[发明专利]通过电子附着除去表面氧化物的方法

说明书

发明背景

本文描述了一种用于除去基片包括绝缘基片表面上金属氧化物的方法。本文还描述了用于除去基片表面上金属氧化物的装置。

晶片凸起(wafer bumping)是在芯片焊接区(chip bond pad)上制备厚金属凸起用于内部引线焊接(lead bonding)的方法。该凸起通常通过在焊接区上沉积焊料，然后回流(reflow)(这里指首次回流)以进行合金化并且将焊料凸起的形状由蘑菇状变成半球状而制得。具有首次回流凸起的芯片被“轻碰(flipped)，以符合基片上焊料可润湿端的印迹，然后经过二次回流形成焊点(solder joint)。本文将这些焊点称为内部引线焊点。晶片凸起工艺中通常用高熔点焊料(如＞300℃)，因为它允许随后的组装步骤如外部引线焊接处理，以继续使用低熔点焊料(如＜230℃)而不会破坏内部引线焊接。

第一次回流后焊料凸起的形状是很关键的。例如，大的凸起高度有利于更好的接合和更高的抗疲劳性。进一步地，形成的凸起应优选基本上一致以确保平整性。确信具有相对更大的凸起高度的基本上一致的焊料凸起与第一次回流期间无氧化物凸起表面有关。目前，在焊料凸起晶片的第一次回流期间，有两种主要方法去除焊料氧化物。一种方法是在回流温度为400至450℃下利用纯氢的无焊剂焊接。该方法的主要挑战在于纯氢的可燃性，这极大地限制了该方法的应用。第二种方法是在沉积的焊料凸起上，或在已印在晶片上以形成凸起的焊料糊混合物中应用有机焊剂，并在惰性环境中回流该凸起，以使得焊剂能有效地去除焊料表面的初始氧化物。然而该方法有其自身的缺点。由于焊剂分解在焊料凸起中可形成小的空隙，这些空隙不仅可降低所形成焊料焊接(solderbond)的电和机械性能，而且可破坏焊料凸起晶片的共平面性，并影响随后的芯片焊接处理。已分解的焊剂挥发物也会污染回流炉，这将提高维护成本。此外，焊剂残留物时常留在晶片上导致腐蚀金属和降低组件的性能。

为去除上述回流过程的焊剂残留物，可采用一种利用氯氟烃(CFC)作为清除剂的后清除方法。然而，后清除增加了额外的处理步骤并延长了制备过程的时间。此外，由于对保护地球的臭氧层的潜在破坏，禁止利用氯氟烃(CFC)作为清除剂。尽管利用少量催化剂来减少残留使无清除焊剂得到了发展，但在焊剂残留量和焊剂活性的收益和损失间存在折衷。因此，工业上寻求一种催化方法，该方法有助于产生高反应性的H₂游离基(radical)，并由此减少氢浓度的有效范围和降低处理温度，以用于还原表面氧化物。

现有技术已经利用几种技术进行无焊剂(干式)焊接。一种技术是使用激光来熔化或加热金属氧化物至它们的蒸发温度。该方法通常在惰性或还原性气氛下进行，以阻止被释放的污染物再氧化。然而氧化物和基片金属的熔点或沸点相似，并且不希望使基片金属熔化或挥发。因此该激光方法难以实施。通常激光是昂贵的、操作低效并且需要对氧化层的直视线对准。这些因素限制了激光技术在多数焊接应用中的使用。

在高温下表面氧化物通过暴露于反应气体(如H₂)下可化学还原(如生成H₂O)。通常使用在惰性载体(如N₂)中含有5％或更多还原气体的混合物。然后在高温下通过解吸作用从表面释放反应产物(如H₂O)，并由气流场带走。一般的处理温度超过350℃。然而该方法是低速和低效的，即使在高温下亦如此。

使用更多的活性还原物质可提高还原过程的速度和效率。利用传统等离子技术可制备这些活性物质。音频、无线电或微波频的气体等离子体可用来制备用于表面去氧化的反应性游离基。在该方法中，高强度的电磁辐射用于电离和分解H₂、O₂、SF₆或包括含氟化合物的其它物质形成高反应性游离基。可在低于300℃的温度下进行表面处理。然而为获得等离子形成的最佳条件，通常在真空条件下进行上述处理。真空操作需要昂贵的设备，并且必须以缓慢的、间歇处理的方式而不是快速的、连续处理的方式进行。同样，等离子体通常在处理室中广泛分散，难以直接对准特定的基片区域。因此，在该方法中不能有效利用反应性物质。等离子体通过溅射过程也会导致损坏处理室，并且会在绝缘表面产生空间电荷积聚，这可能导致微电路损坏。微波自身也能引起微电路损坏，并且处理期间基片温度难于控制。等离子体也会释放有潜在危险的紫外光。该处理也需要昂贵的电装置并消耗可观的能量，从而降低其总的成本效率。