等离子体清洗技术的应用及其工作机理

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了等离子体清洗及其机理。  

等离子体清洗

等离子体清洗设备通常比UV-臭氧设备体积更大、成本更高且结构更复杂，其组成部分包括真空泵、几百瓦功率的射频发生器以及高纯度气体（通常为氧气和氩气，部分场景下会使用氢气）。从应用特性来看，等离子体清洗本质上属于批量清洗方式，而UV-臭氧清洗则可适配传送带在线清洗系统，实现连续化作业。实际操作过程中，需将待清洗器件放入抽真空的腔室内，通入适量清洗气体（气压通常控制在0.1~0.5Torr范围内），随后开启射频功率电源，持续1~15min即可完成清洗流程。

近年来，一种简化型、低成本的等离子体清洗系统已投入应用，其核心结构与微波炉类似。待清洗试样被放置在微波炉外壳内的玻璃腔室中，开启磁控管后，会产生频率约为2.5GHz的感应等离子体。该类型设备已实现商业化，目前主要应用于实验室小规模清洗场景。但截至目前，尚未有独立研究文献对比微波等离子体清洗机与传统等离子体清洗机在引线键合清洗中的效果，也缺乏该设备对敏感芯片进行无损清洗的相关实例验证。

在微电子领域，等离子体清洗最初的应用目的是清除晶圆表面的光刻胶污染物。而近年来，大量研究聚焦于采用等离子体清洗技术（使用氧气、氩气和/或氢气）去除各类表面污染物，该技术已被证实对集成电路键合焊盘、混合电路基板、金（Au）键合焊盘、芯片级封装，以及环氧树脂模塑前的四方扁平封装（QFP）、系统级封装（SIP）、小外形封装（SOP）塑封件和引线框架上的键合清洗均有效，可有效防止“爆米花效应”的发生。

氧气和氩气等离子体清洗技术在集成电路、微电路领域已应用多年，能够有效提升焊盘可键合性，并扩大键合工艺的参数窗口（图中所示即为基于现代镀层工艺改善键合参数窗口的最新研究成果）。这种清洗方式可显著提升金线与环氧树脂粘接裸芯片器件上铝焊盘的可键合性和长期可靠性，图中展示了该清洗技术提升器件可靠性的具体实例。对于金线与镀金表面的球形键合，采用等离子体清洗也能获得类似的可键合性改善效果，其中氧等离子体可有效清除裸芯片粘接过程中溢出并附着在芯片附近基板金属层键合焊盘上的环氧树脂“溢胶”。同时，等离子体清洗不会对裸芯片的剪切强度产生负面影响，这一结论已得到充分验证。

研究人员评估了多种等离子体清洗工艺对混合电路可键合性的提升效果，发现其生产过程中使用的特殊厚膜金（杜邦4290，反应-键合型）的可键合性并未因氧等离子体清洗而改善，推测原因可能是氧等离子体导致反应-键合元素（如铜Cu）发生氧化。该研究表明，采用无氧氩气等离子体清洗（0.25Torr气压、300W功率、60min时长）可获得最佳键合效果。该研究的另一重要发现是，清洗效果不仅取决于清洗气体种类和射频功率，还与固定装置及待清洗材料的特性密切相关。推测固定装置可能会屏蔽电离等离子体，或通过其他方式改变局部区域的等离子体浓度，进而影响清洗效果。

在另一种应用场景中，氧等离子体无法有效清除半导体键合焊盘上的氟污染，推测氟已与表面氧化物下方的铝（Al）发生化学反应。此外，行业内也报道了其他等离子体清洗相关问题，部分情况下不仅未改善可键合性，反而导致其下降。这类问题通常是多种因素协同作用的结果，并非偶然现象。例如，氩气等离子体可能刻蚀等离子体反应腔室内的聚四氟乙烯（Teflon）套管，释放出的氟元素会腐蚀反应-键合型厚膜金中的铜和金，同时还会检测到氯（Cl）元素痕迹，最终导致焊盘表面形成铜羟基氟化物，降低金线月牙形键合的性能。显然，只有充分理解材料与清洗工艺之间的相互作用，才能有效避免此类问题的发生。

采用环氧玻璃基板（如FR-4、BT等）或聚酰胺材质的塑料封装器件（如BGA），也可采用功率为300W的氧气/氩气混合等离子体进行短时间（1~5min）清洗。若清洗时间过长，会导致基板发热或塑料基材被刻蚀，因此部分研究人员会单独使用氩气进行清洗，以最大限度减少塑料基材的降解。

氢气和氩气可用于直流等离子体清洗（区别于射频等离子体清洗）。当氩气中混入约5%的氢气时，等离子体的击穿电压会显著降低，研究表明这种清洗方式不会对敏感集成电路器件造成辐射型损伤。清洗过程中，有机污染物会转化为碳氢化合物气体，硫、磷、氮化合物等无机污染物也会挥发去除。研究显示，该清洗方式可全面提升键合强度，尤其是在镀银（Ag）引线框架上的键合，拉力提升效果更为显著。氢气还可用于还原银氧化物以及铜（Cu）引线框架表面的氧化物，进一步改善可键合性。

值得注意的是，随着近年来黄金价格上涨，许多企业采用在镍（Ni）镀层上直接沉积置换/浸金层（厚度＜0.2μm）的方式进行引线键合。若引线键合前对器件进行热处理，镍会扩散至金层表面并发生氧化，进而降低焊盘可键合性。氩气等离子体清洗可通过“溅射”作用去除表面的氧化镍（NiO），恢复焊盘的可键合性、可焊性，并提升模塑料的粘附性，该工艺目前仍在行业内广泛应用。

由于等离子体清洗（氧气、氩气、氢气）已被证实可有效改善键合效果，行业内已引入多种“在线”批量生产型等离子体清洗设备，用于引线框架的键合前清洗。这类设备本质上属于批量式清洗设备，可实现引线框架带的自动加载、清洗、卸载，清洗完成后直接流转至后续组装工序，不会影响器件进入引线键合机的效率。

与UV-臭氧清洗类似，等离子体清洗也可安全用于层压基板和聚酰亚胺基板上的金属层及器件（如PBGA、SIP、SOP、MCM等）的清洗。通常情况下，等离子体清洗对这类基材的损伤程度大于UV-臭氧清洗，但通过合理控制工艺参数，可将聚酰亚胺基板的损伤控制在最小深度（约100Å），对PBGA及类似基板的损伤则更小。一般而言，1~2min的清洗时长即可满足洁净度要求，且不会对器件和聚合物基材造成损伤。

等离子体清洗机理

氧等离子体清洗的机理与UV-臭氧清洗具有相似性：部分氧气分子会被电离，另一部分则分解为原子氧（O+O），原子氧与碳氢化合物发生反应，生成水（H₂O）和二氧化碳（CO₂）。处于激发态的氧原子还会通过能量轰击作用，助力碳氢化合物分子分解，并通过溅射作用去除表面污染物。氩气等离子体的作用机理有所不同，电离后的氩气不会形成稳定化合物，但可能与碳或其他污染物形成短暂的亚稳态化合物，这些化合物分解后，会随气态等离子体一起被真空泵排出。氩气的原子量是氧气的2倍以上，可通过撞击（溅射）作用清除多种类型的污染物。通常情况下，单独使用氩气去除有机污染物的时长是氧气与氩气混合清洗的2倍，因此行业内更常采用氧气与氩气的混合气体进行等离子体清洗。

表中对比了各类等离子体清洗系统的工艺参数及其对引线键合的影响。从数据中可明确看出，在较宽的工艺参数范围内，均可获得理想的清洗效果。例如，采用氩气、氧气或其混合气体，射频功率控制在100~200W，气压设定为0.5Torr，清洗时长约10min，该参数组合可有效提升陶瓷基板上引线键合的可键合性和可靠性。若需去除较厚的环氧树脂溢胶或其他顽固污染物，可适当延长清洗时间或提高射频功率。对于易损伤器件，可采用温和工艺参数：射频功率75W，氧气等离子体清洗3~4min。目前，行业内已形成针对引线键合优化的清洗程序和时间规划。需要注意的是，射频功率超过300W可能会对器件造成损伤，主要原因是试样过热和/或溅射作用导致金属层脱落，进而可能改变器件的电气特性。

对氧等离子体清洗（类似UV-臭氧清洗）的研究发现，射频等离子体清洗（下游清洗）过程中产生的原子氧、激发态氧以及电离氧分子，可有效清除光刻胶等污染物。一种简单的防护方案是将器件放置在法拉第屏蔽罩内，再置于射频等离子体环境中，可保护敏感器件免受电场影响和辐射损伤（相关细节可参考附录内容）。目前，市面上已有多种专门设计的射频和微波下游清洗机，且大多数现有等离子体清洗机均可通过简单改装实现下游清洗功能。遗憾的是，目前尚未有采用该方法进行引线键合清洗的相关实验验证。考虑到下游清洗过程中不发生溅射作用，且大量活化原子会在扩散过程中衰减，推测其清洗时长会显著长于常规氧气/氩气等离子体清洗。此外，下游清洗机通常不选用氩气，一方面是因为氩气等离子体可能对敏感器件造成损伤，另一方面是其下游清洗效果相对不佳。在有机污染物清除领域，UV-臭氧清洗已被证实是一种可行的替代方案。在部分应用场景中，可通过气体沉积薄亲水阻流层的方式，防止环氧树脂溢胶，从而避免使用等离子体清洗，降低其对敏感芯片造成损伤的风险。