Плазма в микроэлектронике: подготовка и очистка микросхем и пластин

В производстве микроэлектроники качество поверхности влияет на качество последующих технологических операций. Следы фоторезиста, технологических масел, органические загрязнения, оксидные пленки и другие примеси могут занимать слой толщиной всего в несколько нанометров, но этого достаточно, чтобы ухудшить адгезию, снизить прочность соединения или создать дефекты при нанесении покрытия. По мере уменьшения размеров элементов требования к чистоте поверхности дополнительно возрастают.

Одним из методов тонкой очистки поверхности является плазменная обработка. Она применяется для очистки электронных компонентов, полупроводниковых и кремниевых пластин, печатных плат, микросхем, контактных площадок и других элементов. В зависимости от выбранного газа и параметров процесса плазма позволяет удалять органические загрязнения, воздействовать на тонкие оксидные слои, устранять остатки фоторезиста и одновременно активировать поверхность перед склеиванием, микросваркой, герметизацией или нанесением покрытий.

Для решения этих задач применяются специализированные плазменные установки очистки, параметры и конфигурация которых подбираются с учетом материала изделия, типа загрязнений и следующего этапа технологического процесса.

Загрязнения на поверхности изделий условно можно разделить на физически и химически связанные с поверхностью. В первом случае частица или молекула удерживается сравнительно слабыми межмолекулярными и электростатическими силами. Во втором загрязнитель имеет более прочную химическую связь с поверхностным слоем. Поэтому универсального механизма очистки не существует.

Очистка плазмой дает возможность сочетать несколько механизмов воздействия. Энергичные частицы в составе плазмы могут физически удалять вещества с поверхности, а химически активные компоненты – вступать с загрязнителем в реакции с образованием летучих продуктов. Именно возможность тонко управлять механизмом процесса делает плазменную очистку особенно востребованной в микроэлектронике.

Важное отличие от других жидкостных методов – отсутствие необходимости погружать изделие в растворитель или другой жидкий реагент. Для сложных электронных компонентов это снижает риски, связанные с остатками моющих составов и необходимостью последующей сушки.

При этом плазменная обработка не заменяет все остальные способы очистки. Сильно загрязненная плата или пластина может предварительно проходить механическую, жидкостную или ультразвуковую очистку. Плазма в такой технологической цепочке используется как стадия тонкой финишной подготовки поверхности.

При вакуумной обработке изделие помещают в рабочую камеру, из которой откачивается воздух. Затем в нее подается выбранный технологический газ. Под действием электрического поля газ переходит в состояние плазмы, содержащей электроны, ионы, возбужденные атомы и молекулы, а также химически активные радикалы.

Дальнейший механизм зависит от состава газа и конфигурации системы. При физической очистке частицы плазмы воздействуют на загрязнитель и способствуют его удалению с поверхности. Такой механизм характерен, например, для обработки инертным аргоном. При плазмохимической очистке активные частицы вступают в реакции с веществами поверхностного слоя. Например, кислородная плазма эффективно воздействует на многие углеродсодержащие органические загрязнения. Молекула загрязнителя разрушается, а продукты реакции удаляются из рабочей камеры системой откачки.

В результате обработка может воздействовать на чрезвычайно тонкий поверхностный слой, практически не затрагивая объемные свойства материала. Это особенно важно там, где необходимо очистить контактную площадку или кремниевую пластину, но сохранить геометрию и структуру самого изделия.

Однако интенсивность воздействия необходимо контролировать. Избыточная мощность или продолжительность обработки способны привести уже не только к удалению загрязнителя, но и к нежелательной модификации самого материала изделия.

Область применения плазменной очистки значительно шире простой подготовки загрязненной детали. В производстве микроэлектроники она может включаться в технологический процесс на разных этапах.

Глобально очистка микроэлектроники плазмой решает сразу две связанные задачи: удаляет нежелательные вещества и формирует поверхность с параметрами, необходимыми для следующей производственной операции.

Для микроэлектроники особенно важен вопрос о том, где находится изделие относительно области плазменного разряда.

При прямой плазменной обработке образец находится непосредственно в активной области. На поверхность воздействуют как химически активные частицы, так и заряженные частицы с определенной энергией. Это обеспечивает интенсивную обработку, однако для чувствительных элементов существует риск нежелательного воздействия ионной бомбардировки, электрического заряда и излучения.

Поэтому для некоторых микросхем, MEMS-структур, тонких покрытий и других чувствительных компонентов применяется удаленная плазма. Разряд формируется отдельно от рабочей зоны, а до изделия преимущественно доходят химически активные и нейтральные частицы. Воздействие становится более мягким.

Выбор между интенсивной прямой и более мягкой удаленной обработкой определяется не только необходимой степенью очистки. Нужно учитывать устойчивость конкретной структуры к ионному воздействию, электрическому заряду и нагреву. Это принципиальное отличие плазменной очистки микроэлектроники от обработки обычных металлических, стеклянных или полимерных изделий –максимальная интенсивность здесь далеко не всегда является преимуществом.

Во многих процессах очистка и активация происходят одновременно. После удаления загрязняющего слоя меняется химическое состояние поверхности материала, могут формироваться новые функциональные группы и свободные связи. Результатом становится увеличение поверхностной энергии и улучшение смачиваемости. Жидкий клей, герметик или материал покрытия лучше взаимодействует с подготовленной поверхностью, увеличивается площадь фактического контакта и создаются условия для формирования более прочного соединения.

Для микроэлектроники этот эффект важен при монтаже кристаллов, нанесении защитных покрытий, герметизации, склеивании элементов и других операциях.

Более подробно механизмы изменения поверхностных свойств рассмотрены в нашем материале «Обработка поверхностей плазмой».

При этом активированная поверхность не должна длительное время храниться перед следующей операцией. После контакта с атмосферой она постепенно адсорбирует находящиеся в воздухе вещества, а созданное плазмой высокоэнергетическое состояние частично теряется. Поэтому в производственной линии желательно минимизировать интервал между плазменной обработкой и склеиванием, нанесением покрытия или любой другой операцией.

Очистка полупроводниковых пластин требуется на разных этапах формирования микроэлектронных структур. Даже очень тонкий слой загрязнений способен повлиять на равномерность последующего травления, осаждения пленок, литографии или соединения пластин.

Наиболее распространенный объект такой обработки – кремниевые пластины. Для удаления органических загрязнений и остатков фоторезиста с кремниевой поверхности часто применяется кислородная плазма. Активные частицы кислорода взаимодействуют с углеродсодержащими соединениями с образованием летучих продуктов, которые удаляются из рабочей камеры системой откачки. Плазменная обработка также может использоваться для изменения смачиваемости и поверхностной энергии кремния перед нанесением последующих слоев или соединением пластин.

Однако понятие полупроводниковых пластин не ограничивается кремнием. В микроэлектронике и силовой электронике применяются SiC, GaAs, структуры на основе GaN и другие материалы. Для них состав газа и параметры процесса плазменной очистки выбираются отдельно: режим, подходящий для удаления загрязнений с кремния, нельзя автоматически переносить на другую полупроводниковую поверхность. Необходимо учитывать химический состав верхнего слоя, наличие оксидов, чувствительность сформированных структур и требования следующей технологической операции.

Особенно важна дозированность воздействия. После удаления загрязняющего слоя плазма начинает взаимодействовать непосредственно с материалом поверхности. Избыточное время, мощность или неправильно выбранный газ могут привести к нежелательному травлению, изменению химического состава и морфологии поверхностного слоя. Поэтому задача состоит не в максимально интенсивной обработке пластины, а в достижении необходимой чистоты при сохранении ее функциональных свойств.

Очистка микросхем отличается от обработки полупроводниковых пластин прежде всего тем, что объектом становится уже сформированная микроэлектронная структура или сборка, которая может включать кристалл, металлические контактные площадки, проводники, диэлектрические и полимерные материалы. Это значительно ограничивает допустимую интенсивность плазменного воздействия.

Плазменная очистка микросхем применяется чаще всего на операциях корпусирования и сборки: перед монтажом кристалла, проволочной микросваркой, герметизацией, нанесением защитных материалов и формовочных компаундов. 

Например, перед проволочной микросваркой плазмообработка позволяет удалить тонкие загрязняющие слои с контактных площадок и подготовить поверхность к формированию соединения с проволочным выводом. Перед герметизацией и нанесением компаунда очистка и активация поверхности способствуют лучшему взаимодействию материалов на границе раздела и позволяют снизить риск дефектов из-за недостаточной адгезии.

При этом для готовых и частично сформированных микросхем особенно важен выбор щадящего режима. Необходимо учитывать чувствительность элементов к ионной бомбардировке, накоплению электрического заряда и локальному нагреву. По этой причине в ряде процессов вместо прямой плазмы используется удаленная плазма, при которой воздействие высокоэнергетических заряженных частиц на микросхему уменьшается.

Печатная плата представляет собой более сложный объект обработки, чем однородная пластина. На одной детали одновременно присутствуют металлические проводники, полимерная основа, паяльная маска и установленные электронные компоненты. Все эти материалы по-разному взаимодействуют с плазмой.

Поэтому процесс плазменной очистки платы должен учитывать не только характер загрязнений, но и устойчивость каждого материала. Необходимо исключить повреждение чувствительных компонентов и нежелательное травление поверхности.

В электронной сборке плазменная обработка особенно полезна там, где традиционной отмывки недостаточно для получения требуемых поверхностных свойств. При этом задача состоит не в том, чтобы визуально сделать плату чистой, а в создании воспроизводимого состояния ее поверхностного слоя.

При выборе оборудования необходимо начинать не с максимальной мощности установки, а с конкретного технологического процесса.

Первый вопрос – что необходимо обрабатывать. Кремниевая пластина, отдельная микросхема, контактная площадка и полностью собранная плата требуют разных условий.

Второй – какой загрязнитель необходимо удалить. Для органической пленки и поверхностного оксида используются разные механизмы воздействия и рабочие газы.

Третий – какая операция выполняется следующей Требования перед проволочной микросваркой могут отличаться от требований перед склеиванием или нанесением защитного покрытия.

Также важна производительность установки. Объем камеры должен соответствовать размерам и количеству изделий в одной загрузке. При этом большая камера сама по себе не означает более высокую производительность – необходимо учитывать время создания вакуума, равномерность плазмы, расположение деталей и возможность многоуровневой загрузки.

Конфигурация электродов и держателей должна обеспечивать доступ плазмы к нужным участкам изделия. При плотной загрузке возможен теневой эффект, когда одни элементы экранируют другие. Для серийного производства важна воспроизводимость положения изделий внутри камеры.

Отдельно учитывают способ возбуждения плазмы и возможность регулирования мощности, давления, расхода и состава газа. Если производство работает с различными изделиями, система должна позволять сохранять и воспроизводить несколько технологических рецептов.

Для чувствительных микроструктур важна возможность мягкой обработки или использования удаленной плазмы. Если оборудование планируется интегрировать непосредственно в линию, дополнительно оценивают автоматизацию загрузки, управление процессом и производительность.

В каталоге компании «Тирит» представлены системы плазменной очистки поверхности, включая вакуумные и атмосферные решения для различных технологических задач.

Для микроэлектроники особенно важно не просто выполнить обработку, а подтвердить, что поверхность действительно получила требуемые свойства.

Одним из доступных методов контроля является измерение краевого угла смачивания. После удаления органических загрязнений и активации поверхности ее смачиваемость изменяется. Это позволяет сравнивать состояние образца до и после обработки и контролировать воспроизводимость процесса.

На основании измерений несколькими тестовыми жидкостями может быть рассчитана свободная энергия поверхности. Такой подход особенно полезен, если целью плазменной обработки является не только очистка, но и подготовка к нанесению клея, покрытия или соединению поверхностей.

Подробнее о методах такого контроля и оценке результата можно прочитать в нашей статье «Оценка состояния поверхностей модифицированных плазмой».

Для более детального исследования в микроэлектронике также применяются инструментальные методы анализа химического состава и морфологии поверхности – например, XPS, AES и AFM. Они позволяют определить, какие вещества остались на поверхности и насколько сама обработка изменила поверхностный слой.