JP2002151543A - 金属電極の酸化膜除去方法 - Google Patents

金属電極の酸化膜除去方法

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electrode
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卓也 屋良
Motokazu Yuasa
基和 湯浅
Koji Honma
孝治 本間
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Sekisui Chemical Co Ltd
Chemitronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大気圧条件下で安定した放電状態を実現させ
ることができ、簡便な装置で金属電極の酸化膜を除去す
る方法の提供。 【解決手段】 大気圧近傍の圧力下で、水素を0.5〜
50体積%含有する雰囲気中で、対向する一対の電極の
少なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置し、当該一
対の対向電極間にパルス化された電界を印加することに
より発生させた放電プラズマをワイヤボンディング前の
金属電極に接触させることを特徴とする金属電極の酸化
膜除去方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属電極の酸化膜
除去方法に関し、特に、大気圧近傍でのパルス電界を利
用した放電プラズマによる金属電極の酸化膜除去方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子工業界では超LSIや液晶デ
ィスプレイの製造を頂点とするデバイスの微細化要望が
ますます厳しくなり、これに対応して製品の表面状態か
らの影響を受けることが多くなり、超精密洗浄技術が必
要となってきている。ワイヤボンディング前のアルミニ
ウムや銅の金属電極の表面には酸化アルミニウムや酸化
銅の酸化膜が生成して変質する場合があり、これらの酸
化膜を除去して密着性を高める等の処理が必要となって
きている。
【0003】従来、このような酸化膜の除去方法として
は、イオンボンバード法といわれている方法で行われる
場合が多かった。すなわち、減圧下でアルゴン等の不活
性ガスのグロー放電の中に被加工物を設置し、アルゴン
イオンの衝撃により被加工物の表面をクリーニングする
方法で、イオンミリング法や逆スパッタ法と同様の原理
で行われていた。しかしながら、イオン衝撃による除去
方法であるため、被加工物そのものがダメージを受ける
可能性が高く、イオン衝撃によるダメージを嫌うものに
は適用できず、その応用範囲は限られたものであった。
【0004】また、上記表面処理方法等は、低圧での処
理が必要とされるので、真空チャンバー、真空排気装置
等が設置されなければならず、表面処理装置は高価なも
のとなり、また、この方法により大面積基板を処理する
場合には、大容量の真空容器、大出力の真空排気装置が
必要になるために、表面処理装置は、更に高価なものと
なる。
【0005】さらに、特開平7−99182号公報に
は、ヘリウムを用いた大気圧プラズマを用いた処理方法
等も提案されている。ところが、ヘリウムガスは自然界
での存在量が極めて少なく高価である。また、安定的な
放電のため、高い割合でヘリウムを使用する必要から、
反応に必要な酸素系ガスの添加割合が少なく十分な処理
速度効率が得られていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題に鑑み、大気圧条件下で安定した放電状態を実現
させることができ、簡便な装置で金属電極の酸化膜を除
去する方法を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究した結果、大気圧条件下で安定し
た放電プラズマを特定ガス雰囲気下で発生させて、金属
電極の酸化膜の除去を行うことができることを見出し、
本発明を完成させた。
【0008】すなわち、本発明の第1の発明は、大気圧
近傍の圧力下で、水素を0.5〜50体積%含有する雰
囲気中で、対向する一対の電極の少なくとも一方の対向
面に固体誘電体を設置し、当該一対の対向電極間にパル
ス化された電界を印加することにより発生させた放電プ
ラズマをワイヤボンディング前の金属電極に接触させる
ことを特徴とする金属電極の酸化膜除去方法である。
【0009】また、本発明の第2の発明は、水素を4〜
50体積%含有する雰囲気中で発生させた放電プラズマ
を接触させることを特徴とする第1の発明に記載の金属
電極の酸化膜除去方法である。
【0010】また、本発明の第3の発明は、水素含有雰
囲気が、窒素又はアルゴンを含有する雰囲気であること
を特徴とする第1又は2の発明に記載の金属電極の酸化
膜除去方法である。
【0011】また、本発明の第4の発明は、被処理金属
電極の近傍から処理済みガスを排気することを特徴とす
る第1〜3のいずれかの発明に記載の金属電極の酸化膜
除去方法である。
【0012】また、本発明の第5の発明は、パルス化さ
れた電界が、立ち上がり時間及び立ち下がり時間とが4
0ns〜100μs、電界強度が0.5〜250kV/
cmであることを特徴とする第1〜4のいずれかの発明
に記載の金属電極の酸化膜除去方法である。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明は、大気圧近傍の圧力下、
水素を0.5〜50体積%含有する雰囲気中で、対向す
る一対の電極の少なくとも一方の対向面に固体誘電体を
設置し、当該一対の対向電極間にパルス化された電界、
好ましくは、立ち上がり時間及び立ち下がり時間とが4
0ns〜100μs、電界強度が0.5〜250kV/
cmの電界を印加することにより発生させた放電プラズ
マをワイヤボンディング前の金属電極に接触させ、金属
電極上に生成している酸化膜を除去する方法である。以
下に本発明を詳細に説明する。
【0014】本発明において、上記大気圧近傍の圧力下
とは、1.333×10〜10.4×10Paの圧
力下を指す。中でも、圧力調整が容易で、装置が簡便に
なる9.3×10〜10.4×10Paの範囲が好
ましい。
【0015】上記放電プラズマを発生させる雰囲気が、
大気圧近傍の圧力下で、かつ、水素を0.5〜50体積
%含有させた混合気体をプラズマ化することにより、高
密度のプラズマを発生させることができ、該プラズマを
自然酸化膜に照射することで、酸化膜を除去し清浄な金
属表面を得る高速処理を行うことが可能となる。水素が
0.5体積%未満であると、酸化膜除去効果がなく、5
0体積%を超えると大気放出時の爆発限界を超えるので
好ましくない。より好ましくは4〜50体積%である。
【0016】上記水素ガス雰囲気中の処理は、不活性ガ
スによって希釈された雰囲気中で処理を行うことが好ま
しい。水素以外の雰囲気ガスとしては、アルゴン、ネオ
ン、キセノン、ヘリウム、窒素等の酸素を含有しないガ
スを用いることができ、これらは単独でも2種以上を混
合して用いてもよい。これらの中では、処理効果と経済
性や取り扱い性の兼合いを考慮すると、アルゴン又は窒
素からなる雰囲気が好ましい。従来、大気圧近傍の圧力
下においては、ヘリウムの存在下の処理が行われてきた
が、本発明のパルス化された電界を印加する方法によれ
ば、ヘリウムに比較して安価な窒素、アルゴン中におけ
る安定した処理が可能である。
【0017】上記対向する一対の対向電極の少なくとも
一方の対向面に固体誘電体を設置し、当該一対の電極間
にパルス化された電界を印加することにより発生する放
電プラズマが安定化する。固体誘電体を設置せずに電界
を印加したり、パルス化されていない電界を用いると放
電がアークに移行し、処理を継続することができず、ま
た、被処理体を損傷するおそれがある。
【0018】上記電極としては、例えば、銅、アルミニ
ウム等の金属単体、ステンレス、真鍮等の合金、金属間
化合物等からなるものが挙げられる。電極の形状として
は、特に限定されないが、電界集中によるアーク放電の
発生を避けるために、対向電極間の距離が一定となる構
造であることが好ましい。この条件を満たす電極構造と
しては、例えば、平行平板型、円筒対向平板型、球対向
平板型、双曲対向平板型、同軸円筒型構造等が挙げられ
る。
【0019】また、略一定構造以外では、円筒対向円筒
型で円筒曲率の大きなものもアーク放電の原因となる電
界集中の度合いが小さいので対向電極として用いること
ができる。曲率は少なくとも半径20mm以上が好まし
い。固体誘電体の誘電率にもよるが、それ以下の曲率で
は、電界集中によるアーク放電が集中しやすい。それぞ
れの曲率がこれ以上であれば、対向する電極の曲率が異
なっても良い。曲率は大きいほど近似的に平板に近づく
ため、より安定した放電が得られるので、より好ましく
は半径40mm以上である。
【0020】さらに、プラズマを発生させる電極は、一
対のうち少なくとも一方に固体誘電体が配置されていれ
ば良く、一対の電極は、短絡に至らない適切な距離をあ
けた状態で対向してもよく、直交してもよい。
【0021】上記固体誘電体は、電極の対向面の一方又
は双方に設置する。この際、固体誘電体と設置される側
の電極とが密着し、かつ、接する電極の対向面を完全に
覆うようにする。固体誘電体によって覆われずに電極同
士が直接対向する部位があると、そこからアーク放電が
生じやすい。
【0022】固体誘電体の材質としては、例えば、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート
等のプラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。こ
れらの2種を積層して用いてもよい。
【0023】上記固体誘電体の形状は、シート状でもフ
ィルム状でもよく、厚みが0.05〜4mmであること
が好ましい。厚すぎると放電プラズマを発生するのに高
電圧を要することがあり、薄すぎると電圧印加時に絶縁
破壊が起こり、アーク放電が発生することがある。ま
た、固体誘電体の形状として、容器状のものを用いても
よい。
【0024】上記電極間の距離は、固体誘電体の厚さ、
印加電圧の大きさ、プラズマを利用する目的等を考慮し
て適宜決定されるが、1〜50mmであることが好まし
い。1mm未満では、電極間の間隔を置いて設置するの
に充分でないことがあり、50mmを超えると、均一な
放電プラズマを発生させにくい。
【0025】本発明に用いるパルス電界の電圧波形の例
を、図1に示す。図1中の波形(a)、(b)はインパ
ルス型、波形(c)はパルス型、波形(d)は変調型の
波形である。図1には電圧印加が正負の繰り返しである
ものを挙げたが、正又は負のいずれかの極性側に電圧を
印加するタイプのパルスを用いてもよい。本発明におけ
るパルス電圧波形は、ここで挙げた波形に限定されない
が、パルスの立ちあがり時間及び立下り時間が短いほど
プラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行われる。
【0026】上記パルス電界の立ち上がり時間及び立ち
下がり時間は、40ns〜100μsであることが好ま
しい。40ns未満では設備上現実的ではなく、100
μsを超えると放電状態がアークに移行しやすく不安定
なものとなる。より好ましくは50ns〜5μsであ
る。なお、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧変化が
連続して正である時間、立ち下がり時間とは、電圧変化
が連続して負である時間を指すものとする。
【0027】さらに、パルス波形、立ち上がり時間、周
波数の異なるパルスを用いて変調を行ってもよい。
【0028】上記パルス電界の周波数は、1〜100k
Hzであることが好ましい。1kHz未満であると処理
に時間がかかりすぎ、100kHzを超えるとアーク放
電が発生しやすくなる。
【0029】また、ひとつのパルス電界が印加される時
間は、1〜1000μsであることが好ましい。1μs
未満であると放電が不安定なものとなり、1000μs
を超えるとアーク放電に移行しやすくなる。より好まし
くは、3〜200μsである。ここで、上記ひとつのパ
ルス電界が印加される時間とは、図1中に例を示してあ
るが、ON、OFFの繰り返しからなるパルス電界にお
ける、ひとつのパルスの連続するON時間を言う。
【0030】上記放電は、電圧の印加によって行われ
る。電圧の大きさは、適宜決められるが、電極に印加し
た際の電界強度が0.5〜250kV/cmとなる範囲
にすることが好ましい。電界強度が0.5kV/cm未
満であると、処理に時間がかかりすぎ、250kV/c
mを超えるとアーク放電が発生しやすくなる。
【0031】さらに、本発明の酸化膜除去方法において
は、使用する不活性ガスによって印加電圧を変更するの
が好ましい。例えば、不活性ガスとしてアルゴンガスを
用いる場合は、電圧は2〜8kVPPが好ましい。2k
PP未満であると、放電状態が不安定になる。また、
不活性ガスとして窒素ガスを用いる場合は、電圧は4〜
30kVPPが好ましい。30kVPPを超えると異常
放電が生じやすい。
【0032】また、本発明においては、パルス電圧の印
加において、直流を重畳してもよい。
【0033】本発明の被処理体であるワイヤボンディン
グ前の金属電極としては、特に限定されないが、アルミ
ニウム金属や銅金属の電極を挙げることができる。これ
らの電極は、主として、自然酸化被膜が生成し、除去操
作を行わないと接着性に問題が生ずることがある。
【0034】プラズマを被処理物に照射する手段として
は、例えば、対向する電極間で発生したプラズマ中に被
処理体を配置する方法と容器内で発生したプラズマをガ
ス流や電界配置、あるいは磁気的な作用により被処理体
に向かって吹き出す方法(リモートプラズマ)等が挙げ
られる。
【0035】また、本発明の処理方法においては、被処
理体表面から除去された有機物が再付着することを防ぐ
ため、被処理体近傍に排気機構を設けて、処理済みガス
を排気しながら処理することもできる。
【0036】本発明で用いる装置の具体例として、平行
平板型電極を用いる装置の一例を図2に示す。図2中、
1は電源、2は上部電極、3は下部電極、4は固体誘電
体、6は被処理体をそれぞれ表す。図2において、処理
ガスが電極間の放電空間に導入された状態で、被処理体
の幅を超える長さの上下の平行平板型の放電電極の双方
の対向面は固体誘電体で被覆されており、上部電極2と
下部電極3との間に電界を印加することにより放電プラ
ズマを発生させ、この間を被処理体が搬送されることに
より、被処理体である電極上の酸化膜が除去される。
【0037】また、ロール型電極を用いる装置の一例を
図3に示す。図3中、1は電源、2は上部ロール電極、
3は下部ロール電極兼搬送ロール、4は固体誘電体、6
は被処理体をそれぞれ表す。図3において、処理ガスが
電極間の放電空間に導入された状態で、上部ロール電極
は固体誘電体で被覆されており、上部電極2と下部電極
3との間に電界を印加することにより放電プラズマを発
生させ、この間を被処理体が下部ロール電極兼搬送ロー
ル3により搬送されることにより、被処理体である電極
上の酸化膜が除去される。
【0038】円筒状固体誘電体容器を用いた装置の一例
を図4に示す。図4中、1は電源、2は上部電極、3は
下部電極、4は固体誘電体容器、5はガス放出口、6は
被処理体、7はガス導入管をそれぞれ表す。図4におい
て、処理ガスは矢印方向にガス導入管7から円筒状固体
誘電体容器4の放電空間に導入され、固体誘電体4の外
周表面上に設置された印加電極2及び下部電極3に電界
を印加することにより固体誘電体容器中のガスをプラズ
マ化し、その放電プラズマガスを放出口5から金属電極
基板6に吹き付け、電極表面の酸化膜が除去される。
【0039】平行平板型電極を用いたリモートプラズマ
装置の一例を図5に示す。図5中、1は電源、2及び3
は電極、4は固体誘電体、5はガス放出口、6は被処理
体、7はガス導入管、8は搬送ロールをそれぞれ表す。
図5において、処理ガスは矢印方向にガス導入管から電
極間2及び3の放電空間に導入され、電極間に電界を印
加することにより放電プラズマを発生させ、その放電プ
ラズマをガス放出口5から金属電極基板6に吹き付けて
処理する。なお、本処理は、被処理体を固定してリモー
トプラズマ装置そのものをXY軸方向に移動させるか、
ガス放出口5において、補処理体6をXYテーブルまた
はXYZテーブルに保持し、搬送ロール8により移動さ
せることにより電極表面の酸化膜が除去される。
【0040】図6は、平行平板型長尺ノズルによりプラ
ズマガスを被処理体に吹き付ける装置と、ガス吹き出し
口ノズルの周囲に設けられたガス吸引口を設けた装置
と、被処理体の搬送機構を備えた装置の一例を示す図で
ある。1は電極、2及び3は電極、4は固体誘電体、5
はガス吹き出し口、6は被処理体、7は処理ガス導入
口、8は搬送ベルト、9は放電空間、10は排気ガス筒
をそれぞれ表す。例えば、処理ガスは、矢印の方向にガ
ス導入口7からの放電空間9に導入され、電極2と電極
3との間にパルス電界を印加することによって、プラズ
マとしてガス吹き出し口5から吹き出される。一方、被
処理体6は、ベルト8によりガス吹き出し口に運ばれ、
酸化膜の除去処理がされる。処理済みのガスは、排気ガ
ス筒10より、処理後の有機物と共に除去され、被処理
体に再付着して汚染することがない。搬送ベルト8は、
送りスピードを任意に調整できるものを用いることによ
り処理の程度を変更でき、さらに冷却又は加熱機構を付
加することもできる。また、ノズル体全体は、必要に応
じて、電極間に電圧印加後、予備放電を行い、プラズマ
が安定するまで被処理体の外側で待機させるノズル待機
機構を具備せることもできるし、X−Y−Z移動機構を
具備させて被処理体上を掃引させることもできる。
【0041】本発明のパルス電界を用いた大気圧放電処
理では、電極間において直接大気圧下で放電を生じせし
めることが可能であり、より単純化された電極構造、放
電手順による大気圧プラズマ装置、及び処理手法でかつ
高速処理を実現することができる。また、放電プラズマ
処理に要する時間は、印加電圧の大きさや、被処理体、
混合ガス配合等によって適宜決定される。さらに、パル
ス周波数、電圧、電極間隔等のパラメータにより除去レ
ート等の処理パラメータも調整できる。
【0042】また、本発明の酸化膜が除去された電極
は、ワイヤボンディングにおいてワイヤの密着強度が増
し、被処理体自身の不良化率が大幅に減少する。
【0043】
【実施例】本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明
するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもので
はない。
【0044】実施例1 図6に示す処理装置を用いた。図6において、SUS製
の縦10cm×幅15cm×厚み7mmの平行平板電極
に0.5mm厚のアルミナ系固体誘電体を溶射し、ガス
吹き出し口2mmスリットのノズル体を用い、Al電極
を処理した。搬送ベルトで搬送されるAl電極と放出口
との距離は、8mmに保った。ガス導入管から、水素2
体積%、アルゴン98体積%の混合ガスを10SLMで
導入し、処理済みガスを排気しながら、以下の条件で、
Al電極の被処理体の処理を行った。
【0045】プラズマ処理条件 処理ガス:水素2体積%+アルゴン98体積%の混合ガ
ス10SLM 放電条件:波形(a)、立ち上がり/立ち下がり時間5
μs、出力500W、 周波数10KHz、VPP6kV、処理時間5sec;
発生したプラズマは、アーク柱のみられない均一な放電
であった。
【0046】処理前後のAl電極の表面状態をESCA
にて分析した結果、表面の酸素元素比は40%から10
%に減少した。次に処理前後のAl電極に金製ワイヤを
はんだ付けし、はんだ付けによるワイヤ引張強度をバネ
秤による引張試験により測定した。その結果、引張強度
は9gから15gに向上した。
【0047】比較例1 パルス化された電界の代わりに、波高値8.4k
PP、周波数2.4kHzのsin波形の交流電圧に
よる放電を行ったこと以外は、実施例1と同様にして電
極の処理を行った。ストリーマーが多数見られる不均一
な放電状態が確認され、処理ムラが発生した。
【0048】
【発明の効果】以上の特徴から、本発明の方法は、大気
圧下での実施が可能であるので、容易にインライン化で
き、ワイヤボンディング前の金属電極の表面酸化膜を除
去する方法として有効である。また、本発明の方法を用
いることにより処理工程全体の速度低下を防ぐことがで
きる。その他、半導体素子の被処理物の表面に存在する
有機汚染物等のクリーニング、レジストの剥離、有機フ
ィルムの密着性の改善、金属酸化物の還元、表面改質な
どに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】パルス化された電界の例を示す電圧波形の図で
ある。
【図2】平行平板型電極を用いた処理装置の例を示す図
である。
【図3】ロール型電極を用いた処理装置の例を示す図で
ある。
【図4】固体誘電体容器を用いた処理装置の例を示す図
である。
【図5】平行平板型電極を用いたリモートプラズマ装置
の例を示す図である。
【図6】平行平板型電極を用いたリモートプラズマ装置
の例を示す図である。
【符号の説明】
1 電源(高電圧パルス電源) 2 印加電極 3 接地電極 4 固体誘電体 5 ガス放出口 6 被処理体 7 ガス導入管 8 搬送ロール 9 放電空間 10 排気ガス筒
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C23F 4/00 C23F 4/00 A (72)発明者 湯浅 基和 大阪府三島郡島本町百山2−1 積水化学 工業株式会社内 (72)発明者 本間 孝治 東京都東大和市立野2−703 株式会社ケ ミトロニクス内 Fターム(参考) 2H088 FA23 FA30 HA02 HA04 MA20 2H090 HA03 HB02X HC09 HC12 HC14 HC16 4G075 AA30 BA05 CA14 CA47 CA63 DA02 EB31 EB41 EB43 ED11 4K057 DA01 DB11 DE14 DE20 DM20 5F044 CC01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 大気圧近傍の圧力下で、水素を0.5〜
    50体積%含有する雰囲気中で、対向する一対の電極の
    少なくとも一方の対向面に固体誘電体を設置し、当該一
    対の対向電極間にパルス化された電界を印加することに
    より発生させた放電プラズマをワイヤボンディング前の
    金属電極に接触させることを特徴とする金属電極の酸化
    膜除去方法。
  2. 【請求項2】 水素を4〜50体積%含有する雰囲気中
    で発生させた放電プラズマを接触させることを特徴とす
    る請求項1に記載の金属電極の酸化膜除去方法。
  3. 【請求項3】 水素含有雰囲気が、窒素又はアルゴンを
    含有する雰囲気であることを特徴とする請求項1又は2
    に記載の金属電極の酸化膜除去方法。
  4. 【請求項4】 被処理金属電極の近傍から処理済みガス
    を排気することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1
    項に記載の金属電極の酸化膜除去方法。
  5. 【請求項5】 パルス化された電界が、立ち上がり時間
    及び立ち下がり時間とが40ns〜100μs、電界強
    度が0.5〜250kV/cmであることを特徴とする
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属電極の酸化膜
    除去方法。
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JP7178020B2 (ja) 2018-03-23 2022-11-25 株式会社小松精機工作所 金属薄板の表面清浄化方法及び接合方法

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