DE102011116233B4 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung der ausbildung von oxiden auf lötmitteln - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verringerung der ausbildung von oxiden auf lötmitteln Download PDF

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Abstract

Verfahren mit den folgenden Schritten:Aufbringen (218) eines Lötmittels auf der Außenseite eines ersten Substrats;Entfernen (220) von Metalloxiden vom ersten Substrat;Aufbringen (224) einer Abdeckschicht auf der Außenseite des ersten Substrats, um eine Reoxidation des Lötmittels zumindest zu verringern;Reinigen (228) der Oberfläche des ersten Substrats mit O2-Plasma; undVerbinden (234) des ersten Substrats mit einem zweiten Substrat.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verringerung der Ausbildung von Oxiden auf Lötmitteln, wie sie bei Substraten für elektronische Baugruppen verwendet werden.
  • Beim Zusammenbau von Substraten mit elektronischen Baugruppen erfolgt oft eine Reinigung der Substrate mit dem Plasma einer Gasmischung, etwa einer Gasmischung mit H2, um Oxidschichten vom Lötmittel zu entfernen.
  • Herkömmliche Systeme zur Verbindung von Substraten mittels Lötmittel sind beispielsweise offenbart in JP S63 293952 A , JP 2006 222381 A , US 2003/0019917 A1 und JP 2006 279062 A .
  • Nach dem Entfernen der Metalloxide vom Lötmittel tritt jedoch das Problem auf, dass das Lötmittel sehr schnell wieder oxidiert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Reoxidation des Lötmittels zu verringern oder zu verhindern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass das kombinierte Plasmasystem/Verbindungssystem die Neubildung von Metalloxiden zumindest verringert und meist sogar verhindert. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Substrate, zum Beispiel Halbleiterwafer, mittels eines Plasmas gereinigt und dann verbunden, ohne dass sie Sauerstoff ausgesetzt werden, wodurch die Neubildung von Metalloxiden zumindest verringert wird. Die Abdeckschicht verhindert, dass die Substrate bzw. Wafer Sauerstoff ausgesetzt werden, so dass keine Metalloxide entstehen können.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird somit die Ausbildung und Neubildung von Metalloxiden auf Lötmitteln wirkungsvoll verringert oder sogar ganz verhindert, so dass die mit den Oxidschichten verbundenen Nachteile und Probleme wie eine geringe elektrische Leitfähigkeit, schlechte mechanische Haftung und dergleichen vermieden werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 in Blockform ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Verringern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat;
    • 2A bis 2C in Blockform Beispiele für Kammern bei der Vorrichtung der 1 zum Verringern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat;
    • 3 in der Form eines Ablaufdiagramms ein Beispiel für ein Verfahren zum Verringern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat;
    • 4 eine genauere Darstellung einer Ausführungsform mit einer Kammer für ein Plasma/Verbindungssystem bei der Vorrichtung der 1; und
    • 5 eine genauere Darstellung einer Ausführungsform mit zwei Kammern für das Plasma/Verbindungssystem bei der Vorrichtung der 1.
  • Anhand der 1 bis 5 der Zeichnung werden nun Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, wobei in den verschiedenen Darstellungen für gleiche und einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
  • Die 1 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung 10 zum Verringern oder Verhindern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat. Die Vorrichtung 10 kann eine oder mehrere Kammern zum Verringern oder Verhindern der Neubildung von Metalloxiden umfassen oder zu diesem Zweck eine Abdeckschicht auf dem Substrat aufbringen.
  • Manche Lötmittel oxidieren an Luft und bilden an ihrer Oberfläche ein Metalloxid aus, etwa Zinnoxid. Das Oxid verhindert oder erschwert in der Folge das Entstehen einer guten Verbindung zwischen den Bauteilen, die mit dem Lötmittel elektrisch verbunden werden sollen. Zum Beispiel können durch das Oxid Hohlräume entstehen, und das Oxid kann das Benetzen der Bauteile mit dem Lötmittel beim Verbindungsprozess erschweren. Diese Schwierigkeiten können dann zu Ausbeuteverlusten und Zuverlässigkeitsproblemen führen.
  • Das Entfernen der Oxidschichten erfolgt oft durch eine Plasmareinigung mit einer Gasmischung, die zum Beispiel H2 enthält. Das Oxid bildet sich jedoch sofort wieder, wenn das gereinigte Substrat dem Sauerstoff der Luft ausgesetzt wird. Bei der Verbindung von Substraten in Waferform mittels des von Düsen ausgestoßenen Lötmittels oxidiert das Zinn (Sn) an der Luft sofort und bildet Zinnoxid, sobald es die Düse verlässt.
  • Die Vorrichtung 10 kann zur Bearbeitung eines Substrats in der Form eines Wafers vorgesehen sein. Ein Wafer ist eine dünne Scheibe aus einem Halbleitermaterial, etwa aus einem Siliziumkristall. Der Wafer kann zur Herstellung von integrierten Schaltungen und anderen Mikrobauteilen verwendet werden und dabei als Substrat für mikroelektronische Elemente dienen, die in und auf dem Wafer angeordnet werden. Die Substrate können für beliebige Verwendungszwecke vorgesehen sein, etwa für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) oder Infrarotdetektoren (IR-Detektoren). Dabei kann zum Beispiel ein erstes Substrat mit einer Basis aus aufeinanderfolgenden Metallschichten (zum Beispiel der Schichtfolge Ti/Pt/Au) mittels eines Lötmittels mit einem zweiten Substrat mit einer MEMS-Schaltung verbunden werden.
  • Bei dem gezeigten Beispiel umfasst die Vorrichtung 10 ein Bedrucksystem 20 mit einem Aufbringungssystem 26 und ein Plasma/Verbindungssystem 24. Das Aufbringungssystem 26 bringt auf die Außenseite wenigstens eines von einer Anzahl von Substraten ein Lötmittel auf. Das Plasma/Verbindungssystem 24 umfasst ein Plasmasystem und ein Verbindungssystem. Das Plasmasystem reinigt das mindestens eine Substrat mittels eines Plasmas, und das Verbindungssystem verbindet die Substrate. Das Plasma/Verbindungssystem 24 ist so ausgestaltet, dass eine Neubildung von Metalloxiden auf dem Lötmittel, das heißt eine Reoxidation des Lötmittels, verhindert oder zumindest stark reduziert wird. Das Bedrucksystem 20 und das Plasma/Verbindungssystem 24 können jeweils von eigenen Systemen gebildet werden, sie können jedoch auch zu einem System zusammengefasst sein, das die Arbeitsschritte beider Systeme ausführt.
  • Das Bedrucksystem 20 kann ein Lötmittel auf ein Substrat aufbringen. Es kann zu diesem Zweck ein Aufbringungssystem 26 enthalten. Das Aufbringungssystem 26 bringt das Lötmittel auf eine geeignete Weise auf die Außenseite eines Substrats auf. Zum Beispiel kann das Lötmittel aus Düsen abgegeben werden. Es kann auch eine Lötmittel-Vorform verwendet werden, das heißt ein Lötmittel in einer besonderen Form. Andere Beispiele sind das Vakuum-Aufdampfverfahren und das Beschichten auf galvanische oder andere Weise.
  • Das Lötmittel ist eine niedrigschmelzende metallische Legierung mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 90 bis 450 Grad Celsius (190 bis 840 °F) (etwa zwischen 180 und 190 °C (360 und 370 °F)), die aufgeschmolzen wird, um metallische Oberflächen zu verbinden. Das Lötmittel kann jede geeignete Kombination von dafür geeigneten Metallen umfassen. Beispiele für die Metalle sind Zinn, Blei, Kupfer, Silber, Gold, Wismut, Indium, Zink, Antimon und Spuren anderer Metalle. Das Lötmittel kann zum Beispiel eine Gold-Zinn-Legierung sein, etwa Au80Sn20.
  • Das Bedrucksystem 20 kann zum Aufbringen des Lötmittels zuerst ein Photolackmuster erzeugen, das die Bereiche vorgibt, in denen das Lötmittel auf das Substrat aufgetragen wird. Das Aufbringungssystem 26 bringt dann das Lötmittel auf diese Bereiche auf.
  • Das Plasma/Verbindungssystem 24 reinigt dann die Substrate und verbindet sie miteinander. Die Plasmareinigung kann dabei auf jede geeignete Weise erfolgen. Die Plasmareinigung der Substrate erfolgt mit einem energiereichen Gas-Plasma. Es kann dazu jedes geeignete Gas verwendet werden, etwa ein Gas, das eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält: Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Helium und/oder Luft. Das Plasma kann dadurch erzeugt werden, dass mit einer Hochfrequenzspannung das unter geringem Druck stehende Gas ionisiert wird. Im Plasma werden die Gasatome auf hohe Energiezustände angeregt und ionisiert. Die im Plasma aktivierten Atome und Ionen wirken wie ein molekulares Sandstrahlgebläse und zerlegen organische und andere Verunreinigungen in ihre Bestandteile. Die Verunreinigungen werden auf diese Weise verdampft und entfernt.
  • Das Plasma/Verbindungssystem 24 kann die Substrate auf jede geeignete Weise verbinden. Das Plasma/Verbindungssystem 24 richtet dabei die Substrate zueinander aus, von denen eines oder mehrere mit Lötmittel versehen sind. Das Plasma/Verbindungssystem 24 kann dann Druck auf die Substrate ausüben, um sie miteinander zu verbinden.
  • Die Neuausbildung von Metalloxiden auf den Substraten kann vom Plasma/Verbindungssystem 24 auf jede geeignete Weise verringert und sogar ganz verhindert werden. Das Plasma/Verbindungssystem 24 enthält dazu eine oder mehrere Kammern, die verhindern, dass Sauerstoff auf die Substrate einwirkt. Die Kammern sind umschlossene Räume, aus denen ein oder mehrere Gase entfernt wurden. Zum Beispiel können die Kammern Vakuumkammern sein, in denen ein geringer Druck von weniger als 10 Pascal (Pa) oder ein Druck von 10 bis 20 Pa herrscht. Die Kammern können jedoch auch Kammern sein, bei denen mittels eines Gases andere Gase entfernt werden. Zum Beispiel kann in einer Stickstoffkammer Stickstoffgas dazu verwendet werden, Sauerstoffgas hinauszudrücken, um eine niedrige Konzentration an Sauerstoff von weniger als etwa 1 Teil pro Million (ppm) zu erhalten.
  • Die Kammern können jeweils eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, die mit Vakuumverschlüssen abgedeckt sind, damit Instrumente oder Fenster in den Wänden der Kammer angebracht werden können. Die Kammern können auf jede geeignete Weise angeordnet werden. Anhand der 2A bis 2C werden Ausführungsformen des Plasma/Verbindungssystems 24 mit solchen Kammern genauer beschrieben.
  • Die 2A zeigt eine Ausführungsform des Plasma/Verbindungssystems 24 mit einer Plasma/Verbindungskammer 30. In der Plasma/Verbindungskammer 30 werden die Substrate einer Plasmareinigung unterzogen und miteinander verbunden, ohne dass das Lötmittel nach dem Entfernen der Metalloxide durch die Plasmareinigung und vor dem Verbinden der Substrate mit Luft in Kontakt kommt. Zu diesem Zweck ist in die Plasma/Verbindungskammer 30 ein Plasmasystem und ein Verbindungssystem integriert.
  • Die 2B zeigt eine Ausführungsform des Plasma/Verbindungssystems 24 mit einer Plasmakammer 34, einem Belade- und Verschlussmodul 36 und einer Verbindungskammer 38. In der Plasma/Verbindungskammer 34 werden die Substrate einer Plasmareinigung unterzogen, und in der Verbindungskammer 38 werden die Substrate miteinander verbunden. Die Plasmakammer 34 ist über das Belade- und Verschlussmodul 36 mit der Verbindungskammer 38 derart verbunden, dass das Vakuum in allen Kammern aufrecht erhalten bleibt, wenn die Substrate von der Plasmakammer 34 durch das Belade- und Verschlussmodul 36 in die Verbindungskammer 38 befördert werden, um nach der Reinigung miteinander verbunden zu werden. Die Plasmakammer 34 kann jedoch auch ohne das Belade- und Verschlussmodul 36 direkt derart mit der Verbindungskammer 38 verbunden sein, dass das Vakuum bei der Beförderung der Substrate erhalten bleibt.
  • Die 2C zeigt eine Ausführungsform des Plasma/Verbindungssystems 24 mit einer Kammer 40. Die Plasmakammer 34 und die Verbindungskammer 38 befinden sich in der Kammer 40. Die Kammer 40 kann zum Beispiel eine Stickstoffkammer sein, aus der das Sauerstoffgas (die Luft) mit Stickstoff herausgedrückt wird. Die Kammer 40 kann jedoch auch eine Vakuumkammer sein, in der ein nur sehr geringer Druck herrscht.
  • Bei dem Plasma/Verbindungssystem 24 der 1 kann auch eine Abdeckschicht dazu verwendet werden, die Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat zu verringern und zu verhindern. Die Vorrichtung 10, zum Beispiel das Bedrucksystem 20 und/oder das Plasma/Verbindungssystem 24, wird dann dazu verwendet, das jeweilige Substrat mittels eines Plasmas zu reinigen und daraufhin eine Abdeckschicht auf das Substrat aufzubringen, die oxidationsfest ist. Die Vorrichtung 10 kann dann die Substrate ätzen und reinigen. Eine derartige Ausführungsform wird genauer anhand der 3 beschrieben.
  • Die 3 zeigt eine Ausführungsform eines Verfahrens, mit dem die Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat verringert und verhindert werden kann. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 210, in dem das Substrat einer Photolithographie unterzogen wird, um auf dem Substrat eine strukturierte Metallschicht auszubilden. Dazu wird auf dem Substrat im Schritt 214 mit Photolack ein Muster ausgebildet. Das Photolackmuster bezeichnet die Bereiche, auf die ein Lötmittel aufzubringen ist. Zum Beispiel wird das Lötmittel in den Bereichen um abgedeckte Bereiche herum aufgebracht.
  • Im Schritt 218 wird das Lötmittel auf die Außenseite des Substrats aufgebracht. Im Schritt 219 wird auf die Außenseite des Substrats eine Goldschicht aufgebracht. Das Lötmittel wird vom Aufbringungssystem 26 in den Bereichen aufgebracht, die das Photolackmuster bezeichnet. Im Schritt 220 werden Metalloxide vom Substrat entfernt. Die Metalloxide können auf jede geeignete Weise entfernt werden, zum Beispiel durch eine Plasmareinigung oder durch Sputterätzen. Dabei wird die Oberfläche des Lötmittels mit energiereichen Ionen bombardiert, um das ganze Oxid oder im Wesentlichen das ganze Oxid vom Lötmittel zu entfernen.
  • Im Schritt 224 wird auf die Außenseite des Substrats eine Abdeckschicht aufgebracht. Die Abdeckschicht enthält ein Abdeckmaterial, das keiner Oxidation unterliegt, etwa Gold. Das Aufbringen der Abdeckschicht unmittelbar nach dem Entfernen der Metalloxide, bevor das Substrat mit Sauerstoff in Kontakt kommt, verhindert die Neubildung der Metalloxide.
  • Die Abdeckschicht kann auf jede geeignete Weise aufgebracht werden. Zum Beispiel kann ein Vakuum-Aufdampfverfahren (Physical Vapor Deposition, PVD) dazu verwendet werden, die Abdeckschicht durch die Kondensation einer verdampften Form des Abdeckmaterials aufzubringen. Bei dem PVD-Vakuum-Aufdampfverfahren wird zum Abscheiden des Materials ein physikalisches Verfahren wie eine Plasma-Sputter-Bombardierung oder eine Hochtemperatur-Vakuumverdampfung verwendet. Bei der Sputterabscheidung wird das Abdeckmaterial von einer Quelle abgesputtert oder ausgestoßen und auf der Außenseite des Substrats abgeschieden. Beim Aufdampfen wird das Abdeckmaterial im Vakuum verdampft, was es den Dampfpartikeln ermöglicht, direkt zum Substrat zu gelangen. Die Dampfpartikel kondensieren dann auf der Außenseite des Substrats und werden dort abgeschieden. Nach dem Aufbringen der Abdeckschicht schützt die Abdeckschicht das Substrat vor Oxidation, so dass das Substrat der Atmosphäre ausgesetzt werden kann. Im abschließenden Lötprozess wird die Abdeckschicht an der Verbindungslinie in das Lötmittel eingebaut. Die Zusammensetzung des Lötmittels kann vorher so eingestellt werden, dass die durch die Goldschicht in das Lötmittel eingebrachte Goldmenge berücksichtigt wird.
  • Im Schritt 226 werden der Photolack und überschüssiges Gold entfernt. Im Schritt 228 wird die Oberfläche des Substrats mit O2-Plasma gereinigt. Im Schritt 230 wird das Substrat mit einem anderen Substrat ausgerichtet. Im Schritt 234 werden die beiden Substrate miteinander verbunden. Damit endet das Verfahren.
  • Die 4 zeigt eine Ausführungsform einer Kammer 30 für ein Plasma/Verbindungssystem 50 zum Verringern und Verhindern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat. Das Plasma/Verbindungssystem 50 umfasst die Plasma/Verbindungskammer 30 mit einem Gaseinlass 60 für das Plasmagas, Elektroden 62 für die Plasmaerzeugung, eine Vakuumpumpe 64 zum Erzeugen eines Vakuums in der Kammer 30, eine Halterung 66 für die Wafer, die das Substrat bilden, und eine Verbindungsplatte 68 zum Verbinden der Wafer.
  • Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines Plasma/Verbindungssystems 52 zum Verringern und Verhindern der Neubildung von Metalloxiden auf einem Substrat mit zwei Kammern 34 und 38. Das Plasma/Verbindungssystem 52 umfasst die Plasmakammer 34, ein Belade- und Verschlussmodul 36 und die Verbindungskammer 38. Die Plasmakammer 34 weist einen Gaseinlass 60 für das Plasmagas, Elektroden 62 für die Plasmaerzeugung und eine Halterung 66 für die Wafer, die das Substrat bilden, auf. Das Belade- und Verschlussmodul 36 enthält ein Ventil. Die Verbindungskammer 38 enthält Verbindungsplatten 68 zum Verbinden der Wafer und eine Vakuumpumpe 64 zum Erzeugen eines Vakuums in den Kammern 34 und 38. Die Vakuumpumpe kann an jeder geeigneten Stelle des Systems 52 angeordnet sein, etwa an der Plasmakammer 34 oder am Belade- und Verschlussmodul 36.
  • Die einzelnen Arbeitsschritte der beschriebenen Vorrichtungen und des beschriebenen Verfahrens können mit jeder geeigneten Logikschaltung aus Software und Hardware ausgeführt werden. Die Komponenten des Systems können Interfaces, Logikschaltungen, Speicher und anderes enthalten. Die Funktionen der Logikschaltungen können auch von einem Computer ausgeführt werden. Die Computer können auch von einem Mikroprozessor oder mehreren Mikroprozessoren gebildet werden.

Claims (5)

  1. Verfahren mit den folgenden Schritten: Aufbringen (218) eines Lötmittels auf der Außenseite eines ersten Substrats; Entfernen (220) von Metalloxiden vom ersten Substrat; Aufbringen (224) einer Abdeckschicht auf der Außenseite des ersten Substrats, um eine Reoxidation des Lötmittels zumindest zu verringern; Reinigen (228) der Oberfläche des ersten Substrats mit O2-Plasma; und Verbinden (234) des ersten Substrats mit einem zweiten Substrat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, das erste Substrat vor der Verbindung mit dem zweiten Substrat der Atmosphäre auszusetzen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht Gold enthält.
  4. Vorrichtung mit einem Aufbringungssystem (26) zum Aufbringen eines Lötmittels auf die Außenseite eines ersten Substrats; und mit einem Plasma/Verbindungssystem (24) zum Entfernen von Metalloxiden vom ersten Substrat, wobei das Aufbringungssystem (26) und/oder das Plasma/Verbindungssystem (24) zum Aufbringen einer Abdeckschicht auf der Außenseite des ersten Substrats, um eine Reoxidation des Lötmittels zumindest zu verringern, und zum Reinigen der Oberfläche des ersten Substrats mit O2-Plasma ausgelegt ist, und wobei das Plasma/Verbindungssystem (24) dafür vorgesehen ist, das erste Substrat mit einem zweiten Substrat zu verbinden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma/Verbindungssystem (24) so ausgestaltet ist, dass es möglich ist, das erste Substrat vor der Verbindung mit dem zweiten Substrat der Atmosphäre auszusetzen.
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