KR20070061465A - Ｈ２에 ｄ２를 첨가하여 해리성 전자 부착에 의해 형성된원자 수소를 검출 및 보정하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체(reducing gas)의 기체 혼합물을 사용하여 전자 부착(electron attachment)에 의해 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분의 금속 표면을 건식 플럭싱(dry fluxing) 처리하는 과정을 검출 및 보정하는 방법이 개시되어 있으며, 이 방법은 (a) 제1 전극에 접속되어 있는 것으로 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분을 표적 어셈블리로서 제공하는 단계; (b) 표적 어셈블리에 인접하게 제2 전극을 제공하는 단계; (c) 제1 전극과 제2 전극 사이에 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체를 포함하고 있는 기체 혼합물을 제공하는 단계; (d) 제1 전극과 제2 전극 사이에 직류(DC) 전압을 제공하여 전극들 사이에 방출 전류를 형성시키고 상기 환원 기체에 전자를 공여하여 음으로 하전된 이온성 환원 기체 및 중수소에 결합된 수소의 분자를 형성시키는 단계; 및 (e) 표적 어셈블리를 음으로 하전된 이온성 환원 기체와 접촉시켜서 표적 어셈블리 상의 산화물을 환원시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명에는 관련 장치도 개시되어 있다.

Description

Ｈ２에 Ｄ２를 첨가하여 해리성 전자 부착에 의해 형성된 원자 수소를 검출 및 보정하기 위한 방법{ADDITION OF D2 TO H2 TO DETECT AND CALIBRATE ATOMIC HYDROGEN FORMED BY DISSOCIATIVE ELECTRON ATTACHMENT}
도 1a는 본 발명의 해리성 전자 부착(dissociative electron attachment)에 의한 음의 수소 이온의 발생을 예시하는 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 실험 전자 부착 장치를 예시하는 개략도이다.
도 2는 280℃의 해리성 전자 부착에서 전자 발생의 존재 하에 분자 수소-중수소(HD) 형성에 대한 질량 분광학적 결과의 그래프이다.
도 3은 보다 큰 HD 형성에서 보다 높은 온도의 양의 상관관계(positive correlation)에 대한 질량 분광학적 결과의 그래프이다.
도 4는 또 다른 방식으로 도 3의 데이터를 도시하는 HD 피크 세기 대 온도의 또 다른 그래프이다.
도 5는 방출 전류 증가와 증가된 HD 형성 간의 양의 상관관계에 대한 질량 분광학적 결과의 그래프이다.
도 6은 또 다른 방식으로 도 5의 데이터를 도시하는 HD 피크 세기 대 방출 전류의 또 다른 그래프이다.
도 7은 HD 형성에서 H2 + D2 농도의 양 상관관계의 질량 분광학적 결과의 그래프이다.
도 8은 또 다른 방식으로 도 7의 데이터를 도시하는 HD 피크 세기 대 H2 + D2 농도의 또 다른 그래프이다.
도 9는 HD 형성에 대한 최적치로서 75 부피% H2/25 부피% D2 비율을 나타내는 HD 형성에서 H2/D2 비율의 질량 분광학적 결과의 그래프이다.
도 10은 또 다른 방식으로 도 9의 데이터를 도시하는 HD 피크 값 대 H2/D2 비율의 질량 분광학적 결과의 또 다른 그래프이다.
도 11은 공정 초기에서 그리고 공정 주기의 종료에서 전극 프로필의 예시와 함께 본 발명의 장치를 위한 일정한 방출 전압을 유지하는 데 요구되는 인가된 전압의 양의 그래프이다.
리플로우 솔더링(reflow soldering)은 표면-실장(surface-mount) 전자 성분들의 어셈블리에서 가장 폭 넓게 이용되는 기법이다. 리플로우 솔더링 공정에서, 성분들은 회로판 상에 미리 인쇄된 솔더 페이스트를 지닌 회로판의 상응하는 트레이스 부위 상에 실장된다. 이어서, 이와 같이 형성된 솔더링 처리 부분은 리플로우 퍼니스 내에 적재하고, 가열 및 냉각 영역을 통과시키며, 회로판 상에서 성분 레드부(lead)와 솔더 랜드부(land) 간의 솔더 접합부는 솔더 페이스트를 용융, 습윤 및 고화시킴으로써 형성된다. 접합 표면 상에서 용융된 솔더의 우수한 습윤성을 보장하기 위해서, 유기 플럭스(organic flux)는 솔더 및 베이스 금속 상의 초기 표면 산화물을 제거하고 고화 전에 깨끗한 상태로 표면을 유지하기 위해서 일반적으로 솔더 페이스트 내에 함유된다. 플럭스는 솔더링 처리 동안 기상 내로 대부분 증발되지만, 그 플럭스 휘발성 물질은 솔더 접합부내 공극을 형성시키는 것, 및 리플로우 퍼니스를 오염시키는 것과 같은 문제점을 야기할 수 있다. 솔더링 처리 후, 부식 및 전기 단락을 야기할 수 있는 회로판 상에 잔류된 일부 플럭스 잔류물이 항상 존재하게 된다.
회로판 상에서, 웨이브 솔더링(wave soldering)은 삽입-실장(insertion-mount) 성분들을 조립하기 위한 전통적으로 이용되는 솔더링 방법이다. 또한, 이 방법은 솔더링 처리 하기 전에 접착제에 의해 회로판 상에서 성분들을 일시적으로 결합시킴으로써 수행하는 표면-실장 성분에도 이용한다. 양쪽 경우, 성분들이 삽입되어 있거나 일시적으로 결합되어 있는 회로판은 액체 플럭스를 사용하여 성분 레드부 및 솔더 랜드부 상의 산화물을 제거함으로써 세정해야 하고, 이어서 고온 용융된 솔더 베스에 통과한다. 이 용융된 솔더는 자동적으로 솔더링 처리하고자 하는 금속 표면을 습윤시키고, 이로써 솔더 접합부를 형성한다. 베스내에서 용융된 솔더는 산화되는 하는 경향이 매우 높은데, 이는 솔더 찌거기를 형성한다. 그러므로, 솔더 베스의 표면은 그 찌꺼기를 기계적으로 제거함으로써 자주 세정해야하는데, 이는 조작 비용 및 솔더의 소비를 증가시킨다. 솔더링 처리 후, 플럭스 잔류물은 회로판 상에서 잔류하게 되고, 이는 리플로우 솔더링에 대하여 설명한 바와 같은 동일한 문제점을 야기한다.
플럭스 잔류물을 제거하기 위해서, 후-세정 공정을 이용해야 한다. 클로로플루오로카본(CFC)은 일반적으로 세정제로서 사용되지만, 지구 보호 오존층을 손상시키는 것으로 간주되어 그 사용이 금지되어 있다. 소량의 활성화제를 사용하여 잔류물을 감소시킴으로써 비세정 플럭스(non-clean flux)를 개발해 오고 있긴 하지만, 플럭스 잔류물의 양의 손익과 플럭스의 활성 간의 절충 관계가 존재한다.
플럭스 휘발성 물질, 플럭스 잔류물 및 찌거기 형성을 비롯하여 상기 설명한 모든 문제점에 대한 우수한 해결책은, 솔더링 처리 환경으로서 환원 기체를 사용하여 금속 산화물을 제거하기 위한 유기 플럭스를 대체하는 것이다. 이러한 솔더링 기법은 "무플럭스 솔더링(fluxless soldering)"이라고 칭한다. 다양한 무플럭스 솔더링 방법 중에서 특히 반응성 기체로서 수소를 사용하여 베이스 금속 및 솔더 상의 산화물을 환원시키는 것은 매우 매력적인데, 이는 매우 깨끗한 공정(유일한 부산물이 퍼니스 외부로 용이하게 휘발될 수 있는 물임)이고, 개방 및 연속 솔더링 처리 생산 라인과 상용성을 가질 수 있기 때문이다(H2는 비독성이고 4-75% 인화성 범위를 보유한다). 그러므로, 수소 무플럭스 솔더링은 오랜 기간 동안 기술적 목표가 되어 오고 있다.
그러나, 수소 무플럭스 솔더링의 주요 한계점은 정상 솔더링 처리 온도 범위 에서 수소 중의 금속 산화물의 비효율적이고 느린 환원 속도, 특히 솔더 산화물의 환원 속도이며, 상기 산화물은 솔더링 처리하고자 하는 베이스 금속 상의 산화물보다 더 높은 금속-산소 결합 강도를 보유한다는 점이다. 이러한 수소의 비효율성은 저온에서 수소 분자의 반응성 부족에 기인한다. 고 반응성 라디칼, 예컨대 단원자 수소는 정상 솔더 온도 범위보다 훨씬 더 높은 온도에서 형성된다. 예를 들면, 순수 H2가 주석계 솔더 상의 주석 산화물을 환원시키는 데 효과적인 온도 범위는 350℃ 이상이다. 이러한 고온은 집적 회로(IC) 칩을 손상시키거나, 신뢰도 문제점을 야기할 수 있다. 그러므로, 정상 솔더링 처리 온도 범위에서 고 반응성 H2 라디칼을 발생시키는 과정을 보조하는 접촉 방법(catalytic method)은 산업 부문에서 계속 모색해오고 있다.
무플럭스(건식) 솔더는 종래 기술 분야에서 하기와 같은 몇 가지 기법을 이용하여 수행하고 있다.
화학적 활성 할로겐-함유 기체, 예컨대 CF2Cl2, CF4 및 SF6은 솔더링 처리의 경우 표면 산화물을 제거하기 위해서 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 기체는 할라이드 잔류물을 잔류시키는데, 이는 결합 강도를 감소시키고 부식을 조장하게 된다. 이러한 화합물은 또한 안전성 및 환경적 처분 문제점을 나타내고, 솔더링 처리 장비를 화학적으로 공격하기도 한다.
금속 산화물은 레이저를 사용하여 기화 온도로 융제 또는 가열할 수 있다. 이러한 공정은 전형적으로 불활성 또는 환원 대기 하에 수행하여 방출된 오염물질 에 의한 재산화를 방지하게 된다. 그러나, 산화물 및 베이스 금속의 융점 및 비점은 유사할 수 있으며, 베이스 금속을 용용 또는 기화시키는 것은 바람직하지 않다. 그러므로, 이러한 레이저 공정은 실시하기 어렵다. 또한, 레이저는 전형적으로 작동하기에 비용이 비싸고 비효율적이며, 산화물 층에 대한 시야의 다이렉트 라인(direct line)을 보유해야 한다. 이들 인자는 대부분의 솔더링 처리 용도의 경우 레이저 기법의 유용성을 제한하게 된다.
표면 산화물은 고온에서 반응성 기체(예를 들면, H2)에 대한 노출을 통해 화학적으로 (예를 들면, H2O로) 환원될 수 있다. 불활성 담체(예를 들면, N2) 중에 5% 이상의 환원 기체를 보유하는 혼합물이 전형적으로 사용된다. 이어서, 반응 생성물(예를 들면, H2O)은 고온에서 탈착에 의해 표면으로부터 방출되며, 기체 흐름 장 내로 운반된다. 전형적인 공정 온도는 350℃를 초과해야 한다. 그러나, 이 공정은 느리고 비효율적일 수 있으며, 심지어는 고온에서 더욱 그러하다.
환원 공정의 속력 및 효과는 보다 활성인 환원 종을 사용하여 증가시킬 수 있다. 그러한 활성 종은 종래의 플라즈마 기법을 이용하여 생성시킬 수 있다.
오디오, 라디오 또는 마이크로파 진동수에서 기체 플라즈마를 사용하여 표면탈산화를 위한 반응성 라디칼을 생성시킬 수 있다. 고 세기 전자기파 방사선은 불소 함유 화합물을 비롯하여 H2, O2, SF6 또는 다른 종을 고 반응성 라디칼로 이온화 및 해리시키는 데 사용된다. 표면 처리는 300℃ 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 그러나, 플라즈마 형성에 최적합한 조건을 얻기 위해서, 그러한 공정은 전형적으로 진공 조건 하에 수행한다. 진공 조작은 값비싼 장비를 필요로 하고, 보다 빠른 연속 공정보다는 오히려 보다 느린 배치(batch) 공정으로서 수행해야 한다. 또한, 플라즈마는 전형적으로 공정 체임버 내에서 확산 방식으로 분산되므로, 특정한 기재 부위에 유도되기 어렵다. 그러므로, 반응성 종은 이 공정에서 효율적으로 이용될 수 없다. 플라즈마는 또한 스퍼터링 공정을 통해 공정 체임버에 손상을 가할 수 있으며, 유전체 표면 상에서 스페이스 전하의 축적을 생성할 수 있는데, 이는 십중팔구 마이크로 회로 손상을 유발하게 된다. 마이크로파 자체는 또한 마이크로 회로 손상을 야기할 수 있고, 기재 온도는 처리 동안 제어하기 어려울 수 있다. 또한, 플라즈마는 잠재적으로 위험한 자외선을 방출할 수 있다. 이러한 공정은 또한 값비싼 전기 장비를 필요로 하고, 상당한 전력을 소모함으로써, 전체적인 비용 효과를 저하시키게 된다.
US 5,409,543에는 전자의 열이온(thermionic) (고온 필라멘트) 방출을 이용하여 반응성 수소 종을 생성시키기 위한 공정이 개시되어 있다. 에너지화된 수소는 화학적으로 기재 표면을 환원시킨다. 열이온 전자는 500℃ 내지 2200℃의 온도에서 유지된 내화성 금속 필라멘트로부터 방출된다. 전기적으로 바이어스된 그리드(grid)는 과량의 자유 전자를 편향 또는 포획하는 데 사용된다. 반응성 종은 불활성 담체 기체 중에 2% 내지 100% 수소를 함유하는 혼합물로부터 생성된다.
US 6,203,637에는 또한 열이온 캐소드로부터 유래하는 방전을 이용하여 수소를 활성화시키는 공정이 개시되어 있다. 이 경우, 방출 공정은 가열된 필라멘트를 함유하는 별도의 (원거리) 체임버에서 수행한다. 이온 및 활성화된 중성 종(neutrals)은 처리 체임버 내로 유동하여 산화된 금속 표면을 화학적으로 환원시키게 된다. 그러나, 그러한 고온 캐소드 공정은 최적 효과 및 필라멘트 수명을 위한 진공 조건을 필요로 한다. 진공 조작은 값 비싼 장비를 필요로 하며, 상기 장비는 솔더링 처리 컨베이어 벨트 시스템 내로 포함되어야 하므로, 전체적인 비용 효과를 저하시키게 된다.
문헌(Potier, et. al., "Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure", Surface Mount International Conference, 1995, San Jose, CA) 및 US 6,146,503, US 6,089,445, US 6,021,940, US 6,007,637, US 5,941,448, US 5,858,312, 및 US 5,722,581에는 전기 방전을 이용하여 활성화된 H2(또는 다른 환원 기체, 예컨대 CH4 또는 NH3)를 생성시키기 위한 공정이 기술되어 있다. 이 환원 기체는 불활성 담체 기체(N2) 중에서 "% 수준"으로 존재한다. 방전은 "몇몇의 킬로볼트"의 교류 전압 공급원을 이용하여 생성하게 된다. 원거리 체임버내 전극으로부터 방출된 전자는 하전된 수소 라디칼 및 중성 수소 라디칼을 생성하고, 이어서 이들 라디칼은 기재로 유동하게 된다. 이 공정은 결과적으로 150℃ 부근의 온도에서 솔더링 처리하고자 하는 금속 상의 산화물을 환원시키게 된다. 그러나, 이러한 원거리 방전 체임버는 상당한 장비 비용을 필요로 하고, 현행 솔더링 처리 컨베이어 벨트 시스템으로 용이하게 개장되기 어렵다. 게다가, 그 공정은 솔더 산화물을 제거하도록 설계된 것이 아니다.
US 5,433,820에는 대기압에서 고 전압(1 kV 내지 50 kV) 전극으로부터 유래 하는 전기 방전 또는 플라즈마를 이용하는 표면 처리 공정이 기술되어 있다. 이 전극은 원거리 체임버 내에 보다 기재의 근거리 내에 위치하게 된다. 전극으로부터 방출된 자유 전자는 반응성 수소 라디칼, 원자 수소 함유 플라즈마를 생성하게 되고, 이어서 이들은 산화된 기재 위에 배치되어 있는 유전체 외장(dielectric shield) 내로 개구부를 통해 유입된다. 이 유전체 외장은 탈산화를 필요로 하는 특정 표면 위치 상에 활성 수소를 집중하게 한다. 그러나, 그러한 유전체 외장은 전기장을 변경시킬 수 있고 정밀한 공정 제어를 억제할 수 있는 표면 전하를 누적시킬 수 있다. 설명한 공정은 단지 베이스 금속 표면을 플럭스 처리하는 데에만 이용되고 있다.
정부 보고서(U.S. Department of Commerce, National technical Information Service, 1982, entitled: "Mass Spectrometry Detection of Neutral Dissociative Fragments")는 다음과 같이 요약할 수 있다. 분자 해리 공정으로부터 중성 단편을 검출할 수 있는 확률은 질량 분광계를 이용하여 연구한다. 질량 분광계는 이중 이온화기가 구비되어 있다. 하나의 이온화기는 (기체 방전에 의한) 중성 및 이온성 해리 단편을 형성하는 데 사용된다. 중성 단편은 (기체 방전에 의한) 이온화 및 후속적인 검출을 위한 제2 이온화기를 수행하게 된다. 제1 이온화기가 전원 입력 또는 출력된 경우 측정된 신호의 차이는 전자 에너지의 함수로서 중성 종의 형성에 관한 정보를 나타낸다. 이 연구는 N2 및 H2로부터 중성 N 및 H 단편의 검출에 이용된다. 본 발명은 이러한 종래 기술과 매우 상이하다. 본 발명에서, 질량 분광계는 변형시킬 필요가 없으며, 다량의 샘플에 대한 분석 작업을 가능하게 해준다.
US 6,776,330에는 솔더의 수소 플럭싱 처리를 위한 해리성 전자 부착이 기술되어 있지만, 본 발명에서와 같이, 중수소의 사용을 고려하고 있다.
중요한 추가 종래 기술은 US 3,742,213; US 5,105,761; US 5,807,614; US 5,807,615; US 5,928,527; US 985,378; US 6,004,631; US 6,037,241; US 6,174,500; US 6,193,135; US 6,194,036; US 6,196,446; 문헌(Koopman, et. al., Fluxless Flip Chip Solder Joining, NEPCON WEST '95 PROCEEDINGS, pp 919-931); 및 문헌(Shiloh, et. al., Flux-free Soldering, NEPCON WEST '94 PROCEEDINGS, pp. 251-273)을 포함한다.
솔더 접합부내 산화물 또는 플럭스 결함이 없는 매우 우수한 솔더링 처리를 위한, 베이스 금속 및 솔더 산화물을 제거하는 경제적이고 효율적인 무플럭스 솔더링 공정을 제공할 때, 종래 기술의 단점들은 본 발명에 의해 극복되며, 상기 공정은, 하기에 보다 상세히 설명하고 있는 바와 같이, 솔더링 처리 조작 이전 또는 동안 음으로 하전된 이온성 수소를 사용하여 산화물과 활성적으로 반응하도록 저온, 거의 주위 또는 대기압 조건에서 낮은 DC 전력 요건 또는 유사한 저 에너지 전파로 수행하는 무플럭스 솔더링을 제공한다.
본 발명은 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체의 기체 혼합물을 사용하는 전자 부착에 의해 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분의 금속 표면을 건식 플럭싱 처리하는 방법이며, 상기 방법은 (a) 제1 전극에 접속되어 있는 것으로 솔 더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분을 표적 어셈블리로서 제공하는 단계; (b) 표적 어셈블리에 인접하게 제2 전극을 제공하는 단계; (c) 제1 전극과 제2 전극 사이에 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체를 포함하고 있는 기체 혼합물을 제공하는 단계; (d) 제1 전극 및 제2 전극에 직류(DC) 전압을 제공하여 전극들 간의 방출 전류를 형성시키고 상기 환원 기체에 전자를 공여하여 음으로 하전된 이온성 환원 기체 및 중수소에 결합된 수소의 분자를 형성시키는 단계; (e) 표적 어셈블리를 음으로 하전된 이온성 환원 기체와 접촉시켜서 표적 어셈블리 상의 산화물을 환원시키는 단계를 포함한다.
이 방법은 음으로 하전된 이온성 환원 기체를 형성하여 달리 검출하여 확인하기 어려운 종의 형성을 확인하는 것을 검사하는 데 이용할 수 있다.
상기 방법은 공정 파라미터를 조정 가능케 하여 중수소에 결합된 수소의 분자 및 이어서 음으로 하전된 수소 이온을 최대화시키기 위해서 음으로 하전된 수소 이온을 형성하는 해리성 전자 부착의 정도에 대한 지시인자로서 중수소에 결합된 수소의 분자의 측정을 포함한다.
또한, 캐소드와 애노드 사이의 전자 흐름을 강화시키는 방출 팁과 함께 캐소드를 포함하는 관련 장치도 개시되어 있다.
본 발명은 H2 무플럭스 솔더링(fluxless soldering), 특히 웨이퍼 범핑 리플로우 솔더링(wafer bumping relfow soldering)에 관한 것이다. 본 발명은 전형적인 리플로우 솔더링 기기 및 웨이브 솔더링 기기를 변형시킴으로써 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명은 금속 도금, 예컨대 인쇄된 회로판 또는 금속 표면의 일부의 솔더 도금에도 적용가능하여 그 부분을 후속 솔더링 처리하는 데 보다 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 수소 무플럭스 가공(건식 플럭싱 처리)에 의한 산화물의 제거는 그러한 금속 도금 기법에 동등하게 적용가능하다.
초기 솔더 산화물의 제거 및 리플로우 동안 추가 산화물 형성의 방지는 다수의 방식으로 달성할 수 있다. 현행, 가장 일반적으로 이용되는 접근법은 리플로우 전에 플럭스로 웨이퍼 상의 전기도금된 솔더 범프를 코팅하거나, 또는 플럭스와 솔더 페이스트를 혼합하여 웨이퍼 상에 인쇄함으로써 범프를 형성시키는 것이다. 이어서, 플럭스 코팅된 웨이퍼 또는 플럭스 함유 솔더 범프를 지닌 웨이퍼는 솔더 산화물의 형성을 더욱더 최소화시키는 질소 대기 중으로 리플로우 처리한다. 리플로우 동안 플럭스는 효과적으로 솔더 표면 상에 존재하는 산화물 층을 효율적으로 제거한다. 그러나, 이러한 플럭스 함유 리플로우는 공정상 문제점 및 불편한 점을 야기할 수 있다. 예를 들면, 가열 동안 유기 플럭스가 분해되는 경우, 휘발성 물질이 발생하게 된다. 이러한 휘발성 물질은 용융된 솔더 중에 포획되고 공극을 형성할 수 있는데, 이는 기계적 및 전기적 특성을 열화시킬 뿐만 아니라 솔더 범핑 처리된 웨이퍼의 공면성(co-planarity)을 파괴하고 후속 칩 결합 공정에 영향을 미친다. 플럭스 휘발성 물질은 또한 퍼니스 벽 상에 응축 및 축적되는데, 이는 보수관리 비용 및 장비 중단 시간을 증가시킨다. 분해 후 유기 플럭스는 항상 잔류물을 잔류시키는데, 이는 부식을 야기하고 어셈블리의 성능을 열화시킬 수 있다. 예를 들면, 플럭스 잔류물은 광전자 어셈블리에서 레이저 신호를 편향 또는 감소시킬 수 있으므로, 방출기 또는 수신기 성분의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
플럭스 잔류물을 제거하기 위해서, 후-세정(post-cleaning)이 요구된다. 클로로플루오로카본(CFC)이 통상적으로 세정제로서 사용된다. 하지만, 그 용도는 지구 보호 오존층에 대한 추가 손상을 감소시키기 위해서 금지되고 있다. 소량의 활성화제를 사용하여 잔류물을 환원시키는 비세정 플럭스(non-clean flux)가 이용가능한 경우, 플럭스 잔류물 양의 손익과 플럭스의 활성 간의 절충 관계가 항상 존재하게 된다.
대체로 웨이퍼 범핑에 대한 무플럭스 솔더 리플로우의 용도의 관심이 증가하고 있다. 무플럭스 기술의 연속적인 진보에도 불구하고, 집적 회로(IC) 제조 산업 내에서는 그러한 기술이 폭 넓게 이용되고 있지 않다. 효율적이고, 단순하며, 신뢰성이 있으며, 비용 효과적이고, 환경적으로 안전한 무플럭스 용액은 진보된 IC 패키징에 있어 매우 높은 우선적 목표가 되어 지속되고 있다.
다양한 무플럭스 접근법 중에서, 특히 베이스 금속 및 솔더 상의 산화물을 환원시키는 반응성 기체로서 수소의 용도가 매우 매력적인데, 그 이유는 그것이 매우 깨끗하고 비독성적인 공정이기 때문이다. 유일한 부산물이 퍼니스 외부로 용이하게 통기될 수 있는 물이다. 수소 무플럭스 솔더 리플로우의 주요 한계점은 정상 솔더 리플로우온도 범위에서 분자 수소의 반응성의 부족이며, 상기 온도 범위는 솔더 융점보다 대략 30℃ 이상이다. 이러한 접근법이 효과적이기 위해서는 순수한 수소를 사용할 필요가 있다. 그러나, 순수한 수소는 매우 인화성이 큰 기체이고, 산 화물 환원에 충분한 활성화 에너지를 제공하기 위해서는 370℃ 보다 큰 온도로 그 수소를 가열함으로써 활성화시켜야 한다. 전력 소비 및 변경 시간(changeover time)의 증가를 요구하는 것 이외에도, 고온 요건은 금속간 화합물(IMC: intermetallic compound)의 조립화(coarsening)에 기인하여 저 융점 솔더의 용도를 방해하게 된다.
수소 무플럭스 솔더 리플로우에 대한 이러한 한계점들은 수 많은 연구개발자들이 다양한 접촉 방법을 수행하여 고 반응성 수소 라디칼을 발생시키는 과정을 보조하도록 유도해 오고 있긴 하지만, 그 중에서도 특히 플라즈마 보조형 무플럭스 리플로우는 보다 광범위하게 연구되는 방법론 중 하나이다. 최근 연구는 공기 중의 10 부피% H2의 기체 혼합물 중에서 실시하는 무연 솔더의 플라즈마 리플로우 범핑을 예시하고 있다. 그러나, 그러한 공정에서 형성된 접합부 강도는 플라즈마 가열 유도된 조립화로 인하여 상대적으로 낮다. 또한, 플라즈마 형성을 위한 최적 조건을 얻기 위해서, 그러한 공정은 진공 하에 조작되어야 한다. 진공은 자본 및 조작 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 공정을 느리고 불연속적인 배치 공정에만 국한한다. 이는 작업 처리량을 감소시키고 변경 시간을 증가시킨다. 대기압 플라즈마 또한 연구 개발되고 있다. 이것의 한계점은 대기압 공정 내에서 발생된 활성 종의 경우 짧은 수명으로 인한 상대적으로 낮은 효율 및 잠재적으로 높은 에너지 소모를 나타낸다는 것이다.
본 발명의 방법의 원리는 도 1a 및 도1b에 도시할 수 있다. 솔더링 또는 무 플럭싱 처리 동안, 질소와 환원 기체(10), 예컨대 수소 또는 일산화탄소의 기체 혼합물은 가열 체임버 내로 도입하고, 캐소드(14)와 애노드(16) 및 솔더링 처리하거나 플럭싱 처리하고자 하는 부분(18)을 구비한 오븐 또는 퍼니스(12)는 애노드(16)에 접속하거나 그 애노드(16)에 장입되어 표적 어셈블리(16/18)를 형성시킨다. DC 전압(20)이 캐소드(14)와 애노드(16) 사이에 인가되는 경우, 저 에너지 전자(22)는 캐소드(14)에서 발생되어 전기장(24) 중에서 애노드(16)로 표류하게 된다. 이러한 전자 표류 동안, 분자 환원 기체, 즉 H2(26)의 일부는 전자 부착에 의해 음이온(28)을 형성한 후, 또한 애노드(16)로 표류할 수 있다. 애노드(16)에서, 음으로 하전된 이온성 수소(28)는 전형적인 플럭스를 사용하는 일 없이도 솔더 및 솔더링 처리하고자 하는 금속 표면 상에 부착되어 각각의 산화물을 환원시킬 수 있게 된다. 이러한 공정 동안, 불활성 기체, 즉 N2(30)는 영향을 받지 않는데, 이는 질소의 전자 친화성이 제로이기 때문이다.
본 발명에 있어서, 기체 혼합물내 H2 농도는, 환원 기체 혼합물의 인화성을 피하기 위해서, 대략 0.1 부피% 내지 100 부피%, 보다 바람직하게는 대략 0.5 부피% 내지 50 부피%, 가장 바람직하게는 4 부피% 미만으로 구성될 수 있다. 온도는 주위 온도이거나 그 이상일 수 있거나, 바람직하게는 대략 100℃ 내지 400℃ 범위, 보다 바람직하게는 220℃ 내지 325℃ 범위일 수 있다. DC 전압은 대략 -1 kV 내지 -50 kV를 포함할 수 있으며, 바람직한 범위는 대략 -2 kV 내지 -30 kV이다. 캐소드와 처리하고자 하는 부분의 정상 표면 간의 거리는 대략 0.5 cm 내지 10 cm일 수 있으며, 바람직한 범위는 대략 1 cm 내지 5 cm이다. 전자가 발생되는 캐소드 또는 장치(발광성 또는 방사성 공급원)는 애노드 및 표적 어셈블리에 근접하게 있어야 하고, 별도의 체임버 또는 영역을 필요로 하지 않아야 한다. H2 이외에도, 다른 환원 기체, 예컨대 CO가 또한 기체 혼합물 중에 사용될 수 있다. N2를 제외한 기체 혼합물에 사용된 불활성 기체는 Ar, He 및 기타일 수 있다. 압력은 공정 부위의 배출 압력을 의미하는 주위 대기압인 것이 바람직하다. 특정 압력, 예컨대 진공이 요구되지는 않는다. 전형적으로, 압력 10 psia 내지 20 psia가 허용 가능하지만, 압력 14 psia 내지 16 psia, 바람직하게는 14.7 psig가 가장 바람직하다.
상기 설명한 전자 부착 기법 이외에도, 수소 분자 또는 2원자 수소에 대한 전자 부착은 감광성 캐소드, 전자 빔 기법, 방사성 공급원 기법, 및 아발란치(avalanche) 기법으로부터 유래한 발광에 의해 달성할 수 있으며, 여기서 다단계(cascading) 초기 전자는 각 연속 전극으로부터 추가 전자를 발생시키는 전극 배열에서 연속적으로 보다 높은 전위 전극으로 표류하게 된다. 자유 저 에너지 전자의 발광은, 예를 들면 감광성 공급원 내지 자외선 또는 적합한 파장 광의 노출 후 일어날 수 있다. 전자가 DC 전압(즉, 발광)에 기인하여 방출되지 않는 기법에서, 캐소드 및 애노드는 여전히 편향되어 발생된 전자 및 궁극적으로 음으로 하전된 이온성 수소 분자 또는 2원자 수소를 애노드로 잡아 당기게 된다.
본 발명의 메카니즘에 대하여 임의의 특정 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들은 직류 전압이 전극에 인가될 때, 저 에너지 전자가 캐소드 에서 발생되어 전기장 중에서 애노드로 표류하게 되는 것으로 생각된다. 저 에너지 전자는 캐소드를 떠나 분자 또는 2원자 수소에 부착되어 수소 분자를 해리하기에 충분한 에너지를 보유하게 된다. 전자 표류 동안, 분자 환원 기체, 예컨대 수소의 일부는 전자 부착에 의해 음이온을 형성한 후, 애노드로 또한 표류할 수 있다. 애노드에서, 음으로 하전된 이온성 수소는 솔더 및 솔더링 처리하고자 하는 베이스 금속 표면 상에 부착되고, 이어서 솔더 및 베이스 금속의 존재하는 산화물을 환원시킬 수 있다. 본 발명의 전자 부착 방법을 이용하는 산화물 환원의 활성화 에너지는 그러한 부착 없이 수행하는 경우보다 더 낮는데, 이는 부착된 전자와의 충돌이 산화물의 결합 붕괴에 요구되는 대부분의 에너지를 제거하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 용도에서, 웨이퍼 범핑은 집적 회로가 형성되어 있는 전체 규소 웨이퍼에 걸쳐 솔더 범프를 형성시키는 데 이용한다. 이 범핑 공정은 장치의 패키징에 있어서 결정 단계인데, 그 이유는 웨이퍼 상에 형성된 범프가 플립-칩 어셈블리를 위한 전기적, 기계적, 및 장입 접속부이기 때문이다. 그러므로, 범프는 다이에 대한 매우 우수한 접착력, 최소 전기 저항, 및 고 평면성을 나타내어야 한다. 결함, 예컨대 범프내 공극, 비균일 범프 형상, 및 웨이퍼 표면 상의 잔류물은 방지 또는 최소화할 필요가 있다.
범프는 통상적으로 솔더를 패드 상에 배치함으로써, 예컨대 전기도금 또는 스텐실 인쇄를 수행함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 솔더는 그 융점보다 높은 온도에서 리플로우 처리되어 합금화를 수행하고, 다이에 대한 금속 인터커넥트 상을 형성하며, 솔더 범프를 as-도금된 버섯 형상 내지 반구 형상으로 전환시킨다.
전형적으로 침착된 솔더는 자연적인 표면 산화물 층을 함유한다. 솔더가 용융된 경우, 그 산화물은 용융된 솔더를 덮는 고체상 내에 유지되고, 액체가 그 이면으로 흐르는 것을 방지한다. 그러므로, 솔더 범프 표면 상의 산화물 층은 소정의 반구 형상 및 리플로우 처리된 솔더 범프에게 상당히 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 표면 산화물 층이 리플로우 동안 제거되는 경우, 액체 표면 장력은 벌크 용융된 솔더를 강제로 균일한 반구 형상으로 만든다.
웨이퍼 범핑 공정에 의해 형성된 솔더 범프의 형상은 매우 중요하다. 큰 범프 높이는 접합부의 고 결합 강도 및 피로 저항에 바람직하다. 또한, 형성된 범프는 평면성을 보장하기 위해서 전체 웨이퍼를 가로질러 매우 군일한 필요가 있다. 단지 산화물 무함유 범프만이 이들 기대치를 총족시킬 수 있다. 그러므로, 솔더 리플로우 동안 효율적인 산화물 제거는 성공적인 웨이퍼 범핑에 중요하다. 범프 크기는 연속적으로 감소함에 따라, 솔더 산화는 증가된 표면 에너지로 인하여 매우 심각하게 되며, 리플로우 동안 산화물 제거는 형성된 솔더 범프의 품질을 보장하는 데 보다 더 중요하다.
본 발명의 목적은 신규한 수소 무플럭스 기술을 개발하는 데 있으며, 여기 고 반응성 수소 종은 정상 솔더 리플로우 조건 하에 발생하게 된다. 보다 구체적으로, 개발된 과학기술은 다음의 기대치를 충족시킬 수 있다.
- 수소 종은 주위 압력하에 발생되어 개방 및 연속 리플로우 생산 라인에 공급해야 한다.
- N2 중의 ≤ 4 부피%의 기체 혼합물은 비인화성을 보장하도록 사용된다.
- 효과적인 리플로우 온도는 정상 리플로우 온도 범위를 초과하지 않아야 한다.
- 자본 및 조작 비용은 공정 비용을 효과적으로 만들기 위해서 최소가 되어야 한다.
수소가 정상 리플로우 온도 범위에서 금속 산화물을 환원시키는 제한 개시 단계는 분자 수소의 결합 해리이다(104.204 kcal/mole). 따라서, 중성 또는 하전된 원자 수소를 발생시키는데 도움을 줄 수 있거나 주위 온도에서 수소 결합을 약화시킬 수 있는 임의의 방법 및 정상 리플로우 온도 범위는 환원 공정을 활성화시키는 데 유리하다. 본 발명은 희석 기체, 예컨대 질소 중의 분자 수소를 수소 농도가 인화성 한계(≤4 부피%) 되도록 해리하기 위한 전위 활성화 공정으로서 전자 부착(EA)과 동일하다. 대기압 하의 EA는 기체 정제를 수행하기 위한 기체 스트림으로부터 음전기 불순물을 제거하는 데 이용되고 있다. 그러나, 표면 화학 반응을 촉진하기 위한 그 유용성은 새로운 분야이다.
저 에너지 전자(＜ 10 eV)가 기체 분자와 충돌하는 경우, 일부는 일반적으로 "전자 부착"이라고 정의되는 해리성 부착 또는 직접 부착에 의해 음이온을 생성하는 기체 분자에 의해 포획된다. 주위 압력에서, 저 에너지 전자는 캐소드 방출 또는 코로나 방전 또는 이들의 조합에 의해 발생되며, 여기서 발생된 전자의 에너지는 전기장 세기, E 대 총 압력, p의 비율, E/p에 따라 좌우된다. 그 이유는 전자가 각 자유 경로 내에서 잔기장 하에 가속화되고, 기체 분자와 충돌시 감소되기 때문이다. 압력의 증가는 기체 분자의 밀도를 증가시키고, 전자와 기체 분자 간의 충돌을 촉진시킨다. 그러므로, 주위 압력은 저 에너지 전자를 생성시키고 진공과 비교하여 전자 부착의 확률을 향상시키는 데 훨씬 더 바람직하다.
보다 구체적으로, 하기 방정식들은 저 에너지 전자가 기체상 질소 중에 희석된 수소 기체 분자에 의해 포획되는 경우의 과정을 설명한 것이다.
해리성 부착: H2 + e- → H-* → H- + H (1)
자가 탈착: H2 + e- → H2 -* → H2 * + e- (2)
직접/방사성 부착: H + e- → H-* → H- + hγ (3)
직접/충돌 안정화 부착: H + e- + N2 → H-* + N2 → H- + N2 (4)
EA에 의해 형성된 것으로 여기된 분자 수소 음이온, H2 -*는 중간 공명 상태이며, 이 중간 공명 상태는 해리성 전자 부착에 의해 H- 및 H로 해리될 수 있거나(방정식 1), 또는 방정식 2에 도시되어 있는 바와 같이 진동 여기된 분자(H2 *)를 잔류시키면서 일시적으로 결합된 전자를 자가 탈착시킬 수 있다. 2가지 반응 중 하나가 발생할지의 여부는 입사 전자의 에너지 및 수소 분자의 핵내 분리에 따라 좌우된 다. 핵내 분리가 크면 클수록, H2에 의해 포획되는 입사 전자의 에너지가 더욱더 낮아고, 해리성 부착이 발생할 확률은 더욱더 높아진다. 해리성 부착의 속도 계수는 4 eV 주위의 전자 에너지에서 피크를 갖는다. 방정식 3은 저 에너지 전자의 충돌로부터 음으로 하전된 원자 수소 이온을 생성시키는 2차 과정을 설명한 것이며,그 2차 과정은 수소 분자가 해리된 후에 일어나며, 직접 또는 방사성 부착이라고 칭한다. 여기서, 직접 부착과 관련된 과량 에너지는 방사성 방출에 의해 제거된다. 직접 부착 과정은 1차 해리성 부착 과정과 대략 동일한 효율로 발생하며, 그 속도 계수는 입사 전자의 에너지가 증가하면서 약간 증가한다. 상기 설명한 EA 과정 동안, 농도가 ≥ 96 부피%인 N2는 EA에 의해 음이온을 형성할 수 없는데, 그 이유는 N2의 전자 친화성이 제로이기 때문이다. 질소 기체 분자는 충돌 안정화에서 제3 물체로서 작용하여 직접 부착에 의해 형성된 여기된 수소 이온의 과량 에너지를 흡수할 수 있다(방정식 4). 본 명세서에서 제시된 용도에서, 충돌 안정화 부착은 시스템에 가해진 주위 압력 및 고 질소 농도로 인하여 방사성 부착과 비교하여 보다 중요한 것으로 간주된다.
솔더 리플로우를 위한 본 발명의 실험적 EA 공정은 도 1b에 도시되어 있다. 애노드(100) 상에 장입된 솔더 범핑 처리된 웨이퍼(도시되어 있지 않음)의 리플로우 동안, N2 중의 ≤ 4 부피% H2의 기체 혼합물을 리플로우 퍼니스(104)로 도입하는데, 여기서 리플로우 퍼니스는 전형적으로 중심축(도시되어 있지 않음)에 따라 상이한 구간에 위치한 가열/냉각 영역, 및 퍼니스의 한 단부에서 또 다른 단부에 이 르는 이동 벨트(도시되어 있지 않음)를 함유한다. 퍼니스(104)의 내부에, 전자 방출 캐소드(106)를 오버헤드에 장입하고, 복수개의 방출 팁(107)을 구비하며, 리플로우처리하고자 하는 웨이퍼를 접지된 금속 애노드(100) 또는 이동 벨드 상에 배치한다. 적합한 전압(108)을 캐소드(106)에 인가하는 경우, 저 에너지 전자(도시되어 있지 않음)는 캐소드(106)에서 생성되고 전기장에 의해 구동된 애노드(100)쪽으로 항하여 이동한다. 이어서, 분자 수소는 이러한 전자와 충돌하여, 중성 원자 수소 및 음으로 하전된 원자 수소를 형성하게 된다(방정식 1, 3 및 4). 이 음으로 하전된 원자 수소 이온은 또한 전기장을 따라 애노드(107)로 향하여 이동하고, 여기 상기 애노드는 웨이퍼 표면 상에서 활성 종의 우선적 흡착 및 이로써 솔더 산화물의 촉진된 환원을 유도하게 된다. 방정식 5는 음으로 하전된 원자 수소 이온에 의한 솔더 표면 건식 플럭싱 처리 또는 탈산화를 설명한 것이며, 여기서 주석계 솔더 표면 상의 산화물 층의 우세한 조성이 SnO인 것으로 여겨진다.
솔더 표면 탈산화: 2H- + SnO → Sn + H2O + e- (5)
EA 및 표면 탈산화 공정 동안, 웨이퍼 표면에 주입된 전자 또는 웨이퍼 표면 상에서 발생된 전자는 솔더 범프 위치로 이동하고 규소 매트릭스를 통과하여 접지부로 인출됨으로써 방전 처리된다. 대부분의 규소 웨이퍼는 2.0 마이크론 미만의 두께 범위의 백사이드 산화물 층을 함유하는데, 이는 정상 조건 하에서 전기적으로 그 웨이퍼를 절연시킨다. 웨이퍼는 백사이드 산화물에 걸친 전압 구배가 EA 동안 형성된 전하에 의해 특정 한계치로 증가하는 경우 여전히 반도체로서 거동할 수 있 다.
본 발명의 개량은 수소 분자에 대한 해리성 전자 부착에 의해 형성된 원자 수소를 검출하는 접근법이다. 이 검출은 H2 및 D2(중수소)의 기체 혼합물을 사용하고, 질량 분광계를 이용하여 HD(중수소에 결합된 수소의 분자)의 형성을 모니터링함으로써 수행한다. 전자 부착이 적용되는 경우 HD의 증가는 발생하는 해리성 부착을 지시하므로, 원자 수소 이온의 확인이 생성된다. 다음의 방정식들은 그 과정을 설명한 것이다.
H2 + e- → H2 * → H- + H (16)
D2 + e- → D2 * → D- + D (17)
H + D → HD (18)
상기 식 중, H2 -* 및 D2 -*는 여기된 분자 수소 및 중수소 음이온이다.
또한, 가장 높은 HD 형성에 상승하는 H1/D2의 바람직한 기체 농도 비율이 존재하며, 그 비율은 1.0보다는 오히려 약 2.5인 것으로 밝혀졌다. 높은 HD 형성은 보다 효율적인 해리성 전자 부착을 나타내는 지시인자이다.
본 발명은 웨이퍼 범핑을 위한 전자 부착(EA)을 기초로 하는 제어된 수소 무플럭스 솔더 리플로우 기술을 개발하고자 하는 필요성으로 인하여 이루어진 것이다. 본 발명 EA 공정은 주위 압력 및 열적 해리의 온도보다 더 유의적으로 낮은 온 도에서 분자 수소의 해리 및 원자 수소 이온의 생성(방정식 6)을 촉진한다. 그 수소 이온은 비인화성 수소 농도(≤ 4 부피%)를 사용함으로써 솔더 산화물을 환원시키고 정상 리플로우 온도에서 무플럭스 솔더 리플로우를 용이하게 한다.
EA 보조형 H2 무플럭스 솔더 리플로우를 제어하기 위해서, 해리성 전자 부착에 의한 음으로 하전된 원자 수소 이온의 발생(방정식 6)을 입증하는 것이 바람직하다. 원자 수소(H)의 검출은 해리성 전자 부착을 보유한다는 우수한 지시인자가 된다. 그러나, 급속한 재조합 때문에, 질량 분광계를 사용하여 원자 수소를 직접 검출하는 것은 가능하지 않다.
본 발명에서, 원자 수소의 형성 및 해리성 전자 부착의 진행 과정을 검출하는 대안적인 접근법을 발견하게 되었다. 본 발명은 제어된 방식으로 EA를 수행하는 데 유용할 뿐만 아니라 음으로 하전된 이온 수소의 형성을 향상 또는 최대화하기 위해서 공정 변수를 선택함으로써 EA 공정을 향상시키는 데에도 유용하다.
도 1b에 도시된 실험적 설명을 참조하면, 전자 부착 어셈블리는 석영 튜브 퍼니스(104)의 내부에 장입한다. 배출물 기체의 조성을 특성화시키기 위해서 퍼니스(104)에 대한 유입 포트(112)상에서 질량 분광계를 샘플링 포트에 추가한다(도시되어 있지 않음). 세라믹 라이너(114)를 퍼니스(104)의 내부에 삽입하여 아크 발생 손상을 방지한다.
도 2는 유동하는 H2/D2 블렌드에 대한 실험 결과를 도시한 것이다. 퍼니스 온도가 N2 흐름 하에 280℃에 도달하여 평형 상태로 될 때 유출물의 분석을 개시한 다. 데이터 습득 개시 후, 5 분이 경과하면, 기체 흐름을 N2에서 부피비가 1:1인 H2/D2의 공정 기체 혼합물로 전환시킨다. 이어서, 데이타 습득 개시 후, 15 분 내지 25 분 동안 0.25 mA/팁의 전자 방출 전류를 인가한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전자 방출이 적용되는 경우 HD 세기가 증가하고, 전자 방출이 정지되는 경우 HD 세기가 초기 수준으로 다시 떨어진다.
상기 등온선 분석은 상이한 온도에서 반복한다. 본 발명자들에 의해 밝혀진 바에 따르면, 공정 온도는 피크 HD 세기가 증가함에 따라 증가하게 되는데(도 3), 이는 해리성 부착이 흡열 반응인 것으로 간주되기 때문에 합당하다. 등온선 분석의 요약은 도 4에 도시되어 있다. 이 데이타는 해리성 전자 부착을 수행하기 위한 초기 온도가 약 100℃임을 나타낸다.
도 5 및 6은 등온선 온도 280℃에서 HD 형성에 미치는 방출 전류의 효과를 예시한 것이다. 이러한 연구에 사용된 실험 조건 및 절차는 상기 논의한 바와 같이 동일하며, 단 방출 전류를 0.125 mA/팁 내지 0.375 mA/팁으로 다양하게 한 점을 예외로 한다. 허용가능한 범위는 0.01 mA/팁 내지 1.0 mA/팁일 수 있다. HD 세기 피크는 방출 전류가 상승하게 됨에 따라 현저하게 증가하게 된다. 이 결과는 본 발명자들의 연구에 따르면 공정 스페이스 내에서 해리성 부착이 캐소드로부터 방출된 전자의 갯수에 따라 좌우된다는 점을 확인시켜 보여준다.
도 7 및 8은 등온선 온도 280℃에서 HD 형성에 미치는 N2 희석의 효과를 예시한 것이다. 본 발명자들은 공급물 기체내 N2 농도를 0 내지 100 부피%로 다양하게 하고, 반면에 다른 실험 변수, 예컨대 H2/D2 비율 및 전자 방출 전류와, 테스트 절차는 본 발명자의 등온선 연구에 사용된 것과 동일한 조건으로 유지한다. 그 결과는 H2 + D2 농도가 증가함에 따라 HD 형성은 연속적으로 증가하게 된다는 것을 입증해 보여준다.
도 9는 280℃ 등온선 온도에서 형성된 HD의 농도에 미치는 H2/D2 비율의 효과를 입증하기 위한 것이다. 이 연구에 사용된 실험 조건 및 절차는 도 2에서 논의한 것과 동일하게 유지하고, 단 본 발명자들은 H2/D2 비율을 0에서 무한대에 이르기 까지 다양하게 한다는 점을 예외로 한다. 이 결과는 HD 형성에서 최적 H2/D2 비율이 존재한다는 것을 입증해 보여준다. 도 10은 추가로 전자 부착 하에 가장 높은 HD 농도에 상응하는 최적 H2/D2 비율이 1.0보다는 오히려 대략 2.5이다는 것을 입증해 보여준다.
전자 부착 보조형 H2 무플럭스 리플로우의 예상된 가치는 다음과 같은 것들이 고려된다.
- 수소가 솔더 산화물을 환원시키는 초기 온도는 분자 수소의 결합 해리에 요구되는 열 에너지가 감소되기 때문에 낮출 수 있다.
- 전자 부착에 의해 형성된 음으로 하전된 원자 수소 이온은 인가된 전기장에 의해 솔더 표면을 향하여 구동하게 된다. 활성 종의 우위적인 흡착은 산화물 제거에 요구되는 효과적인 H2 농도를 감소시킨다. 이는 비인화성 H2/N2 농도(예를 들 면, N2 중의≤ 4 부피% H2)의 사용을 가능하게 한다.
- 수소 분자에 전자를 부착시키는 확률은 방출된 전자의 감소된 에너지 준위 및 기체상 내의 증가된 수소 분자 밀도로 인하여 기체 압력이 증가함에 따라 증가하게 된다. 그러므로, 이는 전자 부착 공정의 적용을 진공에서보다 주위 압력에서 더 바람직하게 만든다.
- N2 중의 4 부피% H2의 기체 혼합물 중에서 전자 부착을 적용하기 위해서, 단지 H2 분자만 캐소드로부터 방출된 전자를 부착시키는 확률을 보유한다. 따라서, 활성 종을 형성시키기 위한 효율은 상대적으로 높아지게 된다.
- 전자 부착에 의해 형성된 수소 이온은 모두 음으로 하전되어 있기 때문에 서로 반발하는데, 이는 주위 압력 하에서 이온 수명을 상대적으로 길게 만든다.
도 1a 및 도 1b에서 설명된 본 발명의 EA 공정을 달성하기 위해서, 주요 제기점은 웨이퍼 표면 위로 균일하게 전자를 발생시킬 수 있고 H2, N2 및 ppm 수준의 O2 및 H2O를 함유하는 주위 환경의 주위 압력 하에 긴 작동 수명을 보유하는 캐소드를 보유하는 것이다. 본 발명자들은 이러한 용도에 특히 적합한 신규 캐소드 방출 시스템을 개발한 것이다. 수 많은 캐소드 기하구조 및 방출 메카니즘(예를 들면, 열적 방출, 장 방출, 열적 장 방출)을 이용한 후, 분포된 방출 팁(107)과 함께 금속판으로 구성된 장 방출 캐소드(106)를 설계한 것이다. 전기장을 최대화시키기 위해서, 직경 0.025 인치인 Ni/Cr 와이어로 제조된 각 방출 팁(107)은 금속판 표면으 로부터 1.5 cm 돌출된 10도의 예리한 단부를 지니도록 기계 가공한다. 팁 스페이싱은 인접한 팁들간 전기장의 최소화된 간섭과 전자 방출의 최대화된 표면 도포 영역 간의 절충 관계를 기초로 하여 1 cm인 것이 최적합하다.
상기 설명한 캐소드 방출 팁 기하구조에 관하여, 진동수가 10 KHz이고 진폭이 2KV인 단일-극성 펄스화된 DC 전압을 캐소드와 접지된 웨이퍼 사이에 인가할 경우, 균일한 팁 조명이 얻어진다. 방출 전류는 소정의 펄스화된 DC 전압에 대하여 0.1 mA/팁 내지 0.5 mA/팁으로 다양할 수 있다. 기체 상은 N2 중의 4 부피% H2의 혼합물이고, 캐소드의 방출 팁과 웨이퍼의 표면 간의 갭은 1 cm로 설정된다. 전압 펄스는 아크 발생을 최소화하기 위해 사용되는데, 이는 방출 팁 부근에서 캐소드 방출을 수행하는 데 요구되는 시간이 기체 상의 완전 유전체 분해를 수행하는 데 필요로 한 것보다 더 짧은 것으로 알려져 있기 때문이다.
방출 팁의 수명은 0.3 mA의 일정 방출을 유지하기 위한 단일 팁 상에서 인가된 전압을 모니터링함으로써 테스트한다. 팁의 마모성은 인가된 전압의 증가를 유발한다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 인가된 전압은 조작 시간이 증가함에 따라 약간 증가하고, 수명 테스트 후 방출 팁에서 보다 덜 예리한 팁으로의 형상 변화가 현저하게 나타낸다. 전압 곡선 상에서 국소 변동은 N2 공급물 내의 H2O 및 O2 오염 수준의 변화와 관련이 있는 것으로 간주된다. 심지어는 본 테스트의 종료시에도, 팁의 전자 방출 성능은 여전히 매우 정상적이다.
본 발명은, 개선된 전자 부착 보조형 H2 무플럭스 솔더링 처리 방법을 제공함으로써,
- 수소가 솔더 산화물을 환원시키는 초기 온도는 분자 수소의 결합 해리에 요구되는 열 에너지의 감소로 인하여 낮출 수 있다는 점;
- 전자 부착에 의해 형성된 음으로 하전된 원자 수소 이온은 인가된 전기장에 의해 솔더 표면을 향하여 구동되고, 활성 종의 우위적인 흡착은 산화물 제거에 요구되는 효과적인 H2 농도를 감소시키는데, 이는 비인화성 H2/N2 농도(예를 들면, N2 중의≤ 4 부피% H2)의 사용을 가능하게 한다는 점;
- 수소 분자에 전자를 부착시키는 확률은 방출된 전자의 감소된 에너지 준위 및 기체상 내의 증가된 수소 분자 밀도로 인하여 기체 압력이 증가함에 따라 증가하게 되는데, 이는 전자 부착 공정의 적용을 진공에서보다 주위 압력에서 더 바람직하게 만든다는 점;
- N2 중의 4 부피% H2의 기체 혼합물 중에서 전자 부착을 적용하기 위해서, 단지 H2 분자만 캐소드로부터 방출된 전자를 부착시키는 확률을 보유하게 되는데, 이는 활성 종을 형성시기 위한 효율을 상대적으로 높게 한다는 점; 및
- 전자 부착에 의해 형성된 수소 이온은 모두 음으로 하전되어 있기 때문에 서로 반발하는데, 이는 주위 압력 하에서 이온 수명을 상대적으로 길게 만든다는 점
을 특징으로 한다.

Claims (24)

  1. 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체의 기체 혼합물을 사용하는 전자 부착으로 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분의 금속 표면을 건식 플럭싱(dry fluxing) 처리하는 방법으로서,
    (a) 제1 전극에 접속되어 있는 것으로 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분을 표적 어셈블리로서 제공하는 단계,
    (b) 상기 표적 어셈블리에 인접하게 제2 전극을 제공하는 단계,
    (c) 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체를 포함하고 있는 기체 혼합물을 제공하는 단계,
    (d) 상기 제1 전극과 제2 전극에 직류(DC) 전압을 제공하여 전극들 사이에 방출 전류를 형성시키고 상기 환원 기체에 전자를 공여하여 음으로 하전된 이온성 환원 기체 및 중수소에 결합된 수소의 분자를 형성시키는 단계,
    (e) 상기 표적 어셈블리를 상기 음으로 하전된 이온성 환원 기체와 접촉시켜서 상기 표적 어셈블리 상의 산화물을 환원시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원 기체는 수소, 중수소 및 불활성 기체를 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 전극은 방출 팁을 보유하고, 상기 방출 전류는 0.01 mA/팁 내지 1.0 mA/팁인 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 전극은 방출 팁을 보유하고, 상기 방출 전류는 0.125 mA/팁 내지 0.375 mA/팁인 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 불활성 기체내 수소 분자 대 중수소 분자의 농도가 25 부피% 수소:75 부피% 중수소 내지 90 부피% 수소:10 부피% 중수소인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 불활성 기체내 수소 분자 대 중수소 분자의 농도가 75 부피% 수소:25 부피% 중수소인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 불활성 기체내 수소 분자 대 중수소 분자의 비율이 2.5:1인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 불활성 기체는 질소, 헬륨, 아르곤, 크립톤 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기체 혼합물은 100℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 존재하는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 표적 어셈블리는 220℃ 내지 320℃ 범위의 온도에서 존재하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전압이 대략 -1 kV 내지 -50 kV 범위인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전압이 대략 -2 kV 내지 -30 kV 범위인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 표적 어셈블리와 상기 제2 전극 간의 거리가 대략 0.5 cm 내지 10 cm인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 표적 어셈블리와 상기 제2 전극 간의 거리가 대략 1 cm 내지 5 cm인 방법.
  15. 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분의 솔더를 건식 플럭싱 처리하는 방법으로서,
    (a) 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분 및 애노드 상에 위치해 있는 솔더를 표적 어셈블리로서 제공하는 단계,
    (b) 상기 표적 어셈블리에 인접하게 캐소드를 제공하는 단계,
    (c) 고온에서 상기 애노드와 캐소드 사이에 수소, 중수소 및 불활성 기체를 포함하는 환원 기체 혼합물을 제공하는 단계,
    (d) 상기 애노드 및 캐소드에 직류(DC) 전압을 제공하여 상기 환원 기체 혼합물에 전자를 공여함으로써 음으로 하전된 이온성 수소 및 중수소에 결합된 수소의 분자를 형성시키는 단계,
    (e) 상기 표적 어셈블리를 상기 음으로 하전된 이온성 수소와 접촉시켜서 상기 성분 및 상기 솔더 상의 산화물을 환원시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제1항 또는 제15항에 있어서, 중수소에 결합된 수소의 분자의 농도는 결정되어 있는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 농도는 제공되는 기체 혼합물의 부피, 직류의 전압, 기체 혼합물이 유지되는 온도, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 방법 조건을 조정하여 음으로 하전된 이온성 환원 기체의 형성을 증가시키는 데 사용하는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 수소 및 중수소를 포함하는 환원 기체를 포함하고 있는 기체 혼합물을 제공하는 단계는 중단하고, 이어서 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 수소와 불활성 기체의 기체 혼합물을 제공하고, 중수소에 결합된 수소의 분자를 형성시키지 않는 것인 방법.
  19. 전자 부착으로 솔더링 처리하고자 하는 하나 이상의 성분의 금속 표면을 건식 플럭싱 처리하기 위한 장치로서,
    (a) 그러한 성분들을 함유할 수 있는 퍼니스,
    (b) 상기 퍼니스에 연결되어 있는 수소, 중수소 및 불활성 기체의 환원 기체 혼합물의 공급원,
    (c) 그러한 성분들을 지지하기 위한 상기 퍼니스 내에 위치한 애노드,
    (d) 플레이트에 부착된 복수개의 방출 팁을 보유하고 있는 상기 애노드에 인접한 캐소드로서, 방출 팁은 길이가 1.5 cm이고 직경이 0.025 인치이며 팁의 축에 상대적인 10도 각도를 보유하면서 상기 플레이트로부터 가장 멀리 위치하는 팁 단부가 첨단으로 끝나고, 방출 팁은 인접한 방출 팁들 간에 1 cm로 이격되어 있는 것인 캐소드,
    (e) 상기 애노드 및 캐소드에 부착된 직류의 공급원, 및
    (f) 상기 퍼니스로부터 환원 기체 혼합물을 배출하기 위한 배출구
    를 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 퍼니스의 배출구는 상기 수소 또는 중수소로부터 형성된 분자를 검출하기 위한 검출기를 보유하는 것인 장치.
  21. 원자와 중수소의 혼합물을 사용하는 전자 부착으로 처리된 원자로 표면을 처 리하는 방법으로서,
    (a) 제1 전극에 접속되어 있는 것으로 처리하고자 하는 하나 이상의 표면을 표적 어셈블리로서 제공하는 단계,
    (b) 상기 표적 어셈블리에 인접하게 제2 전극을 제공하는 단계,
    (c) 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전자 부착으로 처리된 원자 및 중수소를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계,
    (d) 상기 제1 전극과 제2 전극에 직류(DC) 전압을 제공하여 전극들 사이에 방출 전류를 형성시키고 상기 혼합물에 전자를 공여하여 음으로 하전된 이온성 원자 및 중수소에 결합된 원자의 분자를 형성시키는 단계,
    (e) 상기 표적 어셈블리를 상기 음으로 하전된 이온성 원자와 접촉시켜서 상기 표적 어셈블리 상에서 상기 표면을 상기 음으로 하전된 이온성 원자로 처리하는 단계
    를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 중수소에 결합된 전자 부착으로 처리된 원자의 분자의 농도는 결정되어 있는 것인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 농도는 제공되는 기체 혼합물의 부피, 직류의 전압, 기체 혼합물이 유지되는 온도, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 방법 조건을 조정하여 음으로 하전된 이온성 원자의 형성을 증가시키는 데 사용하는 것인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전자 부착으로 처리된 원자 및 중수소를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계는 중단하고, 이어서 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전자 부착으로 처리된 원자와 불활성 기체의 기체 혼합물을 제공하고, 중수소에 결합된 전자 부착으로 처리된 원자의 분자를 형성시키지 않는 것인 방법.
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