JP2006179914A - 余分な成形材料を基板から除去するためのプラズマ法 - Google Patents

Abstract

【課題】２成分系成形材料の薄層を、基板上の領域から除去するための方法を提供すること。
【解決手段】この方法は、成形材料の１つの成分を除去するための第１ガス混合物を用いて形成されたプラズマおよび成形材料の他の成分を除去するための別の第２ガス混合物を用いて形成されたプラズマを使用することを含む。成形材料として通常使用される充填されたエポキシについては、第１ガス混合物は、酸素含有ガス種とフッ素含有ガス種との富酸素混合物であってよく、第２ガス混合物は、同一ガスの富フッ素混合物であってよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理に関し、より詳しくは、余分な成形材料の薄層を基板から除去するためのプラズマ処理方法に関する。

集積回路、電子パッケージ、および印刷回路基板に関連する用途において使用される基板の表面特性は、通常、プラズマ処理により改質される。特に、プラズマ処理は、電子装置パッケージにおいて使用され、例えば層間剥離および接着不良を無くし、配線接着強度を改善し、回路基板上のチップのボイドのないアンダーフィルを確実にし、酸化物を除去し、ダイ接着を強化し、ダイを封止するための接着を改善するために、表面活性化および／または表面清浄度を大きくする。通常、１つまたは複数の基板が、プラズマ処理装置に配置され、それぞれの基板の少なくとも１つの面がプラズマに曝される。最も外側の原子層を、物理的スパッタリング、化学アシスト・スパッタリング、反応性プラズマによって促進された化学反応、およびこれらのメカニズムの組み合わせにより、表面から除去することができる。また、物理的または化学的作用を用いて表面を適切な状態にし、接着などの性質を改善することまたは望ましくない汚染物を基板から除去することができる。

半導体を製造する間、半導体ダイは、リード・フレームなどの金属キャリア上にリードを有するワイヤ・ボンドによって、通常、電気的に結合される。通常、リード・フレームは、単一の半導体ダイを回路基板に電気的に結合するために使用される露出されたリードを有する数個のパッドを含んでいる。１つの半導体ダイは、それぞれのパッドに接着され、そのダイの外部の電気的接触部は、リードの近くの部分とワイヤ接着されている。

それぞれの半導体ダイおよびそのワイヤ・ボンドは、ハンドリング、保管、製造工程の間に遭遇する不利な環境から半導体ダイおよびワイヤ・ボンドを保護し、作動中に半導体ダイから発生される熱を逸散させるように設計された成形高分子体からなるパッケージの内部に封止される。そのようなパケージを作製するために使用される普通の成形材料は、シリカまたはケイ素粒子が充填されたエポキシ樹脂である。

成形工程の間、リード・フレームおよび多接合半導体ダイは、両方の金型片の間に配置される。金型片の１つは、多数のキャビティを有し、そのそれぞれが半導体ダイの１つを収容し、パッケージの形を決めている。両金型片が、キャビティへの入口を封止するように一緒にプレスされる。金型に射出される成形材料は、半導体ダイおよびワイヤ・ボンドを封止するためにキャビティ内部の隙間を埋める。しかし、成形材料は、両金型片の間のキャビティから浸みだし、露出されているリード上に薄層すなわちバリを形成し得る。この薄いバリは、通常、約１０ミクロン未満の厚さを有する。バリは、封止半導体ダイとの高品質の電気的接続を作る能力に影響し得るので、有害である。

リード・フレームの背面をテープで覆うことにより、成形工程中のバリを防止することができる。しかし、接着剤は、テープからリード・フレームの背面に移され、テープを除去した後に残留物として残りうる。加えて、この用途に適したテープは、比較的高価であり、製造コストを押し上げることになる。バリを、成形後に機械的および化学的技法、またはレーザにより除去することができる。これらの除去方法もまた、その使用を限定する欠陥に苦しめられる。例えば、リード・フレームは、化学機械研磨などの機械的なバリ除去法による損傷を受けやすい。化学的方法は、侵食性の高い化学薬品を使用しない限り効果的でないが、そうすることにより、もしかすると、作業者の安全性および使用済みの侵食性化学薬品の廃棄処理の問題が生じる。レーザによる除去は高価であり、リード・フレーム上に残留炭素の残留物を残す。

従って、余分な成形材料を基板から効率的におよび効果的に除去することができるプラズマ処理方法の必要性が存在する。

本発明は、これらのおよび従来のバリ除去方法に伴うその他の問題に対処する。そのために、２成分系成形材料を基板上の領域から除去する方法は、成形材料の第２成分より速いエッチング速度で、成形材料の第１成分を領域から除去するのに有効な第１プラズマに基板を曝すことを含む。この方法は、さらに、成形材料の前記第１成分より速いエッチング速度で、成形材料の前記第２成分を領域から除去するのに有効な第２プラズマに前記基板を曝すことを含む。

本発明の別の実施形態においては、２成分系成形材料を基板上の領域から除去する方法は、フッ素含有ガス種を酸素含有ガス種より低い体積濃度で含む第１ガス混合物から形成される第１プラズマを発生させ、成形材料の第２成分より速いエッチング速度で、成形材料の第１成分を領域から除去するために、基板を前記第１プラズマに曝すことを含む。さらにこの方法は、フッ素含有ガス種を酸素含有ガス種より高い体積濃度で含む第２ガス混合物から形成される第２プラズマを発生させ、成形材料の第１成分より速いエッチング速度で、成形材料の第２成分を領域から除去するために、基板を前記第２プラズマに曝すことを含む。

本発明のこれらのおよびその他の目的および利点は、添付の図面およびその説明からより明らかになるはずである。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を説明し、上記の本発明の全般的な説明、および下記の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

図を参照して、プラズマ処理装置１０は、処理空間１４を取り囲む壁により構成される処理室１２を含む。プラズマ処理の間、処理室１２は、取り巻いている周囲環境から流体密封状態で密閉されている。処理室１２は、処理空間１４へおよび処理空間１４から移動する基板２０のために配置されたアクセス開口（図示されていない）を含む。処理室１２の処理空間１４を排気するために使用される真空ポンプ１６は、真空技術業界における当業者により認められているように、排気速度を制御できる１つまたは複数の真空ポンプを含むことができる。プロセス・ガスは、プロセス・ガス源１８から、処理室１２内に画定された入口を通って所定の流量で処理空間１４に入れられる。プロセス・ガス源１８から処理空間１４へのプロセス・ガスの流れは、質量流量制御器（図示されていない）により計量して供給される。プロセス・ガス源１８からのガスの流量および真空ポンプ１６の排気速度を調節して、プラズマ発生に適した処理圧力および環境をもたらす。処理空間１４は、プロセス・ガスがプロセス・ガス源１８から導入されるのと同時に連続的に排気され、プラズマが存在するときは、新しいガスが処理空間１４の内部で連続的に交換される。

電源２２は、例示的処理装置１０の内部で基板２０を支持している処理室１２の内部の電極台座２４と電気的に結合され、その台座へ電力を送る。電源２２から送られる電力は、処理空間１４内部に閉じこめられているプロセス・ガスから、基板２０の近くでプラズマ２６を形成するのに効果的であり、また、直流（ＤＣ）自己バイアスを制御する。本発明がそう限界されるわけではないが、電源２２は、他の周波数も使用することができるが、約４０ｋＨｚ〜約１３．５６ＭＨｚの間、好ましくは約１３．５６ＭＨｚの周波数で作動する無線周波数（ＲＦ）電源であり、電力レベルは、例えば、４０ｋＨｚで約４０００ワットから約８０００ワットの間、または１３．６５ＭＨｚで３００ワットから２５００ワットである。しかし、当業者であれば、処理室の設計が異なれば、バイアス電力が異なってよいことを理解するはずである。制御器（図示されていない）は、エッチング工程を制御しやすくするために、プラズマ処理装置１０のさまざまな構成要素と結合されている。

プラズマ処理装置１０は、当業者により理解される種々の配置が想定されうるものであり、従って、本明細書に記載の例示的配置に限るものではない。例えば、プラズマ２６を、処理室１２から離れたところで発生させ、基板２０のプラズマ処理で使用するために処理空間１４へ供給することができる。プラズマ処理装置１０は、さらに、処理空間１４と真空ポンプ１６の間に配設された仕切り弁などの、装置１０の作動に必要な、図には示されていない構成要素を含むと理解される。

基板２０を、処理室１２の処理空間１４内で、プラズマ処理に適した位置に配置する。本発明は、多数の基板２０を処理室１２の内部に配置し、処理空間１４内部に供給されたプラズマ２６によって、単一処理工程により同時に処理することができることを企図している。

基板２０をプラズマ処理することにより、基板２０の領域上に配置された成形材料の薄層（すなわち、バリ）が効率的および効果的に除去される。バリに覆われた領域は、前の製造段階中の成形工程により生成し得る。例えば、関係のない成形材料のこれらの領域は、成形ポリマーパッケージ内部に封止された半導体ダイ用の電気接点上に残留し得る。普通の成形材料は、ポリマーまたはエポキシのような有機マトリックス、およびシリカ粒子のような、有機マトリックスの性質を改質するためにマトリックス中に分散した、無機フィラーからなる複合材料である。

基板２０のプラズマ処理は、成形材料を構成している有機マトリックスおよび無機フィラーのエッチング選択性およびエッチング速度は、プラズマ条件が等しい場合でも、異なることを前提にした２段階工程である。第１段階は、無機フィラーに対して有機マトリックスを選択的に効率よく除去するように適合され、第２段階は、有機マトリックスに対して選択的に無機フィラーを効率よく除去するように適合されているので、２つの明白に異なった工程段階を使用することにより、バリの除去は加速される。これらの２工程段階を提供する１つの方法は、プラズマを形成するガス混合物の組成を変えることである。

この工程の第１段階において、処理空間１４内の基板２０は、フッ素含有ガス種（例えば、四フッ化炭素、三フッ化窒素、または六フッ化硫黄）および酸素（Ｏ_２）のような酸素含有ガス種を含む富酸素ガス混合物から形成されるプラズマ２６に曝される。理論に拘束されることを望むわけではないが、プラズマ２６からの酸素の活性種（例えば、ラジカルおよびイオン）は、成形材料の薄層により覆われた基板２０上の領域における有機マトリックスを除去するのに比較的有効であると考えられる。同様に、プラズマ２６から生じるフッ素の活性種は、成形材料の無機フィラーを除去するのに比較的有効であると考えられる。富酸素ガス混合物からプラズマ２６を形成することによって、有機マトリックスのエッチング速度は、無機フィラーのエッチング速度より大きくなる。換言すれば、無機フィラーに対して、有機マトリックスが選択的に除去される。

上述の如く、第１工程段階のガス混合物における酸素含有ガス種の体積濃度は、フッ素含有ガス種の体積濃度より大きい。その結果、第１工程段階のガス混合物は、５０体積パーセント（ｖｏｌパーセント）を超える濃度の酸素含有ガス種を含む。通常、フッ素含有ガス種はガス混合物の残部を構成するが、酸素含有ガス種がフッ素含有ガス種より大きい濃度を有する限り、不活性ガスのような他のガス種を、ガス混合物に故意に添加することができる。勿論、また、残留雰囲気ガスおよび処理室構成要素からのガス放出も、処理室１２内部の部分真空に対して分圧を与える。第１工程段階で使用するのに最適なガス混合物は、酸素含有ガス種を約７０ｖｏｌパーセントから約９０ｖｏｌパーセント含む。工程のこの初期工程段階に特に適切であることが分かったガス混合物は、酸素含有ガス種が８０ｖｏｌパーセントおよびフッ素含有ガス種が２０ｖｏｌパーセントである。

第１段階のプラズマ２６に存在する酸素の活性種は、成形材料の薄層に覆われた基板２０上の領域内で有機マトリックスを効率的に除去する。フッ素の活性種はバリに覆われた領域内の無機フィラーを除去するが、第１段階の処方は、成形材料のこの成分のエッチング速度が比較的遅いために、無機フィラーを除去するには比較的効率が悪い。その結果、有機マトリックスが実質的にまたは部分的にフィラーの間の空間から除去された後、前にバリにより覆われていた基板２０の領域の至る所に、残留無機フィラーが残る。本発明では、第２段階もまた、エッチング速度が相対的にかなり遅くなるが、有機マトリックスを除去するので、処理工程の第１段階で有機マトリックスを完全に除去する必要はなく、第２工程段階で一部は除去できると企図している。勿論、必要があれば、バリを除去するために、２つの工程段階を繰り返すことができる。

処理工程の第２工程段階において、処理空間１４内の基板２０は、フッ素含有ガス種（例えば、四フッ化炭素、三フッ化窒素、または六フッ化硫黄）および酸素（Ｏ_２）のような酸素含有ガス種を含む富フッ素ガス混合物から発生されるプラズマ２６に曝される。このガス混合物から形成されたプラズマ２６は、第１工程段階と較べてみると、有機マトリックスをエッチングする速度と比較して、より大きな無機フィラーをエッチングする速度を有する。通常、ガス混合物の変更は真空を破ることなく、好ましくは、処理室１２内部のプラズマ２６を消すことなく行われる。この第２ガス混合物は、第１段階のものと同一のガス種であって、異なった相対的な割合で混合されている２種類のガス種を含むことができる。

通例、ガス混合物の酸素含有ガス種の体積濃度は、フッ素含有ガス種の体積濃度より小さい。通常、第２段階のガス混合物は、酸素含有ガス種を５０ｖｏｌパーセント未満含んでおり、混合物の残部はフッ素含有ガス種からなる。しかし、酸素含有ガス種がフッ素含有種より小さい濃度を有する限り、不活性ガスのような他のガス種を、ガス混合物に故意に添加することができる。第２工程段階で使用するのに最適なガス混合物は、フッ素含有ガス種を約７０ｖｏｌパーセントから約９０ｖｏｌパーセント含む。工程のこの段階に特に適切であることが分かったガス混合物は、酸素含有ガス種が２０ｖｏｌパーセントおよびフッ素含有ガス種が８０ｖｏｌパーセントである。

後の工程段階の富フッ素ガス混合物から発生されたプラズマ２６における活性種は、第１工程段階の富酸素ガス混合物から発生されたプラズマ２６より、効率よく残留無機フィラーを除去する。その結果、基板２０上の影響を受けた領域からバリを除去するのに必要な全工程時間は、成形材料の１成分のみに対してより大きなエッチング速度を有する単一ガス混合物のみを使用する１段階工程と比較して、低減される。本発明の２段階工程の寄与により工程時間が全体として減少することによって、装置の生産量は大きく増大する。

プラズマへの曝露を防止するまたは大きく減少させるために、プラズマ処理の間、基板２０のプラズマによる損傷を受けやすい部分を覆うことができる。段階のそれぞれの曝露時間は、他の変動要因もあるが、特に、プラズマ・パワー、処理室１２の性質、および厚さなどのバリの特性によって決まることになる。エッチング速度および工程の一様性は、これに限らないが、入力パワー、装置の圧力、および処理時間を含むプラズマ・パラメータに依存するはずである。

本発明は、湿式化学エッチング方法、機械的方法、またはレーザの使用に頼ることなく、成形材料の薄い領域を除去するので、従来の除去技法のさまざまな欠点を克服するものである。本発明の工程処方は、成形材料の望ましくない薄層またはリード・フレームの電気接点を覆うバリを除去するのに特に適切である。これらの薄層は、成形材料によって構成されるそれぞれのパッケージ内部のリード・フレームによって支えられるダイを封止する成形工程から生じる。

図を参照すると、基板２０は、処理室１２の処理空間１４内で、プラズマ処理に適した位置に配置される。次いで、処理空間１４は、真空ポンプ１６によって排気される。両方の工程段階で、プロセス・ガスの流れがプロセス・ガス源１８から導入され、エッチング速度を高めるために、処理室１２の部分真空を適切な作動圧力、通常は約１５０ｍＴｏｒｒから約２５００ｍＴｏｒｒの範囲、好ましくは約８００ｍＴｏｒｒから約２５００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力に上昇させ、同時に真空ポンプ１６により処理空間１４を積極的に排気する。電源２２は電圧を印加されて、電力を電極台座２４に供給し、処理空間１４内の基板２０の近くでプラズマ２６を発生させ、電極台座２４にＤＣ自己バイアスを掛ける。

基板２０は、２段階処理工程において、基板２０上の領域からバリの形態をした余分な成形材料を除去するのに十分な、別々の段階の曝露時間の間、プラズマに曝される。具体的には、基板２０は、酸素含有ガス種とフッ素含有ガス種との富酸素ガス混合物から発生される第１プラズマに、バリの有機マトリックスを除去するのに十分な時間、曝される。この第１段階の間、有機マトリックスのエッチング速度は、無機フィラーのエッチング速度より大きい。次いで、基板２０は、酸素含有ガス種とフッ素含有ガス種との富フッ素ガス混合物から発生される第２プラズマに、バリの無機フィラーを除去するのに十分な時間、曝される。この第２段階の間、無機フィラーのエッチング速度は、有機マトリックスのエッチング速度より大きい。

処理室１２から基板２０を除去することなしに（すなわち、プロセス・ガス混合物を変更する際に、プラズマを消すことなしに）、基板２０を第１および第２プラズマ２６に曝すことができる。好ましくは、基板２０は、処理工程の両方の段階の間、処理室の同じ位置に留まっている。２つの工程段階は、バリの厚さに依存するバリ除去を完成するのに必要なだけ、繰り返しまたは反復し得る。プラズマ２６は、処理工程の第２段階が終了後に消滅させる。しかし、パワーを止める前または後のいずれでも、バリ除去に関係しないプラズマ処理工程を追加することができる。
本発明のさらなる詳細および実施形態は、次の実施例において記述されるはずである。

いくつかのモールド・パッケージを支持し、リード・フレームの導線上にバリが見えるリード・フレームを、本発明により２段階プラズマ工程により処理した。パッケージを作製するために使用された成形材料は、シリカを充填したエポキシ樹脂であった。第１工程段階では、プラズマ室内に入る流量で測定して、ＣＦ_４（８０ｓｃｃｍ）およびＯ_２（３２０ｓｃｃｍ）のガス混合物を使用して、４００ｍＴｏｒｒの室内圧力でプラズマを形成した。リード・フレームを、約５分間プラズマに曝した。プラズマ・パワーは、１３．５６ＭＨｚの作動周波数で約５００ワットであった。リード・フレームを検査して、第１段階では、薄い領域内でエポキシを効率よく除去していることを観測した。

エポキシを除去した後、シリカ・フィラーはリード・フレーム上に残留物として残っていた。リード・フレームを処理室内に残したまま、プラズマを消すことまたは真空を破ることなく、ガス混合物を、処理工程の第２段階に適合するように移行させた。次いで、第２段階では、ＣＦ_４（２４０ｓｃｃｍ）とＯ_２（６０ｓｃｃｍ）とのガス混合物を使用し、室内の圧力を再び４００ｍＴｏｒｒにした。リード・フレームを、このプラズマに約５分間曝した。プラズマ・パワーは、１３．５６ＭＨｚの作動周波数で約５００ワットであった。この段階で処理した後、シリカ・フィラーが除去され、リード・フレームが実質的にバリを持っていないことを観測した。

さまざまな実施形態の記述により本発明を説明し、これらの実施形態をかなり詳細に記述してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に限定することまたはなんらかの方法で制限することは、出願人の意図するところではない。利点の追加および変更は当業者には容易なはずである。従って、より広い態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置および方法、および図示され、記述された例示的な例に限定されるものではない。従って、出願人の全般的な発明の概念の精神および範囲を逸脱することなしに、そのような詳細から離れることができる。本発明自体の範囲は、添付の特許請求の範囲によって限定されるのみでなければならない。

本発明の原理により基板をプラズマ処理するための、プラズマ処理装置を示す概略図である。

Claims (26)

1. ２成分系成形材料を基板上の領域から除去するための方法であって、
   成形材料の第２成分より速いエッチング速度で、成形材料の第１成分を前記領域から除去するのに有効な第１プラズマに基板を曝すこと、および
   成形材料の第１成分より速いエッチング速度で、成形材料の第２成分を前記領域から除去するのに有効な第２プラズマに基板を曝すこと、
   を含む方法。
2. 基板を第１プラズマに曝すことが、
   成形材料の第１成分を第２成分より速い速度でエッチングするのに有効な第１ガス混合物から第１プラズマを形成すること、
   を含む請求項１に記載の方法。
3. 基板を第２プラズマに曝すことが、
   成形材料の第２成分を第１成分より速い速度でエッチングするのに有効な、前記第１ガス混合物とは異なる第２ガス混合物から第２プラズマを形成すること、
   を含む請求項２に記載の方法。
4. 第１ガス混合物および第２ガス混合物が、それぞれ、フッ素含有ガス種および酸素含有ガス種を含む請求項３に記載の方法。
5. 第１ガス混合物が、フッ素含有ガス種を５０体積パーセント未満含む請求項４に記載の方法。
6. 第２ガス混合物が、フッ素含有ガス種を５０体積パーセントを超えて含む請求項５に記載の方法。
7. 第２ガス混合物が、フッ素含有ガス種を５０体積パーセントを超えて含む請求項４に記載の方法。
8. フッ素含有ガス種が、四フッ化炭素、三フッ化窒素、および六フッ化硫黄からなる群から選択される請求項４に記載の方法。
9. 酸素含有ガス種が酸素分子である請求項４に記載の方法。
10. 第１成分は有機マトリックスを含み、第２成分は有機マトリックス中に分散した無機フィラーを含む請求項１に記載の方法。
11. 有機マトリックスはエポキシであり、無機フィラーはエポキシ中に分散したシリカ粒子を含む請求項１０に記載の方法。
12. 基板を処理室内で第１および第２プラズマに曝す間、基板を処理室内の一定の処理位置に配置することをさらに含む請求項１に記載の方法。
13. 第１および第２プラズマが、処理室内で発生される請求項１２に記載の方法。
14. 基板が第１および第２プラズマに曝されている間の処理室内の作動圧力が、約８００ｍＴｏｒｒから約２５００ｍＴｏｒｒの範囲にある請求項１２に記載の方法。
15. 基板を第２プラズマに曝すことが、
    第１プラズマを消すことなく、基板を第２プラズマに曝すこと
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
16. ２成分系成形材料を基板上の領域から除去するための方法であって、
    フッ素含有ガス種を、酸素含有ガス種より低い体積濃度で含む第１ガス混合物から形成される第１プラズマを発生させること、
    成形材料の第２成分より速いエッチング速度で、成形材料の第１成分を前記領域から除去するために、第１プラズマに基板を曝すこと、
    フッ素含有ガス種を、酸素含有ガス種より高い体積濃度で含む第２ガス混合物から形成される第２プラズマを発生させること、および
    成形材料の第１成分より速いエッチング速度で、成形材料の第２成分を前記領域から除去するために、第２プラズマに基板を曝すこと、
    を含む方法。
17. フッ素含有ガス種が、四フッ化炭素および六フッ化硫黄からなる群から選択される請求項１６に記載の方法。
18. 酸素含有ガス種が酸素分子である請求項１６に記載の方法。
19. 第１成分は有機マトリックスを含み、第２成分は有機マトリックス中に分散した無機フィラーを含む請求項１６に記載の方法。
20. 有機マトリックスはエポキシであり、無機フィラーはエポキシ中に分散したシリカ粒子を含む請求項１９に記載の方法。
21. 基板を第２プラズマに曝すことが、
    第１プラズマを消すことなく、基板を第２プラズマに曝すこと
    をさらに含む請求項１６に記載の方法。
22. 第１および第２プラズマが、処理室内で発生される請求項１６に記載の方法。
23. 基板を処理室内の処理位置に配置すること、および基板を処理室から移動させることなしに、基板を第１および第２プラズマに曝すことをさらに含む請求項１６に記載の方法。
24. 基板が第１および第２プラズマに曝されている間の処理室内の作動圧力が、約８００ｍＴｏｒｒから約２５００ｍＴｏｒｒの範囲にある請求項２３に記載の方法。
25. 第１ガス混合物が、フッ素含有ガス種を５０体積パーセント未満、および酸素含有ガス種を５０体積パーセントを超えて含む請求項１６に記載の方法。
26. 第２ガス混合物が、フッ素含有ガス種を５０体積パーセントを超えて、および酸素含有ガス種を５０体積パーセント未満含む請求項１６に記載の方法。
    

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