍍銀（Ag）引線框架上的鍵合，拉力提升效果更為顯著。氫氣還可用于還原銀氧化物以及銅（Cu）引線框架表面的氧化物，進一步改善可鍵合性。

值得注意的是，隨著近年來黃金價格上漲，許多企業(yè)采用在鎳（Ni）鍍層上直接沉積置換/浸金層（厚度＜0.2μm）的方式進行引線鍵合。若引線鍵合前對器件進行熱處理，鎳會擴散至金層表面并發(fā)生氧化，進而降低焊盤可鍵合性。氬氣等離子體清洗可通過“濺射”作用去除表面的氧化鎳（NiO），恢復(fù)焊盤的可鍵合性、可焊性，并提升模塑料的粘附性，該工藝目前仍在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用。

由于等離子體清洗（氧氣、氬氣、氫氣）已被證實可有效改善鍵合效果，行業(yè)內(nèi)已引入多種“在線”批量生產(chǎn)型等離子體清洗設(shè)備，用于引線框架的鍵合前清洗。這類設(shè)備本質(zhì)上屬于批量式清洗設(shè)備，可實現(xiàn)引線框架帶的自動加載、清洗、卸載，清洗完成后直接流轉(zhuǎn)至后續(xù)組裝工序，不會影響器件進入引線鍵合機的效率。

與UV-臭氧清洗類似，等離子體清洗也可安全用于層壓基板和聚酰亞胺基板上的金屬層及器件（如PBGA、SIP、SOP、MCM等）的清洗。通常情況下，等離子體清洗對這類基材的損傷程度大于UV-臭氧清洗，但通過合理控制工藝參數(shù)，可將聚酰亞胺基板的損傷控制在最小深度（約100?），對PBGA及類似基板的損傷則更小。一般而言，1~2min的清洗時長即可滿足潔凈度要求，且不會對器件和聚合物基材造成損傷。

等離子體清洗機理

氧等離子體清洗的機理與UV-臭氧清洗具有相似性：部分氧氣分子會被電離，另一部分則分解為原子氧（O+O），原子氧與碳?xì)浠衔锇l(fā)生反應(yīng)，生成水（H?O）和二氧化碳（CO?）。處于激發(fā)態(tài)的氧原子還會通過能量轟擊作用，助力碳?xì)浠衔锓肿臃纸猓⑼ㄟ^濺射作用去除表面污染物。氬氣等離子體的作用機理有所不同，電離后的氬氣不會形成穩(wěn)定化合物，但可能與碳或其他污染物形成短暫的亞穩(wěn)態(tài)化合物，這些化合物分解后，會隨氣態(tài)等離子體一起被真空泵排出。氬氣的原子量是氧氣的2倍以上，可通過撞擊（濺射）作用清除多種類型的污染物。通常情況下，單獨使用氬氣去除有機污染物的時長是氧氣與氬氣混合清洗的2倍，因此行業(yè)內(nèi)更常采用氧氣與氬氣的混合氣體進行等離子體清洗。

表中對比了各類等離子體清洗系統(tǒng)的工藝參數(shù)及其對引線鍵合的影響。從數(shù)據(jù)中可明確看出，在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，均可獲得理想的清洗效果。例如，采用氬氣、氧氣或其混合氣體，射頻功率控制在100~200W，氣壓設(shè)定為0.5Torr，清洗時長約10min，該參數(shù)組合可有效提升陶瓷基板上引線鍵合的可鍵合性和可靠性。若需去除較厚的環(huán)氧樹脂溢膠或其他頑固污染物，可適當(dāng)延長清洗時間或提高射頻功率。對于易損傷器件，可采用溫和工藝參數(shù)：射頻功率75W，氧氣等離子體清洗3~4min。目前，行業(yè)內(nèi)已形成針對引線鍵合優(yōu)化的清洗程序和時間規(guī)劃。需要注意的是，射頻功率超過300W可能會對器件造成損傷，主要原因是試樣過熱和/或濺射作用導(dǎo)致金屬層脫落，進而可能改變器件的電氣特性。

對氧等離子體清洗（類似UV-臭氧清洗）的研究發(fā)現(xiàn)，射頻等離子體清洗（下游清洗）過程中產(chǎn)生的原子氧、激發(fā)態(tài)氧以及電離氧分子，可有效清除光刻膠等污染物。一種簡單的防護方案是將器件放置在法拉第屏蔽罩內(nèi)，再置于射頻等離子體環(huán)境中，可保護敏感器件免受電場影響和輻射損傷（相關(guān)細(xì)節(jié)可參考附錄內(nèi)容）。目前，市面上已有多種專門設(shè)計的射頻和微波下游清洗機，且大多數(shù)現(xiàn)有等離子體清洗機均可通過簡單改裝實現(xiàn)下游清洗功能。遺憾的是，目前尚未有采用該方法進行引線鍵合清洗的相關(guān)實驗驗證。考慮到下游清洗過程中不發(fā)生濺射作用，且大量活化原子會在擴散過程中衰減，推測其清洗時長會顯著長于常規(guī)氧氣/氬氣等離子體清洗。此外，下游清洗機通常不選用氬氣，一方面是因為氬氣等離子體可能對敏感器件造成損傷，另一方面是其下游清洗效果相對不佳。在有機污染物清除領(lǐng)域，UV-臭氧清洗已被證實是一種可行的替代方案。在部分應(yīng)用場景中，可通過氣體沉積薄親水阻流層的方式，防止環(huán)氧樹脂溢膠，從而避免使用等離子體清洗，降低其對敏感芯片造成損傷的風(fēng)險。