專利名稱：通過電子附著除去表面氧化物的方法
通過電子附著除去表面氧化物的方法
背景技術(shù)：
本文描述了一種用于除去基片包括絕緣基片表面上金屬氧化物的方法。本文還描 述了用于除去基片表面上金屬氧化物的裝置。晶片凸起(wafer bumping)是在芯片焊接區(qū)(chip bond pad)上制備厚金屬凸起 用于內(nèi)部引線焊接(lead bonding)的方法。該凸起通常通過在焊接區(qū)上沉積焊料，然后回 流(reflow)(這里指首次回流)以進(jìn)行合金化并且將焊料凸起的形狀由蘑菇狀變成半球狀 而制得。具有首次回流凸起的芯片被“輕碰(flipped)，以符合基片上焊料可潤(rùn)濕端的印跡， 然后經(jīng)過二次回流形成焊點(diǎn)(solder joint)。本文將這些焊點(diǎn)稱為內(nèi)部引線焊點(diǎn)。晶片凸 起工藝中通常用高熔點(diǎn)焊料(如> 300°C )，因?yàn)樗试S隨后的組裝步驟如外部引線焊接處 理，以繼續(xù)使用低熔點(diǎn)焊料(如< 230°C )而不會(huì)破壞內(nèi)部引線焊接。第一次回流后焊料凸起的形狀是很關(guān)鍵的。例如，大的凸起高度有利于更好的接 合和更高的抗疲勞性。進(jìn)一步地，形成的凸起應(yīng)優(yōu)選基本上一致以確保平整性。確信具有 相對(duì)更大的凸起高度的基本上一致的焊料凸起與第一次回流期間無氧化物凸起表面有關(guān)。 目前，在焊料凸起晶片的第一次回流期間，有兩種主要方法去除焊料氧化物。一種方法是在 回流溫度為400至450°C下利用純氫的無焊劑焊接。該方法的主要挑戰(zhàn)在于純氫的可燃性， 這極大地限制了該方法的應(yīng)用。第二種方法是在沉積的焊料凸起上，或在已印在晶片上以 形成凸起的焊料糊混合物中應(yīng)用有機(jī)焊劑，并在惰性環(huán)境中回流該凸起，以使得焊劑能有 效地去除焊料表面的初始氧化物。然而該方法有其自身的缺點(diǎn)。由于焊劑分解在焊料凸起 中可形成小的空隙，這些空隙不僅可降低所形成焊料焊接(solderbond)的電和機(jī)械性能， 而且可破壞焊料凸起晶片的共平面性，并影響隨后的芯片焊接處理。已分解的焊劑揮發(fā)物 也會(huì)污染回流爐，這將提高維護(hù)成本。此外，焊劑殘留物時(shí)常留在晶片上導(dǎo)致腐蝕金屬和降 低組件的性能。為去除上述回流過程的焊劑殘留物，可采用一種利用氯氟烴(CFC)作為清除劑的 后清除方法。然而，后清除增加了額外的處理步驟并延長(zhǎng)了制備過程的時(shí)間。此外，由于對(duì) 保護(hù)地球的臭氧層的潛在破壞，禁止利用氯氟烴(CFC)作為清除劑。盡管利用少量催化劑 來減少殘留使無清除焊劑得到了發(fā)展，但在焊劑殘留量和焊劑活性的收益和損失間存在折 衷。因此，工業(yè)上尋求一種催化方法，該方法有助于產(chǎn)生高反應(yīng)性的H2游離基(radical)， 并由此減少氫濃度的有效范圍和降低處理溫度，以用于還原表面氧化物。現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)利用幾種技術(shù)進(jìn)行無焊劑(干式)焊接。一種技術(shù)是使用激光來熔 化或加熱金屬氧化物至它們的蒸發(fā)溫度。該方法通常在惰性或還原性氣氛下進(jìn)行，以阻止 被釋放的污染物再氧化。然而氧化物和基片金屬的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)相似，并且不希望使基片金 屬熔化或揮發(fā)。因此該激光方法難以實(shí)施。通常激光是昂貴的、操作低效并且需要對(duì)氧化 層的直視線對(duì)準(zhǔn)。這些因素限制了激光技術(shù)在多數(shù)焊接應(yīng)用中的使用。在高溫下表面氧化物通過暴露于反應(yīng)氣體(如H2)下可化學(xué)還原(如生成H2O)。 通常使用在惰性載體(如隊(duì))中含有5%或更多還原氣體的混合物。然后在高溫下通過解 吸作用從表面釋放反應(yīng)產(chǎn)物(如H2O),并由氣流場(chǎng)帶走。一般的處理溫度超過350°C。然4而該方法是低速和低效的，即使在高溫下亦如此。使用更多的活性還原物質(zhì)可提高還原過程的速度和效率。利用傳統(tǒng)等離子技術(shù)可 制備這些活性物質(zhì)。音頻、無線電或微波頻的氣體等離子體可用來制備用于表面去氧化的 反應(yīng)性游離基。在該方法中，高強(qiáng)度的電磁輻射用于電離和分解H2、02、SF6或包括含氟化合 物的其它物質(zhì)形成高反應(yīng)性游離基?？稍诘陀?00°c的溫度下進(jìn)行表面處理。然而為獲得 等離子形成的最佳條件，通常在真空條件下進(jìn)行上述處理。真空操作需要昂貴的設(shè)備，并且 必須以緩慢的、間歇處理的方式而不是快速的、連續(xù)處理的方式進(jìn)行。同樣，等離子體通常 在處理室中廣泛分散，難以直接對(duì)準(zhǔn)特定的基片區(qū)域。因此，在該方法中不能有效利用反應(yīng) 性物質(zhì)。等離子體通過濺射過程也會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞處理室，并且會(huì)在絕緣表面產(chǎn)生空間電荷積 聚，這可能導(dǎo)致微電路損壞。微波自身也能引起微電路損壞，并且處理期間基片溫度難于控 制。等離子體也會(huì)釋放有潛在危險(xiǎn)的紫外光。該處理也需要昂貴的電裝置并消耗可觀的能 量，從而降低其總的成本效率。美國(guó)專利U. S. 5，409，543公開了一種在真空環(huán)境中利用熱燈絲熱分解分子氫產(chǎn) 生活性氫物質(zhì)(即原子氫)的方法。激發(fā)的氫化學(xué)還原基片表面。熱燈絲的溫度范圍可為 500°C至2200°C。電偏壓網(wǎng)用于偏轉(zhuǎn)或俘獲熱燈絲發(fā)射的過量自由電子。在惰性載氣中由 含有2%至100%氫的混合物制備活性物質(zhì)或原子氫。美國(guó)專利U. S. 6，203，637公開了一種利用熱電子陰極放電來活化氫的方法。從熱 電子陰極釋放的電子引起氣相放電，由此產(chǎn)生活性物質(zhì)。該釋放過程在含有熱燈絲的隔離 室或遠(yuǎn)程室中進(jìn)行。離子和活化的中性物質(zhì)流入處理室，從而化學(xué)還原氧化的金屬表面。然 而，該熱陰極處理需要真空條件以達(dá)到最佳效率和燈絲壽命。真空操作需要必須并入焊接 傳送帶系統(tǒng)的昂貴設(shè)備，從而降低了其總的成本效率。Potier等人的“常壓下活性氛圍下無焊劑焊接(Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure)，，，Surface Mount International Conference,1995，San Jose, CA,和美國(guó)專利 U. S. 6，146，503，6，089，445，6，021，940， 6，007，637，5，941，448，5，858，312和5，722，581描述了一種利用放電制備活化H2 (或其它 還原氣體，如CH4或NH3)的方法。還原氣體通常以“百分比水平”出現(xiàn)在惰性載體中(N2)。 利用“幾千伏特”的交流電源產(chǎn)生放電。遠(yuǎn)程室中電極釋放的電子產(chǎn)生射出的或不穩(wěn)定的 物質(zhì)，它們實(shí)質(zhì)上是不帶電物質(zhì)，然后流至基片。這樣的方法還原了基片金屬上的氧化物， 使之可在接近150°C下焊接。然而上述遠(yuǎn)程的放電室需要巨大的設(shè)備成本，并且不容易改型 以適合現(xiàn)存的焊接傳送帶系統(tǒng)。此外，該方法通常用于焊接前金屬表面的預(yù)處理，而不是去 除焊料氧化物。美國(guó)專利U. S. 5，433，820描述了一種大氣壓下利用來自高電壓(IkV至50kV)電 極的放電或等離子表面處理方法。電極被置于臨近基片而不是遠(yuǎn)的室中。電極釋放的自由 電子產(chǎn)生活性氫游離基一含有原子氫的等離子體-然后它們通過置于氧化的基片上的絕 緣屏蔽的開口。該絕緣屏蔽使活性氫集中到需脫氧的特定表面位置。然而該絕緣屏蔽會(huì)聚 集可改變電場(chǎng)并阻礙精確處理控制的表面電荷。所述的方法僅用于熔化基片金屬表面。因此，本領(lǐng)域需要提供在可減少熱能的相對(duì)低溫下、經(jīng)濟(jì)且有效地進(jìn)行焊料凸起 晶片的無焊劑回流方法。本領(lǐng)域進(jìn)一步需要提供為節(jié)省購(gòu)買和維護(hù)真空裝置的費(fèi)用而在接 近室溫或大氣壓條件下進(jìn)行的無焊劑焊料回流的方法和裝置。本領(lǐng)域還需要提供利用不易燃?xì)怏w環(huán)境的無焊劑焊料回流方法。此外，本領(lǐng)域還需要從基片例如電絕緣的基片的表面 上去除金屬氧化物。電絕緣的基片的例子包括但不限于剛性的環(huán)氧玻璃纖維層壓板基片、 柔性的聚合物薄膜(如聚酰亞胺)、用于集成電路(IC)互連設(shè)計(jì)的絕緣基片、用于三維或?qū)?疊IC封裝技術(shù)的絕緣基片、以及它們的組合。發(fā)明簡(jiǎn)述本文描述的方法和裝置通過提供無需使用焊劑去除基片表面的金屬氧化物的裝 置和方法來滿足本領(lǐng)域的部分，如果不是全部的需要。一方面提供從基片的處理表面去除 金屬氧化物的方法，該方法包括提供接近具有接地電位的基電極的基片，該基片包括含有 金屬氧化物的處理表面；提供接近該基電極和該基片的激發(fā)電極，其中至少一部分處理表 面暴露于該激發(fā)電極下，并且其中該基電極和該激發(fā)電極和該基片在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。另一方面該激發(fā)電極指的是含有一系列凸出的突出的導(dǎo)電端的電絕緣板，其中這 些導(dǎo)電端通過導(dǎo)線電連接，其中該系列突出端分為第一電連接組和第二電連接組，其中第 一或第二電連接組中的之一連接到正偏壓的直流(DC)電壓電源，而第一或第二電連接組 中的另一個(gè)連接到負(fù)偏壓的直流電壓電源，并且其中該正偏壓的直流電壓電源和該負(fù)偏壓 的直流電源電連接到能在負(fù)偏壓的直流電壓電源和正偏壓的直流電壓電源之間交替能量 供給的功能控制器；將含有還原氣體的氣體混合物通過該目標(biāo)區(qū)域；通過啟動(dòng)該負(fù)偏壓的 直流電壓電源來激發(fā)成排的導(dǎo)電端，從而在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電子，其中至少部分電子附著 于至少部分還原氣體由此形成帶負(fù)電的還原氣體；將處理表面接觸該帶負(fù)電的還原氣體以 還原(reduce)在該基片的處理表面上的金屬氧化物；并且通過啟動(dòng)該正偏壓的直流電壓 電源來激發(fā)成排的導(dǎo)電端，從而從處理表面收回過剩電子，其中電連接到負(fù)偏壓的直流電 壓電源的成排的導(dǎo)電端和電連接到正偏壓的直流電壓電源的成排的導(dǎo)電端不同時(shí)激發(fā)。另一方面，該激發(fā)電極被定義為室，該室具有內(nèi)部空間、進(jìn)氣口、和包含一系列向 下突出的導(dǎo)電端的電絕緣基片(base)，其中導(dǎo)電端由皮下注射針頭制成，其中各皮下注射 針頭與氣體室的內(nèi)部空間具有流體連通(fluidcommimication)，以便流入該室的含有還原 氣體的氣體混合物可從各皮下注射針頭中射出，其中該皮下注射針頭全部通過導(dǎo)線電連接 到一起，然后連接到負(fù)偏壓的直流電壓電源以便從各皮下注射針頭產(chǎn)生電子，其中至少部 分電子附著于至少部分從皮下注射針頭流出的還原氣體，從而形成帶負(fù)電的還原氣體；將 處理表面與該帶負(fù)電的還原氣體接觸以還原該基片的處理表面的金屬氧化物；其中該基片 導(dǎo)電并接地以便負(fù)電子可從該基片導(dǎo)到地面。另一方面，該激發(fā)電極被定義為室，該室具有內(nèi)部空間、進(jìn)氣口和包含一系列向下 突出的導(dǎo)電端的電絕緣基片(base)，其中導(dǎo)電端分為第一電連接組和第二電連接組，其中 第一電連接組和第二電連接組的導(dǎo)電端的至少其中之一與氣體室具有流連通，以便流入該 室的含有還原氣體的氣體混合物可從各皮下注射針頭射出，其中至少一組皮下注射針頭連 接到負(fù)偏壓的直流電壓電源(DC)，而第一或第二電連接組的另一組連接到正偏壓的直流電 壓電源，并且其中該負(fù)偏壓的直流電壓電源和該正偏壓的直流電壓電源電連接到能在負(fù)偏 壓的直流電壓電源和正偏壓的直流電壓電源之間交替能量供給的功能控制器；使含有還原 氣體的氣體混合物流過氣體室和各皮下注射針頭；通過啟動(dòng)該負(fù)偏壓的直流電壓電源來激 發(fā)至少一組皮下注射針頭，以便從各皮下注射針頭產(chǎn)生電子，其中至少部分電子附著于隨 后從各皮下注射針頭端出來的至少部分還原氣體，由此形成帶負(fù)電的還原氣體；將處理表面接觸該帶負(fù)電的還原氣體以還原在該基片的處理表面上的金屬氧化物；并且通過啟動(dòng)該 正偏壓的直流電壓電源來激發(fā)另一組導(dǎo)電端，以從處理表面回收過剩電子，其中電連接到 負(fù)偏壓的直流電壓電源的至少一組皮下注射針頭和電連接到正偏壓的直流電壓電源的另 一組導(dǎo)電端不同時(shí)激發(fā)。進(jìn)一步的方面，提供在基片上形成焊點(diǎn)的方法，所述基片包含層，所述層上包含多 個(gè)焊料凸起，所述方法包括提供接近具有接地電位的基電極的基片，該基片包括其中含有 多個(gè)焊料凸起的層；提供接近基電極和基片的激發(fā)電極，其中該層的至少部分和焊料凸起 暴露于激發(fā)電極下，并且其中基電極和激發(fā)電極和基片均在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，其中激發(fā)電極是 指含有一系列突出導(dǎo)電端的絕緣板，其中這些導(dǎo)電端通過導(dǎo)線電連接；將含有還原氣體的 氣體混合物通過該目標(biāo)區(qū)域；通過啟動(dòng)負(fù)偏壓的直流電壓電源來激發(fā)成排的導(dǎo)電端，以在 目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電子，其中至少部分電子附著于至少部分還原氣體從而形成帶負(fù)電的還原 氣體；使處理表面與帶負(fù)電的還原氣體接觸回流該焊料突起，從而形成焊點(diǎn)。


圖Ia和Ib分別示出了發(fā)射極和基電極上的電壓脈沖；圖加到2i為適合于發(fā)射和/或回收電子的各種電極幾何形狀的示意圖；圖3提供一種適合于使用多個(gè)端發(fā)射和/或回收電子的電極的具體實(shí)施方式
的實(shí) 例；圖4提供一種適用于具有分段組件的發(fā)射和/或收回電子的電極的具體實(shí)施方式
的實(shí)例；圖5提供一種本發(fā)明方法的具體實(shí)施方式
的實(shí)例，示例在晶片凸起應(yīng)用中去除表 面金屬氧化物；圖6示例了在晶片凸起回流期間通過改變電極極性來去除基片表面負(fù)電離子的 本發(fā)明方法的一種特定具體實(shí)施方式
。圖7a和7b示例了當(dāng)兩個(gè)電極極性改變時(shí)兩個(gè)電極間帶電物質(zhì)的傳送。圖8提供一種本發(fā)明方法的特定具體實(shí)施方式
的示意，通過使用相對(duì)于基電極具 正偏壓的附加電極來去除基片表面的電子。圖9a至9e提供使用相對(duì)于基片至少一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)的本發(fā)明的方法和裝置的特定具體實(shí)施方式
的各種示例。圖IOa和IOb分別提供了單向電壓脈沖和雙向電壓脈沖的示例。圖11是本發(fā)明的電極組件的具體實(shí)施方式
的示例。圖12(a)和12(b)是圖11的具體實(shí)施方式
的某些特征的示例。圖13是用于圖11的具體實(shí)施方式
的導(dǎo)電端的示例；以及圖14是用于圖11的具體實(shí)施方式
的導(dǎo)電端電學(xué)布置的電路圖。圖15是本文描述的激發(fā)電極組件的具體實(shí)施方式
的示例。圖16是具有內(nèi)通道穿過的導(dǎo)電端、傾斜端以及法蘭形端部的(flanged end)具體 實(shí)施方式的示例。圖17提供了本文描述的電極組件的另一具體實(shí)施方式
的等角視圖。圖18(a)和18(b)分別提供了圖17的電極組件的特定特征的側(cè)視圖和俯視圖。
圖19(a)和19(b)分別提供了圖17的電極組件的特定特征的側(cè)視圖和俯視圖。圖20(a)和20(b)分別提供了適合于如模-對(duì)模(die-to-die)結(jié)合的電極組件 的特定具體實(shí)施方式
的俯視圖和側(cè)視圖。圖21提供了圖15的電極組件的其他具體實(shí)施方式
的實(shí)例，其中還原氣體在引入 目標(biāo)區(qū)域之前在室中預(yù)加熱。圖22提供了本發(fā)明的電極組件的一個(gè)具體實(shí)施方式
的側(cè)視圖，其中該電極組件 進(jìn)一步包括其他陰極。發(fā)明詳述本發(fā)明的方法和裝置，是通過將基片表面暴露于負(fù)電離子中來去除金屬氧化物 的。負(fù)電離子反應(yīng)并還原表面金屬氧化物。一方面，該方法、裝置或兩者均可通過改進(jìn)傳統(tǒng) 回流和焊接裝置來應(yīng)用，如改進(jìn)用于回流焊料凸起晶片的回流機(jī)械。在這里或其他方面，該 方法也能用于其他處理，其中需要去除基片的表面金屬氧化物，例如但不限于，金屬鍍(即 印刷電路板或金屬表面的焊接鍍覆部分使得它們更有利于隨后的焊接)、用于外部引線焊 接的回流焊接和波動(dòng)焊接、表面清洗、銅焊、焊接、和去除在硅晶片處理過程中形成的表面 金屬氧化物如銅氧化物。利用本發(fā)明的方法和裝置去除金屬氧化物同樣適用于上述處理和 無需有機(jī)焊劑而去除氧化物的任何其它處理。本文所用的術(shù)語(yǔ)“基片”通常涉及材料如硅、二氧化硅涂覆的硅、鋁-氧化鋁、砷 化鎵、陶瓷、石英、銅、玻璃、環(huán)氧樹脂、或適用于電子裝置中的任何材料。在具體實(shí)施方式
中，基片是其上有焊料的電絕緣或半導(dǎo)體基片。焊料組合物的例子包括但不限于無焊劑的 錫-銀，無焊劑的錫-銀-銅，無焊劑的錫-鉛，或無焊劑的錫-銅。在某一具體實(shí)施方式
中，基片是電絕緣的基片。電絕緣基片的實(shí)例包括但不限于下列用于印刷電路板的剛性的 環(huán)氧玻璃(如FR-4型)的層壓板基片；用于柔性(flexible)電路的柔性的聚合物膜(如 聚酰亞胺)基片；用于集成電路互連設(shè)計(jì)的絕緣基片；如聚合基的BGA的高密度互連、高密 度互連等；用于三維或?qū)盈B集成電路(stacked integrated circuit)或三維或堆疊封裝技 術(shù)(stacked packaging technologies)的絕緣基片；以及它們的組合。然而，本發(fā)明的方 法和裝置適合于各種不同的基片和焊料組合物。在某一優(yōu)選具體實(shí)施方式
中，基片是具有 多個(gè)布置于其上的焊料凸起的硅晶片。在后面的具體實(shí)施方式
中，該多個(gè)焊料凸起可留在 該基片內(nèi)部的至少一層上如在堆疊封裝中。盡管不希望被理論所束縛，但認(rèn)為當(dāng)將能量源如直流電壓電源施加在至少兩個(gè)電 極間時(shí)，從相對(duì)于其它電極和/或兩電極間的氣相具有負(fù)電偏壓的兩個(gè)電極的其中一個(gè)電 極(這里指“發(fā)射電極”)產(chǎn)生電子。產(chǎn)生的電子沿著電場(chǎng)移向另一個(gè)電極，該電極是接地 的或具有正偏壓(這里指“基電極”)。將表面上具有多個(gè)焊料凸起的基片置于由基電極和 發(fā)射電極限定的區(qū)域(這里指“目標(biāo)區(qū)域”)內(nèi)，其中焊料凸起的表面或處理區(qū)域暴露于發(fā) 射電極。在某些具體的實(shí)施方式中，基片可與基電極連接形成目標(biāo)組件。包含還原氣體和 任選載氣的氣體混合物穿過電極產(chǎn)生的電場(chǎng)。在電子移動(dòng)期間，通過電子附著而使部分還 原氣體形成負(fù)離子，然后移動(dòng)至目標(biāo)組件，即基電極和基片表面。從而在基片表面上，無需 傳統(tǒng)的焊劑，負(fù)電離子能還原存在的金屬氧化物。此外由于負(fù)電離子沿著電場(chǎng)的移動(dòng)，能促 進(jìn)待處理表面上的活性物質(zhì)的吸附作用。在其中還原氣體含有氫氣的具體實(shí)施方式
中，認(rèn)為本發(fā)明的方法如下發(fā)生
H2(dissociative attachment) :H2+e' — Η>Η (I)電子附著在氫原子上e，+H — H— (II)結(jié)合(I)和(II):2e，+H2 — 2F (III)氧化物還原2H_+M0 — M+H20+2e' (Μ =焊料/基片金屬()(IV)在這些具體實(shí)施方式
中，由于電子附著形成原子氫離子消除了與分子氫氣鍵斷裂 有關(guān)的能量，因此，利用本發(fā)明電子附著方法使金屬氧化物還原的活化能低于利用分子氫 氣的方法。在某些具體實(shí)施方式
中，將足以導(dǎo)致發(fā)射電極產(chǎn)生電子的能量施加到至少一個(gè)電 極，優(yōu)選發(fā)射電極。能量源優(yōu)選是電能源或電壓電源，如AC或DC電壓電源。其它能量源， 如電磁能源、熱能源或光電能源也可單獨(dú)使用，或與任何上述能源結(jié)合使用。在本發(fā)明的具 體實(shí)施方式中，發(fā)射電極連接到第一電壓水平且基電極連接到第二個(gè)電壓水平。電壓水平 間的差異引起電位偏壓。第一或第二電壓水平中的一個(gè)可以為零，這表示這兩個(gè)電極的任 一個(gè)可以接地。為通過電子附著產(chǎn)生負(fù)電離子，需產(chǎn)生大量電子。與此有關(guān)的是，電子可通過多種 方式產(chǎn)生，例如但不限于陰極發(fā)射、氣體放電或它們的組合。這些電子產(chǎn)生方法中，方法的 選擇主要取決于產(chǎn)生的電子的效率和能級(jí)。對(duì)于還原氣體是氫氣的具體實(shí)施方式
來說，優(yōu) 選能級(jí)接近4eV的電子。這些具體實(shí)施方式
中，如此低能級(jí)的電子優(yōu)選通過陰極發(fā)射而不 是氣體放電產(chǎn)生。產(chǎn)生的電子隨后可從發(fā)射電極移向基電極，在那里產(chǎn)生空間電荷。當(dāng)氫 氣穿過至少兩個(gè)電極或在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)時(shí)，空間電荷通過電子附著提供產(chǎn)生負(fù)電氫離子的電 子源。對(duì)于涉及通過陰極發(fā)射產(chǎn)生電子的具體實(shí)施方式
來說，這些具體實(shí)施方式
可包 括場(chǎng)發(fā)射(這里指冷發(fā)射)、熱發(fā)射(這里指熱的發(fā)射)、熱一場(chǎng)發(fā)射、光電子放射和電子 或離子束發(fā)射。場(chǎng)發(fā)射涉及將具有負(fù)偏壓的電場(chǎng)施加到相對(duì)于基電極具有足夠高的強(qiáng)度的發(fā)射 電極上，以克服從發(fā)射電極表面產(chǎn)生的電子勢(shì)能。在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，在兩個(gè)電極間 施加的DC電壓范圍為0. 1至50kV，優(yōu)選2至30kV。在這些具體實(shí)施方式
中，電極間的距離 為0. 1至30cm，優(yōu)選0. 5至5cm。另一方面，熱發(fā)射涉及利用高溫來激發(fā)在發(fā)射電極中的電子，并將該電子從發(fā)射 電極材料的金屬鍵中分離出來。在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，發(fā)射電極的溫度可為800至 3500°C，優(yōu)選800至1500°C?？刹捎酶鞣N方法例如但不限于，采用使AC或DC流穿過電極直 接加熱；間接加熱如使得陰極表面與經(jīng)加熱元件、紅外輻射或它們的組合加熱的電絕緣熱 表面接觸來使發(fā)射電極產(chǎn)生和/或保持高溫。熱一場(chǎng)發(fā)射是用于產(chǎn)生電子的場(chǎng)發(fā)射和熱發(fā)射方法的混合，其中既施加電場(chǎng)也施 加高溫。因此，與單純場(chǎng)發(fā)射和單純熱發(fā)射相比，熱一場(chǎng)發(fā)射需要更小的電場(chǎng)和更低的電極 溫度來產(chǎn)生相同量的電子。熱一場(chǎng)發(fā)射能將單純場(chǎng)發(fā)射遇到的困難最小化，如通過發(fā)射表 面的污染引起電子發(fā)射降低的趨勢(shì)，和降低對(duì)發(fā)射表面平整性和均一性的高限制。此外，熱 一場(chǎng)發(fā)射也可避免與熱發(fā)射相關(guān)的問題，如發(fā)射電極和氣相間化學(xué)反應(yīng)的高電位。在具體 實(shí)施方式中，熱一場(chǎng)發(fā)射用于產(chǎn)生電子，發(fā)射電極的溫度從室溫至3500°C，或更優(yōu)選150至 1500°C。在這些具體該實(shí)施方式中，電壓可從0. 01至30kV，或更優(yōu)選從0. 1至10kV。9
在某一優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，熱發(fā)射或熱一場(chǎng)發(fā)射方法用于產(chǎn)生電子。這些實(shí) 施方式中，用于這些方法中的任一個(gè)的高溫發(fā)射電極，對(duì)穿過由兩個(gè)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)的氣 體混合物也可起到熱源的作用，從而能減少隨后回流處理步驟中加熱氣體所需的熱能。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，電子產(chǎn)生是經(jīng)由陰極發(fā)射和電暈放電方法相結(jié)合來完 成的。這些具體實(shí)施方式
中，能量源如DC電壓施加在兩個(gè)電極間，電子既可從發(fā)射電極(冷 或熱)也可從鄰近發(fā)射電極的氣相(電暈放電)產(chǎn)生。為提高通過電子附著形成負(fù)電離子 的效率和延長(zhǎng)發(fā)射電極的壽命，電暈放電優(yōu)選是最小化的。在陰極發(fā)射機(jī)制用于電子發(fā)射的具體實(shí)施方式
中，施加在兩個(gè)電極間的電壓可為 恒電壓或脈沖電壓。電壓脈沖頻率范圍從0至100kHz。圖Ia和Ib分別提供發(fā)射電極上和 基電極上電壓脈沖的示意圖。這些具體實(shí)施方式
中，確定如圖Ia和Ib所示的脈沖電壓優(yōu) 選是恒壓的，提高產(chǎn)生的電子的數(shù)量，并且降低氣相放電的趨勢(shì)。對(duì)于涉及通過氣體放電產(chǎn)生電子的具體實(shí)施方式
來說，這些實(shí)施方式可包括熱放 電、光電子放電和各種雪崩放電(avalanche discharge)，包括輝光放電、弧光放電、火花放 電，和電暈放電。這些具體實(shí)施方式
中，通過氣相電離產(chǎn)生電子。氣相是包含還原氣體和惰 性氣體的氣體混合物。在氣相電離的具體實(shí)施方式
中，在兩電極間施加電壓電源，電子可從 兩電極間的氣體混合物中的惰性氣體產(chǎn)生，隨后移向正偏壓電極如基電極。在電子移動(dòng)期 間，部分這些電子通過電子附著附在還原氣體分子上并形成負(fù)電離子。此外，一些帶正電的 離子也在惰性氣體中產(chǎn)生，隨后移向負(fù)偏壓電極如發(fā)射電極并在電極表面被中和。如前面提到的，當(dāng)發(fā)射電極相對(duì)于基電極具有負(fù)偏壓時(shí)，電子可從發(fā)射電極產(chǎn)生。 參見圖加至2i，發(fā)射電極可具有各種幾何形狀，如細(xì)線加、具有尖端的棒2b、具有多個(gè)尖端 或齒的棒2c、篩網(wǎng)或絲網(wǎng)2d、松散盤管(loose coil) 2e、齒排2f、細(xì)線或細(xì)絲束2g、具有突 出于其表面的尖端的棒池、或具有滾花表面(knurled surface)的板2i。其它幾何體可包 括上述幾何體的結(jié)合，如具有表面突起的板或棒、線(wire)或絲纏繞的棒、細(xì)線卷等?？墒?用多個(gè)電極，它們可以并串聯(lián)(parallel series)或交叉網(wǎng)格(intersecting grid)的形 式布置。更進(jìn)一步的幾何形狀可包括車輪式(wagon wheel)幾何體，其中大量的電極以放 射方式如輪子的“輻(spokes)”形式排列。在具體實(shí)施方式
中，例如其中涉及場(chǎng)發(fā)射的具體 實(shí)施方式中，陰極優(yōu)選由具有大表明曲率(surface curvature)的幾何體組成，如大量尖端 以使鄰近電極表面的電場(chǎng)最大化，如圖3中描述的幾何體。如圖3所示，電極1有一系列位 于電極表面凹槽中的細(xì)線2和沿電極表面散發(fā)的大量尖端3。作放射電極的電極材料優(yōu)選包含相對(duì)低的電子發(fā)射能量或功函(work function) 的導(dǎo)電材料。該材料也優(yōu)選具有高熔點(diǎn)和在處理?xiàng)l件下具有相對(duì)高的穩(wěn)定性。適宜材料 的例子包括金屬、合金、半導(dǎo)體、和包覆或沉積在導(dǎo)電基片上的氧化物。進(jìn)一步的例子包括 但不限于鎢、石墨、高溫合金如鎳鉻合金，以及金屬氧化物如沉積在導(dǎo)電基片上的BaO和 Al2O30用作基電極的電極可包括導(dǎo)電材料如金屬或本文公開的其他任何材料。根據(jù)應(yīng)用 基電極可以有各種不同的幾何形狀。在本發(fā)明涉及熱一場(chǎng)發(fā)射的具體實(shí)施方式
中，發(fā)射電極可包括分段組件如圖4描 繪的電極。在這點(diǎn)上，發(fā)射電極的芯10可由具有高電阻的金屬制得。大量的端11從芯10 發(fā)散。端11可由具有相對(duì)低的電子發(fā)射能量或功函的導(dǎo)電材料如本文公開的任何材料來制得?？刹捎弥苯幼孉C或DC電流(未圖示)穿過芯10來加熱芯。熱傳導(dǎo)會(huì)將熱量從芯 傳至端11。熱芯10和大量端11封在殼(enclosure) 12中，該殼然后插入支撐架從而形成 所示的分段組件。端11暴露在殼12外面。殼12由絕緣材料組成。操作過程中，分段組件 允許芯的熱膨脹。該布置中，通過相對(duì)于基電極在發(fā)射電極上施加負(fù)偏壓，從熱端11產(chǎn)生 電子。在另一涉及熱一場(chǎng)發(fā)射的本發(fā)明的優(yōu)選具體實(shí)施方式
中，間接加熱可提高發(fā)射電 極的溫度。這可以利用作為發(fā)射電極的芯的加熱筒來完成。加熱筒表面可含有導(dǎo)電材料， 如金屬，其與加熱筒內(nèi)的加熱元件電絕緣。為促進(jìn)電子發(fā)射，大量分布的發(fā)射端可安裝在加 熱筒表面。可通過使AC或DC電流通過筒內(nèi)的加熱元件來加熱筒。通過相對(duì)于第二電極在 筒表面施加負(fù)偏壓，可從筒的分布端產(chǎn)生電子。為在該布置中產(chǎn)生電偏壓，第二電極可接地 使得筒可以為負(fù)偏壓，或可選地，筒可接地使得第二電極可以為正偏壓。一些具體實(shí)施方式
中，更優(yōu)選后一種情況，以消除兩個(gè)電路間的電位干擾，如一個(gè)電路可以為沿著加熱元件的 AC或DC電流，另一個(gè)電路可以為筒表面和第二電極間的高電偏壓。這些具體實(shí)施方式
中， 熱筒電極也可以作為氣體混合物的熱源，以達(dá)到回流處理步驟所需溫度。如前面提到的，包含還原氣體的氣體混合物穿過由至少兩個(gè)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)。包 含在氣體混合物中的還原氣體可以為下列種類中的一種或多種1)本質(zhì)上為還原性的氣 體，2)能產(chǎn)生活性物質(zhì)的氣體，該活性物質(zhì)與金屬氧化物反應(yīng)產(chǎn)生氣體氧化物，或幻能產(chǎn) 生活性物質(zhì)的氣體，該活性物質(zhì)與金屬氧化物反應(yīng)形成液體或水性氧化物。第一類氣體、或本質(zhì)上為還原性的氣體，包括熱力學(xué)上可作為待除去的氧化物的 還原劑的任何氣體。本質(zhì)上為還原性的氣體的實(shí)例包括H2、CO、SiH4, Si2H6,甲酸、醇諸如甲 醇、乙醇等，以及一些具下式(III)的酸性蒸氣O(III) R-C-OH式(III)中，取代基R可為烷基、取代烷基、芳基或取代芳基。本文使用的術(shù)語(yǔ)“烷 基”包括直鏈、支鏈或環(huán)烷基，優(yōu)選含有1至20個(gè)碳原子，或更優(yōu)選1至10個(gè)碳原子。這也 適用于包含在其它基團(tuán)中的烷基部分，如鹵烷基、烷芳基或芳烷基。術(shù)語(yǔ)“取代烷基”適用 于具有取代基的烷基部分，取代基包括雜原子如0、N、S或鹵原子；OCH3 ；0R(R = C1,烷基 或 C6_1Q 芳基)K1,烷基或 C6_1Q 芳基；NO2 ； SO3R (R = C1,烷基或 C6_1Q 芳基)；或 NR2 (R = H， C1,烷基或C6_1(l芳基)。本文使用的術(shù)語(yǔ)“鹵素”包括氟、氯、溴和碘。本文使用的術(shù)語(yǔ)“芳 基”包括具有芳香性的6至12元碳環(huán)。本文使用的術(shù)語(yǔ)“取代芳基”包括具有取代基的芳 環(huán)，取代基包括雜原子如0、N、S或鹵原子；OCH3 ；0R(R = C1,烷基或C6_10芳基)；C1^10烷基 或 C6_1Q 芳基；NO2 ； SO3R (R = C1,烷基或 C6_1Q 芳基)；或 NR2 (R = H，C1,烷基或 C6_1(1 芳基)。 在優(yōu)選的具體實(shí)施方式
中，氣體混合物含有氫氣。第二類還原氣體包括任何本質(zhì)上無還原性、但可通過電子在氣體分子上的離解附 著而產(chǎn)生活性物質(zhì)例如H、C、S、H’、C’和S’、并且通過活性物質(zhì)與待去除的金屬氧化物反應(yīng) 而形成氣體氧化物的氣體。這類氣體的例子包括NH3, H2S, C1至Cltl的烴例如但不限于CH4, C2H4，式(III)的酸性蒸氣，和下式(IV)的有機(jī)蒸氣
權(quán)利要求
1.從基片的處理表面去除金屬氧化物的方法，該方法包括提供鄰近具有接地電位的基電極的基片，該基片包括含有金屬氧化物的處理表面；提供鄰近基電極和基片的激發(fā)電極，其中至少部分處理表面暴露于激發(fā)電極且其中基 電極和激發(fā)電極及基片位于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，其中激發(fā)電極由包含突出的導(dǎo)電端陣列的絕緣板 限定，其中導(dǎo)電尖端通過導(dǎo)線電連接，其中部分所述陣列分成第一電連接組和第二電連接 組，其中第一或第二電連接組中的一個(gè)與正偏壓的DC電壓電源連接，和第一或第二電連接 組中的另一個(gè)與負(fù)偏壓的DC電壓電源連接，且其中正偏壓的DC電壓電源和負(fù)偏壓的DC電 壓電源與能交替負(fù)偏壓的DC電壓電源和正偏壓的DC電壓電源間的能量供給的功能控制器 電連接；使包含還原氣體的氣體混合物通過目標(biāo)區(qū)域；通過啟動(dòng)負(fù)偏壓的DC電壓電源激發(fā)導(dǎo)電尖端行以在所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電子，其中 至少部分電子附著于至少部分還原氣體從而形成帶負(fù)電的還原氣體；使處理表面與帶負(fù)電的還原氣體接觸以還原基片處理表面上的金屬氧化物；以及通過啟動(dòng)正偏壓的DC電壓電源激發(fā)成排的導(dǎo)電尖端以從處理表面回收過量的電 子，其中與負(fù)偏壓的DC電壓電源電連接的成排的導(dǎo)電尖端和與正偏壓的DC電壓電源電連 接的成排的導(dǎo)電尖端不同時(shí)激發(fā)；其中激發(fā)電極進(jìn)一步包括內(nèi)部空間和與內(nèi)部空間流體連通的氣體入口，其中至少部分 導(dǎo)電端具有與內(nèi)部空間流體連通的內(nèi)部通路，其中至少部分還原氣體通過氣體入口進(jìn)入內(nèi) 部空間和通過內(nèi)部通路進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在將還原氣體引入目標(biāo)區(qū)域之前，對(duì)至少部分還原氣體預(yù) 加熱到溫度200到800°C。
3.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括補(bǔ)償電極接近基片、基電極和/或激發(fā)電極。
4.權(quán)利要求1的方法，其中還原氣體為選自以下的氣體H2，CO,SiH4, Si2H6, CF4, SF6, CF2Cl2, HCl，BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, HF, NH3, H2S,直鏈、支化或環(huán)狀 C1-Cltl 烴，甲酸，醇， 具有下式(III)的酸性蒸氣
5.權(quán)利要求4的方法，其中還原氣體包含H2。
6.權(quán)利要求5的方法，其中還原氣體中的H2濃度為0.1-100%體積。
7.權(quán)利要求1的方法，其中氣體混合物進(jìn)一步包含選自氮、氦、氖、氬、氪、氙、氡以及它 們的混合物的載氣。
8.權(quán)利要求1的方法，其中基電極與激發(fā)電極彼此間隔1.Ocm的距離。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述電壓在0.IkV到30kV范圍內(nèi)。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述頻率介于OkHz和30kHz之間。
11.權(quán)利要求1的方法，其中基片處于100°C到400°C的溫度范圍內(nèi)。
12.權(quán)利要求1的方法，其中電壓以O(shè)kHz到50kHz間的頻率脈沖以防止起弧。
13.權(quán)利要求1的方法，其中絕緣板包含選自石英、陶瓷材料、聚合物及它們的混合物 的材料。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述絕緣板為石英板。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述絕緣板包含聚合物。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述聚合物為環(huán)氧聚合物。
17.權(quán)利要求1的方法，其中所述處理表面進(jìn)一步包含焊料凸起。
18.權(quán)利要求1的方法，其中所述基片為絕緣基片，所述絕緣基片選自剛性環(huán)氧樹脂 玻璃層壓板基片、柔性彎曲的聚合物基片、高密度互連的集成電路互連設(shè)計(jì)中使用的基片、 層疊集成電路中使用的基片和堆疊封裝中使用的基片。
19.用來從位于目標(biāo)區(qū)域中的基片的處理表面去除金屬氧化物的裝置，所述裝置包括具有接地電位的基電極；和鄰近所述基電極和所述基片的激發(fā)電極，所述激發(fā)電極包括包含導(dǎo)電端陣列的絕緣 板，其中所述導(dǎo)電端通過導(dǎo)線電連接，其中部分所述陣列分成第一電連接組和第二電連接 組，其中所述第一或第二電連接組中的一個(gè)與正偏壓的DC電壓電源連接，所述第一或第二 電連接組中的另一個(gè)與負(fù)偏壓的DC電壓電源連接，且其中所述正偏壓的DC電壓電源和所 述負(fù)偏壓的DC電壓電源與能交替所述負(fù)偏壓的DC電壓電源和所述正偏壓的DC電壓電源 間的能量供給的功能控制器電連接；其中至少部分所述導(dǎo)電端由負(fù)偏壓的DC電壓電源啟動(dòng)以在所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電 子，其中至少部分所述電子附著于目標(biāo)區(qū)域中存在的至少部分還原氣體，從而形成帶負(fù)電 的還原氣體，所述還原氣體與所述處理表面接觸而還原基片的處理表面上的金屬氧化物；其中激發(fā)電極進(jìn)一步包括內(nèi)部空間和與內(nèi)部空間流體連通的氣體入口，其中至少部分 導(dǎo)電端具有與內(nèi)部空間流體連通的內(nèi)部通路，其中至少部分還原氣體混合物通過氣體入口 進(jìn)入內(nèi)部空間和通過內(nèi)部通路進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域。
20.權(quán)利要求19的裝置，進(jìn)一步包括補(bǔ)償電極接近基片、基電極和/或激發(fā)電極。
21.還原金屬氧化物并在基片中形成焊點(diǎn)的方法，所述基片包括層，其中所述層包括多 個(gè)焊料凸起，該方法包括提供鄰近具有接地電位的基電極的基片，該基片包括層，該層包括多個(gè)焊料凸起；提供鄰近基電極和基片的激發(fā)電極，其中至少部分該層和焊料凸起暴露于激發(fā)電極， 且其中基電極和激發(fā)電極及基片位于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，其中激發(fā)電極由包含突出的導(dǎo)電端陣列 的絕緣板限定，其中導(dǎo)電端通過導(dǎo)線電連接；使包含還原氣體的氣體混合物通過目標(biāo)區(qū)域；通過啟動(dòng)負(fù)偏壓的DC電壓電源激發(fā)成排的導(dǎo)電端以在所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電子，其 中至少部分電子附著于至少部分還原氣體從而形成帶負(fù)電的還原氣體；使處理表面與帶負(fù)電的還原氣體接觸回流焊料凸起，由此形成焊點(diǎn)。
全文摘要
本文描述了方法和裝置，用于在至少部分基片表面上的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)去除金屬氧化物和/或形成焊點(diǎn)。在一個(gè)特定的具體實(shí)施方式
中，基片包括具有許多焊料凸起的層，所述方法和裝置通過提供一個(gè)或多個(gè)激發(fā)電極并使至少部分層和焊料凸起暴露于激發(fā)電極用以實(shí)現(xiàn)在基片上還原金屬氧化物和形成焊點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102044418SQ20101052029
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者G·K·阿斯拉尼安, R·高希, 董春 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司