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激光清洗技术在微电子领域的应用

编辑：石嘴山矿用变压器厂家日期：2019-04-29 人气：315

激光清洗技术在微电子领域的应用激光清洗技术在微电子领域的应用激光清洗技术在微电子领域的应用

【摘要】激光清洗技术在微电子领域的应用，对该技术在清除细微颗粒方面所具有的独到的优越性进行了探讨。
摘要,本文介绍了激光清洗技术在微电子领域的应用，对该技术在清除细微颗粒方面所具有的独到的优越性进行了探讨。关键词激光清洗应用中图分类号TN24文献标识码A文章编号1672-2248(2004)08-0029-06
1.前言
在微电子领域，器件和材料表面的清洗一直是科学研究的一个重要环节，因为各种污染物可能会造成器件的严重损坏。随着现代科学技术的发展，电子器件的尺度和精密机械的配合间隙越来越小，微米级颗粒的污染也会带来很大危害，这就对清洗技术提出了更高的要求。现在有很多种清除污染物的方法如化学溶剂清洗、高压喷射清洗、真空中的热清洗等等，然而这种传统的清除污染物的方法已经渐渐不能适合现在科学技术的发展了，因为传统的清洗方法都是通过溶解及化学反应或施加机械力等方式来清除污染物的，在清除污染物的同时也不可避免的对器件造成了损伤，而且关键很难去除微米级的吸附颗粒。而激光技术在克服传统清洗技术不足的基础上，还表现出了很大的优越性。
九十年代初期，美国依阿华大学Susan Allen小组报导了采用激光作为辅助清洗手段的新的清洗技术，它是将水作为能量的转移体，首先在被清洗表面形成10微米厚的薄水层。然后用二氧化碳激光辐射表面，使水温很快升高至沸点以上，在水蒸发过程将表面残余的微粒带走。
之后美国IBM公司用248纳米准分子激光重复了上述实验，不同之处在于基板是吸收紫外光来加热表面的薄水层。在典型的激光辅助粒子清除系统中，TEA?C02激光器光束聚焦在材料表面，透镜焦距为30厘米，材料放在计算机控制的扫描平台上。蒸发用水层是采用40度的去离子水，蒸汽冷凝在较低温的基板上，然后用激光辐射完成清洗工作。
对于清除不同材料的微小颗粒，普通清洗对于≥1μm的颗粒几乎可以完全清除，而≤ 1μm的颗粒，清除效果就变差。而直接使用激光器发出的激光则可以利用光辐射的能量将这些微小的颗粒清除。这也就是激光清洗技术比普通清洗独到之处。
由于激光清洗技术具有高效率、无污染、可控制清洗过程的优点，它的应用潜力正得到广泛的开发。本文在结合激光清洗的特点及实验研究成果的基础上，重点讨论将激光清洗技术应用在微电子器件表面清洗工艺中的难点和可行性，并进一步分析其去除微粒的机理。
2、激光清洗去除器件表面微粒
2．1、原理
激光(Laser)同电子束和离子束统称为高能
束，共同特点是束流携带着很高的能量在空间传输，通过聚焦，在焦点附近可得到104～1015W／cm2功率密度的照射，是强度最高的热源。激光是在时间上和空间上高度集中的光束，同光和无线电波一样，都是电磁波。除了具有光的一般性质外，由于采用了光学谐振腔，使它
还具有如下特性：
1)单色性好
如He-Ne激光器，其波长入=0．6328 μm，△λ／λ≈10-11；波长λ=3．39 μm，△λ／λ≈10-18。目前波长为3．39μm的激光谱线被正式选作长度的基准。
2)方向性好
如单模He-Ne激光器输出的光束，其发散角2θ≈2，≈6×10-4 rad．
3)相干性好
按干涉理论，时间相干性τc = 1／c(λ2／△λ)，对应的相干长度Lc=cτc，式中c为光速．若θ'，为两个狭缝对光源中心的张角，则对于激光，θ'=2θ发散角很小，所以相干面积大，即空间相干性好。
4)高亮度
图3实验装置简图
按光度学，定向发光体的亮度Bhttp://zhongwei.cybxgg.com/的定义为B= P／△Ω?△S
式中P为辐射功率；
△Ω为发光束的立体角；
△S为发光体的面积．
如发光功率仅为10 mW的He-Ne激光，可比太阳的亮度高几千倍，所以说激光束是能量高度集中的光束。当物体被激光照射时，就是接受强能量的辐照。如果采用透镜将激光束聚焦到被射物体，光斑缩小，将可进一步提高单位面积的辐照功率密度。激光加工就是激光束高亮度(高功率)、高方向性特性的一种技术应用。其基本原理是把具有足够功率的激光束聚焦，然后照射到材料的适当部位。受照射的材料在10-11秒内便开始将光能转变为热能。根据不同的光照参量，材料可发生气化、熔化。
首先我们要介绍激光清洗的主体激光器。激光器是由工作物质、激励源和光学谐振器三大部分组成的，产生激光的物理基础是激励源与物质相互作用中的受激辐射现象，也就是说，处于激励态的活粒子的受激辐射，经过光学谐振腔内增益介质的震荡放大，从而形成激光。
激光器发出的激光从光纤中传输到聚焦镜头，聚焦后从喷嘴内孔抵达清洗工件表面。通常使用喷嘴，借助于与激光同轴的小孔喷嘴将具有一定压力的气体吹到清洗区。气体由辅助气源提供，其主要作用为防止镜头被飞溅物和烟尘污染，并起到净化工件表面，强化激光与材料的热作用。激光清洗微粒的机制是在激光束辐射下微粒的热膨胀，基体表面的热膨胀和施加于微粒的光压等三种。当这些作用力的合力(清洗力)大于器件表面对微粒的粘着力时，微粒就会脱落，而得到清洗。
2．2、激光清洗的机理
依据基底材料的特性、基底表面的精度、表面粗糙度几微粒污染物的种类，目前激光去除微粒所采用的方法如下：(1)微粒或表面吸收能量后，热扩散产生的力使微粒离开表面，这种方法称为“激光干式清洗法”，(2)微粒周围的介质吸收激光能量后，介质产生爆炸性汽化，把介质周围的微粒推离材料表面，这种方法被称为 “激光湿式清洗
法”：(3)激光能量被基底材料吸收，然后通过热对流，把吸附的中间介质加热，中间介质产生爆炸性汽化，在高气流的推动下，微粒同中间介质一起脱开基底表面(这种方法被称为“激光复式清洗法”)。上述三种激光辅助去除微粒的方法均足有效的，能大大提高清洗器件洁净度。
3、影响清洗效果的因素
激光束波长越长，能量密度也越高，相应的清洗力也就越大，能达到的清洁度就越高(图1)。能量密度阀值随脉冲次数增加，洁净度提高(图 2)。
对清洗激光束波长透明的器件，从背面照射其清洁度高于正面。此外，使用偏振光束和吹气等方法能提高洁净度。不同污染物和材料对清洗效果也有所不同。
3。激光清洗的实验
我校与西北大学合作曾在2001年采用瑞士 LASER AG生产的KLS522型号的Nd：YAG脉冲激光器，进行过激光清洗的试验。所用的试件足二氧化硅软质粒子抛光后表面光滑的基片，在扫描电镜(SEM) 下观察发现该光滑基片表面有大量残存的微米级的抛光微粒。在其上面均匀喷上一层微米厚的特制磁漆作为介质膜。
激光实验装置简图，见图3，实验表明，在Nd： YAG脉冲激光器的脉宽lms，脉冲的功率密度为 1．0x102w／m2时，激光的清洗效果较好。利用SEM对清洗前后的基片表面进行对比分析，结果显示，在该参数下，两个脉冲的清洗效果最佳。利用表面清洁度评估软件对清洗后的器件表面进行分析，发现清洗后的最大杂质颗粒尺寸比清洗前的缩小了10倍左右，由清洗前的3．53微米缩小到0．38微米，杂质粒子覆盖面积也由清洗前的12．08％缩小到了1．938％。可见激光清洗技术用于清除器件基片上的吸附的微米级及亚微米级颗粒效果是明显的。见表1。
四、应用情况
国外现状：
激光清洗技术研究起步于80年代中期，但直到90年代初期才真正步人工业生产中，在许多场合正在逐步取代传统清洗方法。国外清洗技术方面的研究情况见见表2：
国内现状：
国内的激光清洗技术是近年才起步的，基本上足跟踪国外的发展，国内清洗技术方面的研究情况见表3：
清洗微电子器件
①清洗聚酰亚胺薄膜
聚酰亚胺薄膜是高速度、高密度电子元件多层封装薄膜内部连接结构的介电材料。十几年来使用准分子激光剥离有机聚合物发展迅速，如今已贯穿电子元器件封装的全过程，用于清除Ti，Cr，W， Ni和Pb等对聚酰亚胺的污染，使用波长193nm和 248nm激光束清除铬污染聚酰亚胺的能量密度阀值，分别是40J／cm2和80J／cm2[1，2]。
②清洗电路板
用KrF准分子激光器，脉宽20ns，脉冲能量 300mJ，能量密度≤2J／cm2，重复频率1Hz，清洗为电子系统电路表面的Cu。O钝化薄膜[3]。
③集成电路组件消闪和退标
随着IC集成度提高，针脚越来越多，孔也越来越小。传统的清洗方法难以清除小孔中的模闪 (moldflash)，即细微粘连。用准分子激光消闪 (deflash)具有明显的优势，将成为最适合的消闪技术[4]。
在使用激光退标(demarking)的同时也把标记表面的灰尘、油脂和氧化物等清除干净了，而且再标记的耐久性好[4]。表1 脉冲器的标准特性表
表2国外清洗技术的研究现状表3国内清洗技术的研究现状
④清洗硅片
实验条件：基材，硅片，CO2激光器。使用多模脉冲CO2激光器，脉冲能量0．95J，脉宽0．2μ s，能量密度1J／cm2，清洗直径φ100mm硅片表面的AL2O3，SiO2和PSL(聚苯乙烯乳胶)微粒效果不错[5，6]。SiO2清洗前总数 495粒，清洗后总数52粒。
5、激光清洗技术的
优越性和存在的问题
传统的清洗方法分为三类：(1)机械清洗法，即采用刮、擦、刷的等手段达到清除表面污染物的目的，(2)湿法化学清洗法，他利用有机清洗剂，通过喷、淋或高频振动一除去油污等表面附着物； (3)超声波清洗法，将零件放入水或有机溶剂中，足利用超声波振动效应清除污垢。但是这些方法都存在一些不足之处，如机械方法操作简单灵活，但是有很大的局限性。主要是化学清洗对环境有很大的污染，机械清洗如果操作不当还容易对物件造成损坏。
随着集成电路的飞速发展，主要得益于半导体微细加工技术的进步。硅片基板的加工及电路光刻技术、微组装技术要求相当严格，光刻技术现已达到0．15 μm以下的光刻水平。在此高精度的要求下，器件的清洁度要求也非常高。目前采用传统清洗法中精度最高的超声波清洗法进行清洗，也无法清除微米级(0．5 μ m以下)污染粒，影响着高精度工业的发展。
可见传统清洗方法尽管还在较大范围内使用，但其自身的局限性暴露无疑：在这种情况下激光清洗技术作为一种新兴的清洗技术，能适应各种表面污染物的清洗，对环境污染小，也不损伤基体有着很大的优越性。
通过理论分析及实验说明，激光清洗具有广泛的应用范围和良好的推广前景。因为：
激光清洗不存在对工件材料的磨损和腐蚀，环保性能良好；能清除微米级颗粒足一般清洗所不容易达到的：能狭窄空间进行清洗作业，并能清除放射性物质：特别对于微电子行业中器件尺寸小，细小微粒不容易清除情况下，使用激光清洗的方法不影响材料内部原有韧性，并且能在不熔化金属表层的情况下，清除金属材料表面的锈斑和氧化物。经过激光清洗后，能改善金属材料微米厚表层的结构，如同覆盖了保护层。
但是同样因为激光清洗的机理导致了对与微电子元件深层缝隙中污染物清洗效果并不是很理想，现在更多的应用是在表面污染物的清除方面。然而，这并不影响它在很多领域的广泛应用，如使用Nd：glass或碘化物激光器，装备直径6m的聚焦系统和矫正大气紊流扰动的自适应光学系统已被用来净化太空垃圾；清洗因为核设施造成的放射性尘埃和废水以及存储退役的核能设备，镀锌板表面的红锈及钢材表面氧化皮的清除等等。
激光清洗技术足一种新的高效无污染的清洗技术，已在微电子和半导体行业的硅基片清洗工艺中得到实践和应用，实验表明该技术能去除硅片表面上吸附的大小为0．1微米的污染微粒，而且不损伤硅片的表面，目前该技术已逐渐应用于微电子领域中半导体基片的生产中，使产品的成品率得到很大提高。