KR20120092073A - 전자 부착을 수반하는 무플럭스 기법을 통해 표면 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본원에는 전자 부착를 통해 컴포넌트의 표면 상에 있는 금속 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법이 기술되어 있다. 하나의 실시양태에서는, 전자가 환원 가스의 적어도 일부에 부착되어, 금속 산화물을 제거하는 음 하전된 원자 이온을 형성하는 것인 전계 방출 장치가 제공되며, 상기 장치는 전기 전도성 물질을 포함하며 그리고 고 곡률 표면을 갖는 하나 이상의 돌출부를 포함하는 캐소드, 이 캐소드를 둘러싸는 유전체 물질, 및 이 유전체 물질을 둘러싸는 전기 전도성 물질을 포함한 애노드를 포함하고, 여기서 상기 캐소드와 애노드는 각각 전기 전압 공급원에 접속되며 그리고 상기 캐소드와 애노드 간의 유전체 물질은 편극화되어 하나 이상의 돌출부에서 전기장을 제공함으로써 캐소드로부터 전자를 발생시키게 된다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2011년 2월 9일 출원된 미국 가출원 제61/441,053호 및 2011년 11월 23일 출원된 미국 가출원 제61/563,112호를 우선권으로 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 전자 부착을 수반하는 무플럭스 기법으로 표면 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 대체로 표면 산화물을 제거하기 위한 무플럭스(fluxless) 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 대기(예를 들어, 비진공)압에서 전자 부착 및 전계 방출을 수반하는 무플럭스 리플로우 및 솔더링을 위한 장치 및 그를 포함하는 방법에 관한 것이다.
리플로우 및 솔더링(relflow and soldering)은 솔더 조인트를 제조하기 위해 전자 컴포넌트를 조립하는데 있어 중요한 공정 단계이다. 용어 "리플로우(reflow)"는 본원에서 기판에 이전에 적용된 솔더를 용융되게 하고 에너지원 예컨대 열 에너지를 가할 때 흐르게 하는 공정을 의미한다. 본원에서 사용되는 용어 "솔더링(soldering)"은 용융된 솔더가 2 이상의 금속 기판을 결합시키게하는 공정을 의미한다. 다양한 여러 리플로우 및 솔더링 공정이 전자 장치의 조립에 사용될 수 있는데, 예컨대 웨이퍼 펌핑에 사용되는 솔더 범프의 리플로우, 표면-고정 전자 컴포넌트 조립에 사용되는 리플로우 솔더링, 및 삽입-고정 컴포넌트의 조립에 사용되는 웨이브 솔더링 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다.
리플로우 솔더링(reflow soldering)은 표면-고정 컴포넌트의 외부 리드 본딩(outer lead bonding)에 사용되는 공정으로서 여기서는 칩이 다음 단계 표면 고정 팩키지를 위해 그 자리로 리드와 함께 전달된다. 리플로우 솔더링 공정에서, 컴포넌트들은, 회로판 상에 이전에 프린팅된 솔더 페이스트를 이용해 회로판의 상응하는 추적 영역 상에 고정된다. 이렇게 형성된 솔더링부는 이어서 리플로우 퍼니스 적재되어 가열 및 냉각 구역을 통과한다. 회로판 상의 솔더 랜드와 컴포넌트 리드 사이의 솔더 조인트는 솔더 페이스트를 용융, 습윤, 및 고화시켜 형성된다. 연결 표면 상의 용융 솔더의 우수한 습윤성을 보장하기 위해, 솔더 및 베이스 금속 둘 모두 상의 초기 표면 산화물을 제거하고 고화 전에 깨끗한 상태로 표면이 유지되도록 솔더 페이스트에 유기 플럭스가 보통 함유된다. 이 플럭스는 대개 솔더링 동안 증기로 증발되지만, 플럭스 휘발물이 문제, 예컨대 솔더 조인트에 공극 형성 및 리플로우 퍼니스의 오염 등을 야기시킬 수 있다. 솔더링 이후, 플럭스 잔류물이 여전히 회로판에 잔존하여 부식 및 전기 쇼트를 일으킬 수 있다.
웨이브 솔더링(wave soldering)은 또한 예컨대 전형적인 삽입 고정 컴포넌트를 조립하기 위한 외부 리드 본딩에 사용된다. 이는 또한 표면-고정 성분을 솔더링 전에 접착제에 의해 회로판 상에 컴포넌트를 일시적으로 본딩하는데 사용될 수 있다. 둘 모두의 경우, 컴포넌트가 삽입되거나 또는 일시적으로 본딩된 회로판은 컴포넌트 리드 상의 산화물을 제거하기 위해 액체 플럭스를 이용해 세척되어야 하고 그 이후 고온 용융된 솔더 배쓰를 통해 통과되어야 한다. 용융 솔더는 솔더링되는 금속 표면을 자동적으로 습윤시키고 그에 따라 솔더 조인트가 형성된다. 배쓰 내 용융 솔더는 산화되어, 솔더 드로스를 형성하는 경향이 높다. 따라서 솔더 배쓰의 표면은 드로스를 기계적으로 제거하는 것을 통해 빈번하게 세정되어야 하고, 이는 작업 비용 및 솔더의 소비를 상승시킨다. 솔더링 이후, 플럭스 잔류물이 회로판 상에 잔류하여, 리플로우 솔더링에 대해 본원에 기술된 바와 같은 문제를 야기한다.
웨이퍼 범핑(wafer bumping)은 통상 내부 리드 본딩을 위해 칩 본드 패드 상에 두꺼운 금속 범프를 만드는데 사용되는 공정이다. 범프는 통상 패드 상에 솔더를 증착시킨 후 리플로우(본원에서는 제1 리플로우라고 함)하여 합금을 전도시키고 솔더 범프의 형상을 버섯형에서 반구체형으로 바꾸는 것에 의해 통상 제조된다. 제1 리플로우된 범프를 갖는 칩은 기판 상의 솔더 습윤성 터미널의 풋프린트에 부합하도록 "플리핑되고(flipped)" 다음으로 제2 리플로우되어 솔더 조인트가 형성된다. 이들 솔더 조인트는 본원에서 내부 리드 본드라 한다. 고융점 솔더(예를 들면, > 300℃)는 보통 웨이퍼 범핑 공정에서 사용되는데 후속 조립 단계 예컨대 외부 리드 본딩을 내부 리드 본드의 파괴없이 저융점 솔더(예를 들면, < 230℃)를 이용해 진행할 수 있게 하기 때문이다.
제1 리플로우 이후 솔더 범프의 형상이 중요하다. 예를 들면, 큰 범프 높이가 양호한 본딩 및 높은 내피로성에 바람직하다. 또한, 바람직하게는 형성된 범프는 평면성을 보장하도록 실질적으로 균일해야 한다. 비교적 큰 범프 높이를 갖는 실질적으로 균일한 솔더는 제1 리플로우 동안 산화물 무함유 범프 리플로우와 관련있다고 여겨진다. 솔더 범핑된 웨이퍼의 제1 플로우 동안 솔더 산화물을 제거하는 한 접근법은 증착된 솔더 범프 상에, 또는 범프를 형성하도록 웨이퍼 상에 프린팅된 솔더 페이스트 혼합물에 유기 플럭스를 적용하고, 불활성 환경 하에서 범프를 리플로우하여 플럭스가 솔더 표면 상의 초기 산화물을 효과적으로 제거할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 접근법은 단점이 있다. 작은 공극이 플럭스 분해때문에 솔더 범프에 형성될 수 있다. 이러한 공극들은 형성된 솔더 본드의 전기적 특성과 기계적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 솔더 범핑된 웨이퍼의 공면을 파괴하며 후속 칩 본딩 공정에 영향을 미친다. 분해된 플럭스 휘발물이 또한 리플로우 퍼니스를 오염시켜 유지 비용을 상승시킬 수 있다. 또한, 플럭스 잔류물이 빈번하게 웨이퍼 상에 남아서 부식을 야기하고 조립 성능을 저하시킨다.
상기 기술된 리플로우 및 솔더링 공정으로부터 플럭스 잔류물을 제거하기 위해, 세척제로서 클로로플루오로카본(CFC)을 이용하는 후세척 공정이 채택될 수 있다. 그러나, 후세척은 추가의 공정 단계가 부가되고 제조 처리 시간이 증가된다. 또한, 세척제로서 클로로플루오로카본(CFC)의 사용은 지구의 보호 오존층에 대한 잠재적인 손상때문에 금지되었다. 잔류물을 줄이기 위해 소량의 활성제를 사용하는 것에 의한 무세척 플럭스가 개발되었지만, 플럭스 활성과 플럭스 잔류물에서의 이득과 손실이 맞교환된다.
공극 형성, 플럭스 휘발물, 플럭스 잔류물, 및 드로스 형성을 포함한, 상기 기술된 모든 문제에 대한 좋은 해결법은 금속 산화물 제거를 위해, 유기 플럭스를 교체하기 위한 리플로우 및 솔더링 환경으로서 환원 가스를 이용하는 것이다. 이러한 리플로우 및 솔더링 기술을 "무플럭스 리플로우" 및 "무플럭스 솔더링"이라고 한다. 다양한 무플럭스 리플로우 및 솔더링 방법 중에서, 베이스 금속 및 솔더 상의 산화물을 제거하기 위한 반응 가스로서 수소를 사용하는 것이 특히 매력적인데, 이는 매우 깨끗한 공정(부산물이 오직 물로서 이는 퍼니스 밖으로 쉽게 환기될 수 있음)이고, 오픈 및 연속 솔더링 생성 라인과 상용될 수 있다(H2는 비독성이고 연소 범위가 4?75%임). 따라서, 수소 무플럭스 솔더링은 오랜 기간 동안 기술적 목표였다.
내부 리드 본딩을 위한 이전에 사용된 수소 무플럭스 방법 중 하나는 400?450℃의 온도 범위에서 솔더 범핑된 웨이퍼의 리플로우를 위해 순수 수소를 적용하였다. 그러나, 순수 수소의 연소 성질은 대체로 그 적용을 제한한다. 외부 리드 본딩에 사용되는 솔더링 공정, 예컨대 리플로우 솔더링 및 웨이브 솔더링의 경우, 표면 산화물 제거를 위한 수소 사용의 주요 한계는 특히 솔더링되는 베이스 금속 상의 산화물보다 높은 금속-산소 본딩 강도를 갖는, 솔더 산화물에 대해, 보통의 처리 온도 범위(< 250℃)에서 금속 산화물의 비효율적이고 느린 환원율이다. 이러한 수소의 비효율성은 저온에서 수소 분자의 반응성 결여가 원인이다. 고도의 반응성 라디칼, 예컨대 단원자 수소는 보통의 리플로우 솔더링 및 웨이브 솔더링 온도 범위보다 훨씬 높은 온도에서 형성된다. 예를 들면, 주석계 솔더 상의 주석 산화물을 제거하기 위한 순수 H2에 대해 효율적인 온도 범위는 350℃ 보다 높다. 이러한 고온은 포장된 전자 컴포넌트에 대해 손상을 입히거나 또는 신뢰도 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 고도의 반응성 H2 라디칼을 생성하여서, 수소 농도의 유효 범위 및 표면 산화물 환원을 위한 처리 온도를 낮추는 것을 보조하는 촉매 방법을 당분야에서 찾고 있다.
무플럭스(건식) 솔더링은 종래 몇몇 기술을 사용해 수행되었다. 그중 한 기술은 금속 산화물의 증발 온도까지 금속 산화물을 가열하거나 또는 제거하도록 레이저를 적용하는 것이다. 이러한 공정은 대체로 방출되는 오염물에 의한 재산화를 방지하도록 불활성 또는 환원 분위기 하에서 수행된다. 그러나, 산화물 및 베이스 금속의 융점 또는 비점이 유사할 수 있어서 베이스 금속을 용융시키거나 또는 증발시키는데는 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 레이저 방법은 시행이 어렵다. 레이저는 대체로 산화물층에 대한 직접적인 시선을 요구하고 작업이 비효율적이고 비싸다. 이러한 요인들은 대부분의 솔더링 적용분야에 대한 레이저 기술의 유용성을 제한한다.
표면 산화물은 고온에서 반응성 가스(예를 들면, H2O)에 대한 노출을 통해 화학적으로 환원될 수 있다. 불활성 담체(예를 들면, N2) 중 5% 이상의 환원 가스를 함유하는 혼합물이 대체로 사용된다. 이후 반응 생성물(예를 들면, H2O)은 고온에서 탈착에 의해 표면으로부터 방출되고 가스 흐름계 중에서 멀리 운반된다. 전형적인 공정 온도는 350℃를 넘는다. 그러나, 이러한 공정은 고온에서 조차도 느리고 비효율적일 수 있다.
환원 공정의 효율과 속도는 보다 활성인 환원종을 사용해 증가시킬 수 있다. 이러한 활성종은 통상의 플라즈마 기법을 사용해 생성될 수 있다.
오디오, 라디오, 또는 마이크로파 진동수에서의 가스 플라즈마를 사용하여 표면 탈산화를 위한 반응성 라디칼을 생성시킬 수 있다. 이러한 공정에서는, 고강도 전자기 방사선을 사용해 불소 함유 화합물을 포함하여, H2 , O2, SF6, 또는 다른 종을 고반응성 라디칼로 이온화 및 해리시킨다. 표면 처리는 300℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 그러나, 플라즈마 형성을 위한 최적의 조건을 얻기 위해서, 이러한 공정들은 대체로 진공 조건 하에서 수행된다. 진공 작업은 고가의 장비를 필요로하고 신속한, 연속 공정보다는 느린, 뱃치식 공정으로서 수행되어야 한다. 또한, 플라즈마는 대체로 공정 챔버 내에서 발산적으로 분산되어 특정 영역을 지정하기가 어렵다. 따라서, 반응성 종들은 이 공정에서 효과적으로 이용될 수 없다. 또한 플라즈마는 스퍼터링 공정을 통해 공정 챔버에 손상을 입힐 수 있고, 유전체 표면 상에 공간 하전의 축적을 일으켜, 아마도 마이크로 회로 손상을 초래한다. 마이크로파 자체가 또한 마이크로-회로 손상을 일으킬 수 있고, 기판 또는 컴포넌트 온도를 처리 동안 제어하기 어려울 수 있다. 플라즈마는 또한 잠재적으로 위험한 자외선광을 발생시킬 수 있다. 이러한 공정은 또한 고가의 전기 장치를 요구하고 상당한 전력을 소비하여, 그들의 전체적인 비용 효율성을 감소시킨다.
U.S. 특허 제5,409,543호는 진공 조건하에서 분자 수소를 열적으로 해리시키기 위해 열 필라멘트를 사용하는 반응성 수소 종(즉, 원자 수소)의 생성을 위한 방법을 개시한다. 에너지충전된 수소는 기판 표면을 화학적으로 환원시킨다. 열 필라멘트의 온도는 500℃?2200℃ 범위일 수 있다. 전기적으로 바이어스된 그리드를 사용해 열 필라멘트로부터 방출되는 과량의 자유 전자를 포획하거나 또는 편향시킨다. 반응성 종 또는 원자 수소는 불활성 담체 가스 중 2% 내지 100% 수소를 함유하는 혼합물로부터 생성된다.
U.S. 특허 제6,203,637호는 열이온 캐소드로부터의 방전을 사용하는 수소의 활성화 방법을 개시한다. 열이온 캐소드로부터 방출되는 전자는 활성종을 생성하는 가스층 방전을 생성하다. 이러한 방출 공정은 가열된 필라멘트를 함유하는 개별 또는 리모트 챔버에서 수행된다. 이온 및 활성화된 중성물이 처리 챔버로 유입되어 산화된 금속 표면을 화학적으로 환원시킨다. 그러나, 이러한 열간 캐소드 공정은 최적 효율 및 필라멘트 수명을 위해 진공 조건을 요한다. 진공 작업은 솔더링 컨베이어 벨트 시스템으로 통합시켜야 하는, 고가의 장비를 필요로하여, 전체적인 비용 효율성을 감소시킨다.
문헌[Potier, et al., "Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure", Surface Mount International Conference, 1995, San Jose, CA], 및 미국 특허 제6,146,503호, 제6,089,445호, 제6,021,940호, 제6,007,637호, 제5,941,448호, 제5,858,312호 및 제5,722,581호는 전기 방전을 사용하여 활성화된 H2(또는 다른 환원 가스, 예컨대 CH4 또는 NH3)를 생성하는 방법을 기술하고 있다. 환원 가스는 대체로 불활성 담체 가스(N2) 중 "백분율 수준"으로 존재한다. 방전은 "몇 킬로볼트"의 교류 전압원을 사용해 생성된다. 리모트 챔버 내 전극에서 방출되는 전자는 기판으로 이후 흘러들어가는 전기 하전 종이 실질적으로 없는 불안정 또는 엑시티드(exited) 종을 생성한다. 최종 공정들은 150℃의 온도 근방에서 솔더링되는 베이스 금숙 상의 산화물을 환원시킨다. 그러나, 이러한 리모트 방전 챔버는 상당한 장비 비용을 요구하고 존재하는 솔더링 컨베이어 벨트 시스템에 쉽게 새로장착되지 않는다. 또한, 이들 공정은 대체로 솔더 산화물을 제거하기 보다는 솔더링 전에 금속 표면을 전처리하는데 적용된다.
U.S. 특허 제5,433,820호는 고전압(1 kV 내지 50 kV) 전극으로부터의 대기압에서 플라즈마 또는 전기 방전을 사용해 표면을 처리하는 방법을 개시한다. 전극은 리모트 챔버보다는 기판 근부에 위치된다. 전극에서 방출되는 자유 전자는 반응성 수소 라디칼--원자 수소 함유 플라즈마--을 생성하며 이후 산화된 기판 상에 위치하는 유전체 실드 내 개구를 통해 통과한다. 유전체 실드는 탈산화를 필요로하는 특정 표면 위치 상에 활성 수소를 농축시킨다. 그러나, 이러한 유전체 실드는 전기장을 변화시키고 정밀한 공정 제어를 억제할 수 있는 표면 전하를 축적시킬 수 있다. 기술된 공정은 오직 베이스 금속 표면을 플럭스하는데 사용된다.
따라서, 전자 컴포넌트에 대한 손상을 피하기 위해 비교적 저온 하에서 1 이상의 컴포넌트 및/또는 솔더 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 경제적이고 효율적인 방법을 제공하는데 당분야에서는 문제가 존재한다. 예를 들면 플라즈마 기반 방법 및 장치에서 요구되는 것과 같은 진공 장비를 구입하고 유지하는 비용을 피하는, 거의 대기 또는 대기압 하에서 무플럭스 솔더링을 위한 방법 및 장치를 제공하는데 당분야에서는 문제가 있다. 기판의 내부 또는 비노출 표면을 위한 무플럭스 솔더링 방법 및 장치를 제공하는데 문제가 있다. 부가적으로, 1 이상의 연소 가스를 포함하지 않는 무플럭스 솔더링 방법을 제공하는데 부가적인 문제가 있다.
발명의 개요
본 발명은 플럭스, 고가 진공 장비 및/또는 가연성 가스 환경을 필요로 하는 일 없이 하나 이상의 컴포넌트 및/또는 솔더 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 방법 및 장치를 제공함으로써 배경 기술의 문제점들의 일부를 전부가 아닐지라도 해소한다. 하나의 양태에서, 본 발명은 솔더, 금속 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 컴포넌트의 표면으로부터 금속 산화물을, 주위 또는 비진공 압력 대기에서 전자 부착(electron attachment)에 의한 전자의 방출을 통해, 제거하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 하나 이상의 돌출부를 가지며 그리고 전도성 물질을 포함하는 캐소드로서, 그 전도성 물질은 2 내지 5 eV 범위의 일 함수를 갖는 것인 캐소드; 이 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질; 및 이 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 물질을 포함한 애노드를 포함하는 전계 방출 장치를 포함하고, 여기서 상기 캐소드와 애노드는 각각 전기 전압 공급원에 접속되며, 그리고 상기 캐소드와 애노드 사이의 유전체 물질은 편극화되고, 유전체 물질은 전기장 분포를 한정하여 캐소드의 돌출부 중 하나 이상 부근에서 전기장의 강도를 강화시킴으로써 캐소드로부터 전자를 방출시키게 된다. 이 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 전자의 적어도 일부는 다음의 공정: 전계 방출(field emission), 열장 방출(thermal-field emission), 코로나 방전 또는 이들의 조합 중 하나 이상에 의해 발생된다.
또다른 양태에서, 본 발명은 솔더 및 그 위에 금속 산화물을 포함하는 컴포넌트의 하나 이상의 표면 상에 있는 금속 산화물을 제거하기 위한 장치를 제공하고, 상기 장치는 고 곡률 표면을 갖는 하나 이상의 돌출부를 가지며 그리고 전도성 물질을 포함하는 캐소드로서, 그 전도성 물질은 2 내지 5 eV의 일 함수를 갖는 것인 캐소드; 이 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질; 및 이 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 물질을 포함하는 애노드를 포함하는 전계 방출 장치로서, 여기서 상기 캐소드와 애노드는 각각 전기 전압 공급원에 접속되며, 그리고 상기 캐스드와 애노드 간의 유전체 물질은 편극화되며, 캐소드의 돌출부 중 하나 이상에서 전기장을 제공함으로써 캐소드로부터 전자를 발생시키게 되는 것인 전계 방출 장치; 환원 가스로서, 상기 전자가 그 환원 가스의 적어도 일부에 부착되어 음이온을 형성하는 것인 환원 가스; 복수개의 개구를 포함하는 절연판으로서, 상기 컴포넌트는 그 절연판에 설정되고 전계 방출 장치에 대하여 근위에 있는 것인 절연판; 및 이 절연판의 바닥 표면과 접촉해 있으며 그리고 우선적으로 애노드의 것보다 약간 더 양성인 전위(예를 들면, 전압에서 10 V 내지 1KV 이상)를 가져서 음이온을 절연판으로 향하게 유인하는 전도성 표면으로서, 그 음이온은 그 표면 상의 금속 산화물을 제거한 후 절연판의 개구를 통과하여 전도성 표면으로 향하는 것인 전도성 표면을 포함하고 있다.
본 발명의 이들 양태 및 다른 양태는 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본원에 설명된 전계 방출 장치 및 시험 배열의 실시양태의 예를 제공한다.
도 2는 전기장 에미터가 복수개의 니들을 포함한 캐소드를 포함하는 것인 본원에 설명된 전계 방출 장치의 실시양태의 예를 제공한다.
도 3은 샘플 상에 있는 금속 산화물의 환원을 관찰하기 위해서 본원에 설명된 전계 방출 장치 및 시험 배열의 실시양태의 추가 예를 제공한다.
도 4는 본원에 설명된 전계 방출 장치의 실시양태의 추가 예를 제공한다.
도 5는 비노출 및 비접지된 솔더링 표면을 처리하기 위한 본원에 설명된 장치의 실시양태의 예를 제공한다.
발명의 상세한 설명
본원에는 전자 부착 공정에 의해 형성되는 환원 가스의 음 하전된 원자 이온에 대한 노출에 의해, 솔더, 금속 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 컴포넌트의 하나 이상 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 특정 실시양태에서, 그 노출은 리플로우 및 솔더링 공정 전에 및/또는 중에 발생할 수 있다. 그 환원 가스의 음 하전된 원자 이온은 컴포넌트의 하나 이상의 표면 상에 있는 금속 산화물과 반응하여 그 금속 산화물을 환원시키게 된다. 본원에 설명된 그 방법 및 장치는 전형적인 리플로우 및 솔더링 장비, 예컨대 내부 리드 본딩에 사용된 리플로우 기기 및 외부 리드 본딩에 사용된 리플로우 솔더링 또는 웨이브 솔더링 기기 등을 변형함으로써 이용될 수 있다. 본원에 설명된 그 방법 및 장치는 또한 표면 금속 산화물의 제거가 필요한 다른 공정, 예컨대 금속 도금(metal plating) 공정(즉, 인쇄 회로판 또는 금속 표면의 일부를 솔더 도금(solder plating)하여 그것을 후속 솔더링에 대하여 보다 개량가능하도록 하는 것), 표면 세정(surface cleaning) 공정, 브레이징(brazing) 공정, 용접(welding), 및 규소 웨이퍼 프로세싱 중에 형성된 구리 산화물과 같은 표면 금속 산화물을 제거하는 공정(이들에 국한되는 것은 아님) 등에 적용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치를 이용하는 금속 산화물의 제거는 유기 플럭스, 플라즈마계 공정에서와 같은 고가 진공 장비 및/또는 가연성 가스 환경에 대한 필요성 없이도 산화물을 제거하고자 하는 상기 언급된 공정 또는 임의 다른 공정에 동일하게 적용가능하다.
하나의 실시양태에서, 본원에 설명된 전계 방출 장치는 낮은 일 함수를 지닌 전기 전도성 물질로 제조되며, 그리고 고 표면 곡률을 갖는 하나 이상의 돌출부, 예컨대 예리한 팁, 니들, 핑거 등을 포함하는, 유전체 물질에 의해 둘러싸여 있는 캐소드; 이 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질; 및 이 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 애노드를 포함하고, 여기서 상기 캐소드 및 애노드는 전기 전압 공급원에 각각 접속되며, 그리고 상기 캐소드와 애노드 사이의 유전체 물질은 편극화되어 캐소드로부터 전자의 방출을 촉진하게 된다. 그 개시된 전계 방출 장치는 또한 주위 또는 비진공 대기 조건에서 자유 전자를 형성할 필요성을 수반하는 다른 용도, 예컨대 분진 또는 불순물 입자를 제거하는 전자 부착에 의한 가스 정제, 정전기 도장, 또는 코팅(이들에 국한되는 것은 아님) 등에 이용될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "주위 대기 조건(ambient atmospheric condition)"은 하나 이상의 다음 종점: 14.0, 14.5, 14.7, 15.0, 15.5, 16.0, 16.5, 17.0, 17.5, 18.0, 18.5, 19.0, 19.5, 또는 20.0 psig을 갖는 압력 범위를 갖는 대기를 의미한다. 하나의 특정 실시양태에서, 주위 대기 조건은 14 psig 내지 20 psig 범위이다. 대안적인 실시양태에서, 퍼니스의 대기는 가압되어 있다.
본원에 개시된 전계 방출 장치는 특정 실시양태, 예를 들면 BGA, 플립 칩, 및 다이 부착 어셈블리를 비롯한 표면 실장 컴포넌트(surface mount component)의 무플렉스 솔더링 등에 매우 적합할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 그 솔더링 표면은 캐소드 에미터에 충분하게 또는 균일하게 노출되지 않고 또한 애노드로서 작용할 수 없다. 본원에 개시된 전계 방출 장치는 전자 부착 공정을 통해 전자를 전달하고 음 하전된 원자 이온, 예컨대 수소 이온을 생성할 수 있는 캐소드 및 애노드를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "컴포넌트"는 일반적으로 규소, 이산화규소로 코팅된 규소, 알루미늄-알루미늄 산화물, 비소화갈륨, 세라믹, 석영, 구리, 유리, 에폭시 또는 전자 장치 내에 사용하기에 적합한 임의의 물질과 같은 물질을 포함하는 컴포넌트에 관한 것이다. 특정 실시양태에서, 그 컴포넌트는 그 표면 중 하나 이상 위에 배치된 솔더를 갖는다. 예시적인 솔더 조성물은 무플럭스 주석-은, 무플럭스 주석-은-구리, 무플렉스 주석-납, 또는 무플렉스 주석-구리(이들에 국한되는 것은 아님)를 포함한다, 그러나, 본 발명의 방법은 다양한 다른 컴포넌트 및/또는 솔더 조성물에 적합하다.
바람직한 특정 실시양태에서, 제거 및/또는 솔더링하고자 하는 산화물이 포함된 컴포넌트를 접지되거나 양으로 바이어스된 기판 위에 위치시켜, 전계 방출 장치 아주 가까이에 배치한다. 컴포넌트, 기판 및 전계 방출 장치 모두, 환원 가스 및 경우에 따라 담체 가스를 포함하는 가스 혼합물로 퍼징된 동일한 가열 챔버 내에 위치한다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 직류(DC) 전압 등의 에너지원이 전계 방출 장치 내에 포함된 2개의 전극(예를 들어, 캐소드, 애노드 또는 이들의 조합) 중 하나 이상에 인가됨으로써 전위가 생성될 경우, 음으로 바이어스된 전극으로부터 전자가 생성되어, 솔더링하고자 하는 컴포넌트를 갖는 접지되거나 양으로 바이어스된 기판을 향해 드리프트한다. 전자는 주로 캐소드 물질의 고체상으로부터 생성된다. 그러나, 특정 실시양태에서, 인가된 전압 레벨이 비교적 높을 경우(예를 들어, 5 eV 초과), 가스상으로부터 추가분의 전자가 생성될 수 있다. 전계 방출 장치로부터 생성된 전자 중 일부는 환원 가스 분자와 충돌하여, 가스 분자를 해리시키고, 전자 부착에 의해 환원 가스의 음 하전된 원자 이온을 형성할 수 있다. 환원 가스의 음 하전된 원자 이온은 전기장을 따라 솔더링하고자 하는 컴포넌트를 갖는 기판으로 드리프트할 수 있으며, 이로써 종래의 플럭스에 대한 필요성 없이 베이스 금속 및/또는 솔더 상의 존재하는 금속 산화물을 환원시킨다.
본원에 기재된 장치의 일 실시양태에서, 이 장치는 한쌍의 전극, 즉 캐소드와 애노드를 포함하는 장치 또는 구조를 포함한다. 상기 장치는 상압에서 장치로부터 전자를 효율적으로 방출시킬 수 있다. 이 장치가 H2 및 N2를 포함하는 환원 가스 환경 내에 존재할 경우, 방출된 전자는 H2 가스 분자 상에 부착하여, 전자 부착에 의해 음 하전된 원자 수소 이온 또는 수소 음이온을 형성할 수 있다(하기 식 1 및 2 참조). 수소 음이온은 솔더링 표면에 부착하여, 비교적 저온에서 표면 산화물을 환원시킬 수 있다(하기 식 3 참조). 처리 표면 상에 주입되거나 산화물 환원의 부산물로서 생성된 자유 전자는 다양한 방식으로 방출될 수 있다.
전극 중 하나 이상, 예를 들어 캐소드, 애노드 또는 이들의 조합에, 캐소드로부터의 전자 발생을 유발하기에 충분한 에너지가 공급된다. 특정 실시양태에서, 에너지원은 직류(DC) 전압 공급원과 같은 전기 에너지원일 수 있다. 열 에너지원, 전자기 에너지원 또는 광 에너지원을 들 수 있으나 이들에 한정되지 않는 다른 에너지원도 단독으로 또는 조합으로 이용될 수 있다. DC 전압 공급원은 일정할 수도 있고, 또는 펄스형일 수도 있다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 캐소드는 제1 전압 레벨에서 전압 공급원에 접속되고, 애노드는 제2 레벨에서 전압 공급원에 접속된다. 전압 레벨의 차이는 전위에 바이어스를 생성한다. 제1 전압 레벨 또는 제2 전압 레벨 중 하나는 0일 수 있으며, 이는 캐소드 또는 애노드 중 하나가 접지되어 있음을 나타낸다.
이론에 의해 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 전자의 전계 방출에 대한 제안된 메커니즘은 다음과 같이 설명될 수 있다. 전계 방출 장치의 캐소드 및 애노드가 하나 이상의 전기 전압 공급원에 적절히 접속될 경우, 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질(예를 들어, 세라믹 관과 같은 절연 물질)가 편극화되고, 이것은 전기장 분포를 한정함으로써, 예리한 니들 팁, 핑거 등과 같은 하나 이상의 돌출부의 고 곡률 표면의 정점 가까이의 전기장 강도를 강화시킬 수 있다. 편극화는 유전체 물질의 유전 상수에 비례하기 때문에, 예를 들어 1000 이상과 같이 비교적 높은 유전 상수를 갖는 유전체 물질, 예컨대 티탄산바륨 및 다른 압전 세라믹, 예컨대 PZT(Lead Zirconate Titanate: 티탄산지르콘산납)가 특히 바람직하다. 전자 방출을 개시하기 위해 2개의 전극에 인가되는 전압 포텐셜은 전계 에미터 구조의 기하학적 구조, 재료 및 배열에 따라 달라진다. 본원에 기재된 전계 에미터는 H2 가스를 활성화하는 것과 금속 트레이스를 갖는 비노출, 또는 비평판, 또는 절연 기판 상의 금속 산화물을 환원시키는 것을 포함하는 실시양태, 예컨대 플립 칩, 다이 부착 장치, 3D 적층 칩, 표면 실장 컴포넌트 및 관통 홀 컴포넌트의 전자적 조립에 특히 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 처리 표면은 더 이상 애노드로서 작용하기에 적합하지 않다.
전계 방출 장치가 전기 절연 기판의 금속 트레이스 상의 금속 산화물을 제거하는 데 사용될 경우, 기판 위에 축적된 전하를 제거하기 위해 다양한 방전 장치가 이용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 장치 및 방법과 함께, 상업적으로 이용 가능한 다양한 전하 중화기가 사용될 수 있다. 대안적인 예로서, 높은 양의 값의 전압 포텐셜로 전력이 부여된 예리한 팁, 니들 또는 핑거를 포함하는 전하 리시버 장치가 또한 축적된 전하를 제거하기 위해 본 발명의 설계와 함께 이용될 수 있다.
특정 실시양태에서, 본원에 기재된 장치는 캐소드 전자 에미터에 노출되지 않은 표면, 예를 들어 비노출 또는 내부 표면 상의 금속 산화물을 환원시키기 위해, 예컨대 플립 칩, 3D 적층 칩 및 다이 부착 장치의 리플로우 솔더링을 위해 사용된다. 이러한 실시양태에서, 환원 가스의 음전하를 띠는 원자 이온을 솔더링 표면으로 유도하기 위해 몇 가지 접근법이 이용될 수 있다. 일 실시양태에서, 예리한 팁, 니들, 핑거 등과 같은 전계 방출 장치에서의 캐소드를 컴포넌트의 2개의 솔더링 표면 사이의 갭을 바로 향하게 하고, 이 컴포넌트를 바로 접하되거나 전하 배출을 위한 접지 표면 상에 설치할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 전자 방출은 조립하고자 하는 컴포넌트 위로 적용될 수 있고, 이 컴포넌트는 천공 절연판 위에 설치될 수 있으며, 그 후 이것은 전도성 금속판 등의 전도성 판 상에 배치된다. 천공 절연판은 음전하를 띠는 원자 이온 또는 음이온이 절연 표면 위 전체에 확산되도록 함으로써, 음이온이 컴포넌트의 비노출 솔더링 표면에 도달하여 금속 산화물을 환원시킬 수 있게 한다. 천공 절연판은 또한 음전하를 띠는 원자 이온이 개구를 통과하여 그 아래에 설치된 전도성 판으로 방출될 수 있게 한다. 음전하를 띠는 원자 이온, 음이온 및/또는 전자의 적어도 일부의 컴포넌트의 솔더링 표면으로의 드리프트 또는 흡인을 보조할 수 있도록, 천공 절연판 아래에 배치된 전도성 판은 전계 방출 장치의 애노드보다 양의 값이 약간 더 큰 전위를 갖는 것(예를 들어, 전압이 10 V?1 KV 더 높음)이 바람직하다. 이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서의 일례로서, 천공 절연판은 직경 0.1?0.6 mm, 간격 1?5 mm의 구멍을 갖는 두께 0.5?2 밀리미터(mm)의 천공 세라믹 평판일 수 있다. 그러나, 솔더링하고자 하는 컴포넌트의 기하학적 구조에 따라 다른 기하학적 구조도 적합할 수 있을 것으로 예상된다. 다이 크기가 솔더링하고자 하는 기판의 크기보다 현저히 더 작은 다이 부착 장치를 솔더링함에 있어서의 대안적인 예로서, 천공 절연판은, 비노출 솔더링 표면에 대한 음전하 환원 가스의 확산에 있어서 균등한 결과를 얻을 수 있도록, 공극 크기가 10 나노미터(nm)?100 마이크로미터(㎛) 범위인 다공성 절연판일 수 있다.
상기 언급된 바대로, 천공 절연판 아래의 전도성 판이 전계 방출 장치의 애노드의 전기 전위보다 약간 더 양수인 전기 전위를 갖는 것이 바람직하다. 이를 얻기 위한 간단한 접근법은 전도성 판을 전기 접지하고 저항기 또는 배리스터(varistor)를 사용하여 전계 방출 장치의 애노드 및 접지 판을 접속시키는 것이다. 접지 판과 애노드 사이의 순 전위차를 둘 사이에 인가된 저항 값을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다. 그러나, 기판의 처리 표면으로 환원 가스 내에서 음 하전된 원자 이온, 음이온 및/또는 전자의 흐름을 지시하기 위해 전계 방출 장치의 애노드의 전기 전위보다 약간 더 양수인 전도성 판을 제조하기 위해 배리스터 이외에 다른 수단을 사용할 수 있는 것으로 기재된다.
전계 방출 장치를 사용하여 전자 부착에 의해 음 하전된 원자 이온을 생성하기 위해, 캐소드 표면으로부터 많은 분량의 전자를 생성시킬 필요가 있다. 이러한 접속에서, 전자가 순수한 전계 방출(field emission) 또는 열장 방출(thermal-filed emission)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 전자 생성 방법 중에서, 그 방법의 선택은 주로 생성된 전자의 에너지 준위 및 효율에 따라 달라진다. 환원 가스가 수소를 포함하는 실시양태의 경우, 에너지 준위가 4 eV에 가까운 전자가 바람직할 수 있다.
이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 전자의 적어도 일부가 하나 이상의 하기 공정에 의해 생성된다: 전계 방출, 열장 방출, 또는 이들의 조합. 이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 캐소드와 애노드 사이의 전기 전압 수준이 비교적 높을 때(예를 들면, 2개의 전극 사이의 1 ㎝ 거리에 대해 5 KV보다 큼), 전자의 일부가 캐소드의 적어도 하나의 돌출부의 높은 곡률 표면 근처의 코로나 방전을 통해 생성될 수 있다. 전계 방출은 강한 전기장을 인가함으로써 표면 전위 장벽을 통한 터널링을 통한 고체로부터의 전자의 추출이다. 통상적으로, 전자를 추출하기 위해 106 내지 107 V/cm 만큼의 높은 전기장이 필요하다. 이러한 높은 전기장은 보통 캐소드의 날카로운 팁의 끝에서 생성된다. 특정한 실시양태에서, 본원에 기재된 전계 에미터는 2개의 전극의 특정한 배치에 적용된다(예를 들면, 캐소드는 유전체 물질에 의해 둘러싸이고 유전체 물질은 애노드에 의해 둘러싸임). 유전체 물질의 편극 특성은 캐소드 돌출부의 끝(예를 들면, 날카로운 팁, 니들, 또는 핑거) 근처의 전기장을 강화시켜, 전자 방출을 위한 개시 전압을 감소시킨다. 본원에 기재된 특정한 바람직한 실시양태에서, 일정한 또는 펄스 DC 전압이 0.5 내지 5 KV 범위의 전압에서 높은 표면 곡률을 갖는 캐소드와 애노드 사이에 인가된다.
특정한 실시양태의 경우, 소위 열장 방출인 전계 방출을 보조하기 위해 열 에너지가 이용된다. 열장 방출에서, 전기장 및 고온 둘 다가 적용된다. 따라서, 열장 방출은 순수한 전계 방출과 비교하여 동일한 분량의 전자를 생성하기 위해 더 적은 전기장을 요한다. 특정한 바람직한 실시양태에서, 캐소드의 온도는 150℃ 내지 1000℃ 범위일 수 있다. 이 실시양태에서, 전기장은 0.1 내지 3 KV 범위일 수 있다. 캐소드는 캐소드를 통한 AC 또는 DC 전류와 같은 에너지원을 통과시킴에 의한 직접 가열, 가열 부재, IR 방사선, 유도 가열, 고압 가스 환경, 또는 이들의 조합에 의해 가열된 전기 절연 고온 표면과 캐소드 표면과의 접촉과 같은 간접 가열(이들로 제한되지는 않음)과 같은 다양한 방법에 의해 고온에 있고/있거나 고온에서 유지될 수 있다.
본원에 기재된 장치의 특정한 실시양태에서, 전계 에미터의 캐소드로부터 전계 방출에 의해 생성된 대부분의 전자 이외에, 전자의 일부가 캐소드의 적어도 하나의 돌출부의 높은 곡률 표면 근처의 코로나 방전을 통해 생성되다. 전자 부착에 의한 음으로 하전된 수소 이온을 형성하는 효율을 증가시키고 캐소드 팁의 수명을 증가시키기 위해 코로나 방전이 최소화되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 2개의 전극 사이에 인가된 전압이 상기 코로나 방전이 형성되는 특정 수준을 초과하는 경우, 가스 분자가 양으로 하전된 이온 및 음으로 하전된 전자로 이온화되어, 서로 끌어당기고 특히 가스 분자의 밀도가 진공에서보다 훨씬 높은 주변 압력에서 원래 원자 및 분자로 신속히 회복된다. 또한, 코로나에서의 양 하전된 이온은 캐소드 팁에 전기장을 따라 이동하여, 처리 표면 상의 산화물 환원에 긍정적인 영향을 갖지 않을뿐더러 이온 충격에 의해 캐소드 팁의 수명을 감소시킬 수 있다. 반대로, 전자 부착 공정에서의 기상은 단일 하전되고, 음으로 하전된 이온은 서로 반발하여 주변 압력에서도 비교적 긴 수명을 가질 수 있다. 전자 부착 공정에서 형성된 음으로 하전된 이온은 캐소드로부터 처리 표면을 향해 지시되어, 팁의 손상을 최소화하고 처리 표면에서의 산화물 환원을 촉진할 수 있다. 상기 기재된 캐소드 방출 메커니즘의 특정한 바람직한 실시양태에서, 2개의 전극에 걸쳐 인가된 전압은 일정 또는 펄스일 수 있다. 전압 펄스의 주파수는 0 내지 100 kHz, 바람직하게는 0 내지 20 KHz 범위이다. 이 실시양태에서, 특히 인가된 전압이 비교적 높을 때 기상 파괴 또는 아킹(arcing)의 경향을 줄이기 위해 펄스 전압이 일정한 전압에 바람직할 수 있는 것으로 생각된다.
더 구체적으로, 본원에 기재된 전계 방출 장치(10)의 실시양태를 도 1에 도시하였다. 날카로운 팁을 갖는 니들이 캐소드(20)로서 기능하고, 이것은 유전체 물질로서 기능하는 알루미나 관과 같은 전기 절연 관(30) 내에 삽입된다. 금속 와이어(40)는 애노드로서 기능하는 관 주위에 권취된다. 캐소드 니들(20) 및 애노드 와이어(40)는 전기 전압 공급원(60) 및 접지 공급원(50)과 전기 소통한다. 캐소드 니들 및 애노드 금속 와이어가 펄스 또는 일정한 DC 전압 공급원(60) 및 접지 공급원(50)에 적절히 접속될 때, 전자가 팁(20)의 팁으로부터 방출될 수 있다. 전기 접지 금속편(80)이 전계 방출 장치(10)의 앞에 위치하고 병렬의 유속계(70)와 접속될 때, 유속계는 금속편(80)이 음전하를 수용한다는 것을 나타낸다. 그러나, 애노드 와이어(40)가 전기 부유하거나 상응하는 전압 공급원(60)과 접속되지 않을 때, 캐소드에 인가된 음의 전압 전위가 상당히 증가할 때에도 니들(20)의 팁으로부터의 전자 방출이 사라진다.
도 2는 캐소드 니들(120)의 어레이를 갖는 전계 방출 장치(100)의 추가의 예를 제공한다. 이러한 캐소드 니들(120)은 각각 애노드 와이어(140)에 의해 추가로 둘러싸이는 알루미나 관(130)에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(120) 및 애노드 와이어(140)는 전기 전압 공급원(160) 및 접지 공급원(150)과 전기 소통한다. 도 2에서의 실시양태는 추가로 캐소드 니들(120), 알루미나 관(130), 및 애노드 와이어(140) 어셈블리를 지지하는 세라믹 판(170)과 같은 절연판을 포함한다.
도 3은 본원에 기재된 2개의 전계 방출 장치(200)가 사용되는 배치의 예를 제공한다. 각각의 전계 방출 장치(200)는 니들(220)의 적어도 일부가 알루미나 관(230)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 캐소드 니들(220)을 갖는다. 유전체 물질(230)은 추가로 도시된 애노드 와이어(240)와 같은 애노드에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(220) 및 애노드 와이어(240) 둘 다 전기 전압 공급원(260) 및 접지 공급원(250)과 전기 소통한다. 도 3은 추가로 금/니켈 코팅 세라믹(281) 및 금/니켈 코팅 구리 층(282)에 의해 샌드위칭된 무플럭스 금/주석 솔더 프리폼(융점 280℃)(283)을 포함하는 다이 부착 샘플(280)을 포함한다. 유속계(270)는 전계 방출 장치(200) 둘 다 사이에 위치하고 추가로 본원의 실시예 2, 3, 및 4에 기재되어 있다.
도 4는 본원에 기재된 2개의 전계 방출 장치(300)가 사용되는 배치의 다른 예를 제공한다. 각각의 전계 방출 장치(300)는 니들(320)의 적어도 일부가 알루미나 관(330)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 복수의 캐소드 니들(320)을 갖는다. 캐소드 니들(320) 및 알루미나 관(330)은 세라믹 블록(390) 내에 케이싱된다. 유전체 물질(330)은 추가로 도시된 은 애노드(340)(세라믹 블록(390) 위에 위치한 은 호일 표면)와 같은 애노드에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(320) 및 은 애노드(340) 둘 다 전기 전압 공급원(360), 배리스터(395), 및 접지 공급원(350)과 전기 소통한다. 도 4는 추가로 구리 기부(383) 위에 지지된 다이 부착 샘플(380) 및 전계 방출 장치(300) 둘 다 사이에 위치하고 본원에 기재된 실시예 5에서 사용되는 유속계(370)를 도시한다.
도 5는 본원에 기재된 전계 방출 장치(400)가 다이 부착 컴포넌트(480)의 비노출, 비편평, 또는 전기 비전도성 표면(483)을 처리하는 데 사용되는 배치의 추가의 예를 제공한다. 전계 방출 장치(400)는 니들(420)의 적어도 일부가 알루미나 관(430)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 복수의 캐소드 니들(420)을 갖는다. 캐소드 니들(420) 및 알루미나 관(430)은 도시된 바와 같은 유전체 물질(430)의 적어도 일부를 둘러싸는 은 애노드(440)(은 판)와 같은 애노드를 통해 삽입된다. 애노드(440)의 적어도 일부가 도시된 세라믹 쉴드(470)와 같은 절연 쉴드에 의해 커버된다. 캐소드 니들(420) 및 은 애노드(440) 둘 다 전기 전압 공급원(460), 배리스터(495), 및 접지 공급원(450)과 전기 소통한다. 도시된 천공 세라믹 판(490)과 같은 복수의 개구를 갖는 절연판 위에 지지된 내부 또는 비노출 표면(483)을 갖는 다이 부착 샘플은 추가로 도시된 금속 판(485)과 같은 전도성 표면 위에 지지된다.
상기 언급된 바대로, 캐소드 방출의 경우, 전자는 캐소드로서 기능할 수 있는 전극으로부터 방출된다. 특정한 실시양태에서, 캐소드로서 기능하는 전극 물질은 비교적 낮은 전자-방출 에너지 또는 일 함수를 갖는 전도성 물질로 이루어진다. 본원에서 사용되는 "열 함수"란 용어는 캐소드의 전기 전도성 물질과 같은 고체로부터 고체 표면 바로 밖의 지점으로 전자를 제거하는 데 필요한 전자 볼트(eV) 단위로 측정된 최소 에너지이다. 이 실시양태에서, 캐소드는 2 내지 5 eV 범위의 일 함수를 갖는다. 물질은 바람직하게는 또한 가공 조건 하에 높은 융점 및 비교적 높은 화학 안정성을 갖는다. 적합한 물질의 예로는 전도성 기판 위에 코팅 또는 침착된 금속, 합금, 반도체, 및 산화물을 들 수 있다. 추가의 예로는 텅스텐, 흑연, 및 니켈 크롬 합금과 같은 고온 합금을 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 비금속 상의 캐소드 물질 또는 코팅의 추가의 예로는 내화성 세라믹 물질, 예컨대 란타늄 헥사보라이드(LaB6) 및 세륨헥사보라이드(CeB6), 및 내화성 금속 탄화물 및 질화물, 예컨대 ZrC, HfC, 및 TaN을 들 수 있다.
상기 언급된 바대로, 전계 에미터의 캐소드의 적어도 일부가 전기 절연 물질 또는 유전체 물질에 의해 둘러싸이거나 직접 접촉하고, 절연 또는 유전체 물질의 적어도 일부가 전기 전도성 애노드에 둘러싸이고/싸이거나 직접 접촉한다. 일 실시양태에서, 유전체 물질은 절연 세라믹 물질을 포함하고, 이것은 고온을 지속시킬 수 있고 보통 공정 조건에서 화학적으로 안정하다. 다른 실시양태에서, 바륨 티타네이트와 같은 유전체 물질이 높은 유전 상수(예를 들면, 1000 내지 10,000)를 갖는 것이 바람직하다. 높은 유전체 물질의 추가의 예는 다양한 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 세라믹과 같은 압전기 세라믹이다.
앞서 언급한 바와 같이, 유전체 물질의 적어도 일부분은 전기 전도성 애노드에 의해 둘러싸이고/둘러싸이거나 이와 직접적으로 접촉한다. 전기 전도성 애노드는 바람직하게는 금속 또는 본래 전기 전도성인 임의의 다른 물질이다. 애노드는 유전체 물질에 대한 편극 효과를 증대시키고 캐소드의 높은 곡률 표면 가까이에서 전기장 세기를 극대화시키기 위해 적용에 따라 광범위한 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 애노드는 접지되거나 캐소드에 비해 양(+)의 바이어스를 가진 전압 수준에 연결될 수 있다. 일 특정 실시양태에서, 애노드는 캐소드를 포접하는 유전체 물질 주위에 감겨진 도전성 금속 와이어이다. 다른 실시양태에서, 애노드는 캐소드와 유전체 물질이 관통하여 돌출되는 플레이트 또는 보호물(shield)이다.
앞서 언급한 바와 같이, 환원 가스를 포함하는 가스 혼합물은 본원에 기재된 전계 방출 장치가 존재하는 대기 중으로 도입된다. 상기 가스 혼합물 내에 포함된 환원 가스는 하기의 카테고리 중 하나 이상에 속할 수 있다: 1) 고유의 환원제 가스, 2) 활성 종과 금속 산화물의 반응시 가스성 산화물을 형성하는 활성 분획(fragments)을 생성할 수 있는 가스, 또는 3) 활성 종과 금속 산화물의 반응시 액체 또는 수성 산화물을 형성하는 활성 분획을 생성할 수 있는 가스.
제1 카테고리의 가스, 즉 고유의 환원제 가스는 제거될 산화물에 대해 열역학적으로 환원제로서 작용하는 임의의 가스를 포함한다. 고유의 환원제 가스의 예는 H2, CO, SiH4, Si2H6, 포름산, 알콜(예: 메탄올, 에탄올 등) 및 하기 화학식(III)을 가진 일부 산성 증기를 포함한다:
화학식(III)에서, 치환체 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기일 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "알킬"은 바람직하게는 1-20개의 탄소 원자, 좀더 바람직하게는 1-10개의 탄소 원자를 포함하는, 선형, 분지형 또는 환형 알킬기를 포함한다. 이는 할로알킬, 알카릴 또는 아랄킬과 같은 기타 작용기에 포함된 알킬 부분(moiety)에도 적용된다. 용어 "치환된 알킬"은 O, N, S, 또는 할로겐 원자와 같은 헤테로원자; OCH3; OR (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10; NO2; SO3R (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 또는 NR2 (R=H, 알킬 C1 -10 또는 아릴C6-10)를 포함하는 치환체를 가진 알킬 부분에 적용된다. 본원에서 사용된 용어 "할로겐"은 불소, 염소, 브롬 및 요오드를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "아릴"은 방향족 특성을 가진 6원 내지 12원 탄소 고리를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "비치환된 아릴"은 O, N, S, 또는 할로겐 원자와 같은 헤테로원자; OCH3; OR (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10; NO2; SO3R (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 또는 NR2 (R=H, 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10)를 포함하는 치환체를 가진 아릴 고리를 포함한다. 특정 바람직한 실시양태에서, 가스 혼합물은 수소를 포함한다.
제2 카테고리의 환원 가스는 본래 환원성이지 않지만 가스 분자상에 전자의 해리적인 부착에 의해 활성 종, 예를 들어 H, C, S, H', C' 및 S'를 생성할 수 있고 상기 활성 종과 제거될 금속 산화물간의 반응에 의해 가스성 산화물을 형성할 수 있는 임의의 가스를 포함한다. 이러한 종류의 가스의 예는 NH3, H2S, C1-C10 탄화수소 (예: CH4, C2H4), 화학식(III)을 가진 산성 증기 및 화학식(IV)를 가진 유기 증기를 포함한다:
화학식(III) 및 화학식(IV)에서, 치환체 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기일 수 있다.
제3 카테고리의 가스는 본래 환원성이지 않지만 가스 분자상에 전자의 해리적인 부착에 의해 활성 종, 예를 들어 F, Cl, F' 및 Cl'를 형성할 수 있고 상기 활성 종과 금속 산화물간의 반응에 의해 액체 또는 수성 산화물을 형성할 수 있는 임의의 가스를 포함한다. 이러한 종류의 가스의 예는 불소 및 염소 함유 가스, 예를 들면 CF4, SF6, CF2Cl2, HCl, BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, 및 HF를 포함한다.
상기 카테고리의 환원 가스를 하나 이상 포함하는 것 이외에, 가스 혼합물은 하나 이상의 담체 가스를 추가로 포함할 수 있다. 담체 가스는 예를 들어 환원 가스를 희석하거나 반응성 가스를 희석하거나 충돌 안정화를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 가스 혼합물에 사용된 담체 가스는 가스 혼합물 내의 환원 가스보다 낮은 전자 친화도를 가진 임의의 가스일 수 있다. 특정 바람직한 실시양태에서, 담체 가스는 불활성 가스이다. 적합한 불활성 가스의 예는 N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, 및 Rn를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
특정 바람직한 실시양태에서, 가스 혼합물은 상대적으로 낮은 비용과 배기 가스 방출의 환경 친화성으로 인해 환원 가스로서 수소를 포함하고 담체 가스로서 질소를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 가스 혼합물은 0.1 내지 100 부피%, 바람직하게는 1 내지 50 부피%, 좀더 바람직하게는 0.1 내지 4 부피%의 수소를 포함한다. 4 부피% 미만의 수소가 바람직한데, 이는 가스 혼합물을 비가연성으로 만든다.
앞서 언급한 바와 같이, 산화물이 제거되고/제거되거나 솔더링되는 컴포넌트 또는 가공품(work piece)은 바람직하게는 전계 에미터에 인접한 영역에 배치된다. 캐소드 에미터 팁(tip)과 컴포넌트의 상부 표면간의 거리는 0.1 내지 5 cm 또는 0.5 내지 1 cm 범위일 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 전계 에미터 및/또는 컴포넌트 (또는 타겟 어셈블리)는 위치이동될 수 있다. 이러한 측면에서, 전계 에미터가 고정된 위치에 존재하고 컴포넌트가 이동되거나, 전계 에미터가 이동하고 컴포넌트가 고정된 위치에 존재하거나, 전계 에미터와 컴포넌트 모두 이동될 수 있다. 상기 위치이동은 수직, 수평, 회전 또는 아크(arc)를 따라 수행될 수 있다.
본원에 기재된 방법은 전자 어셈블리에서의 솔더링 이외의 다수 분야에서, 예를 들어 솔더 범핑된 웨이퍼의 표면 세정, 금속 도금, 브레이징(brazing), 용접 및 리플로우(reflow)에 사용될 수 있다. 일 특정 실시양태에서, 상기 방법은 실리콘 웨이퍼 가공 도중에 형성된 금속의 표면 산화물, 예를 들어 산화구리를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 산화물은 다양한 습윤 공정 단계, 예를 들어 화학적 기계적 평탄화 공정에 의해 형성될 수 있으며, 웨이퍼상에 마이크로전자 소자를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 표면 산화물은 소자 수율 및 소자 신뢰성을 감소시킨다. 상기 방법은 수성 환원제의 사용을 요구하지 않는 충분한 건조, 환경친화적인 방식으로 표면 산화물을 제거할 수 있다. 추가로, 상기 방법은 상대적으로 저온에서 수행될 수 있기 때문에, 가공도중 소자의 열예산(thermal budget)에 크게 영향을 미치지 않는다. 반면에, 보다 높은 온도는 도판트와 산화물의 확산을 야기함으로써 소자 수율 및 신뢰성을 감소시키는 경향이 있고 이에 따라 소자 성능을 저하시킨다. 상기 방법은 단일 웨이퍼상에서 수행될 수도 있기 때문에, 다른 단일 웨이퍼 공정과 통합될 수 있으며, 이에 따라 다른 제작 단계와 보다 우수한 호환성을 제공한다.
본원에 기재된 전계 방출 장치는 또한 가스 정제 및 정전기 페인팅을 위해 주위 또는 비-진공 조건에서 전자 부착을 위한 유리 전자를 생성하는 데 사용될 수 있다. 가스 정제를 위해, 캐소드에서 생성된 전자는 정제될 가스 입자의 적어도 일부분에 부착될 수 있는데 그 이유는 대부분의 입자가 양의 전자 친화도를 가지기 때문이다. 전자 부착에 의해 음으로 하전된 입자는 전기장을 따라 애노드로 표류할 수 있으며, 이에 따라 가스상이 정제될 수 있다. 정전기 페인팅을 수반하는 실시양태의 경우, 캐소드에서 나온 유리 전자가 페인팅 물질의 적어도 일부분에 부착될 수 있고 음으로 하전된 페인팅 물질은 직접적으로 접지되거나 접지된 금속 표면에 부착된 페인팅될 표면으로 향할 수 있다.
도 2는 전기장 에미터가 복수개의 니들을 포함한 캐소드를 포함하는 것인 본원에 설명된 전계 방출 장치의 실시양태의 예를 제공한다.
도 3은 샘플 상에 있는 금속 산화물의 환원을 관찰하기 위해서 본원에 설명된 전계 방출 장치 및 시험 배열의 실시양태의 추가 예를 제공한다.
도 4는 본원에 설명된 전계 방출 장치의 실시양태의 추가 예를 제공한다.
도 5는 비노출 및 비접지된 솔더링 표면을 처리하기 위한 본원에 설명된 장치의 실시양태의 예를 제공한다.
발명의 상세한 설명
본원에는 전자 부착 공정에 의해 형성되는 환원 가스의 음 하전된 원자 이온에 대한 노출에 의해, 솔더, 금속 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 컴포넌트의 하나 이상 표면으로부터 금속 산화물을 제거하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 특정 실시양태에서, 그 노출은 리플로우 및 솔더링 공정 전에 및/또는 중에 발생할 수 있다. 그 환원 가스의 음 하전된 원자 이온은 컴포넌트의 하나 이상의 표면 상에 있는 금속 산화물과 반응하여 그 금속 산화물을 환원시키게 된다. 본원에 설명된 그 방법 및 장치는 전형적인 리플로우 및 솔더링 장비, 예컨대 내부 리드 본딩에 사용된 리플로우 기기 및 외부 리드 본딩에 사용된 리플로우 솔더링 또는 웨이브 솔더링 기기 등을 변형함으로써 이용될 수 있다. 본원에 설명된 그 방법 및 장치는 또한 표면 금속 산화물의 제거가 필요한 다른 공정, 예컨대 금속 도금(metal plating) 공정(즉, 인쇄 회로판 또는 금속 표면의 일부를 솔더 도금(solder plating)하여 그것을 후속 솔더링에 대하여 보다 개량가능하도록 하는 것), 표면 세정(surface cleaning) 공정, 브레이징(brazing) 공정, 용접(welding), 및 규소 웨이퍼 프로세싱 중에 형성된 구리 산화물과 같은 표면 금속 산화물을 제거하는 공정(이들에 국한되는 것은 아님) 등에 적용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치를 이용하는 금속 산화물의 제거는 유기 플럭스, 플라즈마계 공정에서와 같은 고가 진공 장비 및/또는 가연성 가스 환경에 대한 필요성 없이도 산화물을 제거하고자 하는 상기 언급된 공정 또는 임의 다른 공정에 동일하게 적용가능하다.
하나의 실시양태에서, 본원에 설명된 전계 방출 장치는 낮은 일 함수를 지닌 전기 전도성 물질로 제조되며, 그리고 고 표면 곡률을 갖는 하나 이상의 돌출부, 예컨대 예리한 팁, 니들, 핑거 등을 포함하는, 유전체 물질에 의해 둘러싸여 있는 캐소드; 이 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질; 및 이 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 애노드를 포함하고, 여기서 상기 캐소드 및 애노드는 전기 전압 공급원에 각각 접속되며, 그리고 상기 캐소드와 애노드 사이의 유전체 물질은 편극화되어 캐소드로부터 전자의 방출을 촉진하게 된다. 그 개시된 전계 방출 장치는 또한 주위 또는 비진공 대기 조건에서 자유 전자를 형성할 필요성을 수반하는 다른 용도, 예컨대 분진 또는 불순물 입자를 제거하는 전자 부착에 의한 가스 정제, 정전기 도장, 또는 코팅(이들에 국한되는 것은 아님) 등에 이용될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "주위 대기 조건(ambient atmospheric condition)"은 하나 이상의 다음 종점: 14.0, 14.5, 14.7, 15.0, 15.5, 16.0, 16.5, 17.0, 17.5, 18.0, 18.5, 19.0, 19.5, 또는 20.0 psig을 갖는 압력 범위를 갖는 대기를 의미한다. 하나의 특정 실시양태에서, 주위 대기 조건은 14 psig 내지 20 psig 범위이다. 대안적인 실시양태에서, 퍼니스의 대기는 가압되어 있다.
본원에 개시된 전계 방출 장치는 특정 실시양태, 예를 들면 BGA, 플립 칩, 및 다이 부착 어셈블리를 비롯한 표면 실장 컴포넌트(surface mount component)의 무플렉스 솔더링 등에 매우 적합할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 그 솔더링 표면은 캐소드 에미터에 충분하게 또는 균일하게 노출되지 않고 또한 애노드로서 작용할 수 없다. 본원에 개시된 전계 방출 장치는 전자 부착 공정을 통해 전자를 전달하고 음 하전된 원자 이온, 예컨대 수소 이온을 생성할 수 있는 캐소드 및 애노드를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "컴포넌트"는 일반적으로 규소, 이산화규소로 코팅된 규소, 알루미늄-알루미늄 산화물, 비소화갈륨, 세라믹, 석영, 구리, 유리, 에폭시 또는 전자 장치 내에 사용하기에 적합한 임의의 물질과 같은 물질을 포함하는 컴포넌트에 관한 것이다. 특정 실시양태에서, 그 컴포넌트는 그 표면 중 하나 이상 위에 배치된 솔더를 갖는다. 예시적인 솔더 조성물은 무플럭스 주석-은, 무플럭스 주석-은-구리, 무플렉스 주석-납, 또는 무플렉스 주석-구리(이들에 국한되는 것은 아님)를 포함한다, 그러나, 본 발명의 방법은 다양한 다른 컴포넌트 및/또는 솔더 조성물에 적합하다.
바람직한 특정 실시양태에서, 제거 및/또는 솔더링하고자 하는 산화물이 포함된 컴포넌트를 접지되거나 양으로 바이어스된 기판 위에 위치시켜, 전계 방출 장치 아주 가까이에 배치한다. 컴포넌트, 기판 및 전계 방출 장치 모두, 환원 가스 및 경우에 따라 담체 가스를 포함하는 가스 혼합물로 퍼징된 동일한 가열 챔버 내에 위치한다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 직류(DC) 전압 등의 에너지원이 전계 방출 장치 내에 포함된 2개의 전극(예를 들어, 캐소드, 애노드 또는 이들의 조합) 중 하나 이상에 인가됨으로써 전위가 생성될 경우, 음으로 바이어스된 전극으로부터 전자가 생성되어, 솔더링하고자 하는 컴포넌트를 갖는 접지되거나 양으로 바이어스된 기판을 향해 드리프트한다. 전자는 주로 캐소드 물질의 고체상으로부터 생성된다. 그러나, 특정 실시양태에서, 인가된 전압 레벨이 비교적 높을 경우(예를 들어, 5 eV 초과), 가스상으로부터 추가분의 전자가 생성될 수 있다. 전계 방출 장치로부터 생성된 전자 중 일부는 환원 가스 분자와 충돌하여, 가스 분자를 해리시키고, 전자 부착에 의해 환원 가스의 음 하전된 원자 이온을 형성할 수 있다. 환원 가스의 음 하전된 원자 이온은 전기장을 따라 솔더링하고자 하는 컴포넌트를 갖는 기판으로 드리프트할 수 있으며, 이로써 종래의 플럭스에 대한 필요성 없이 베이스 금속 및/또는 솔더 상의 존재하는 금속 산화물을 환원시킨다.
본원에 기재된 장치의 일 실시양태에서, 이 장치는 한쌍의 전극, 즉 캐소드와 애노드를 포함하는 장치 또는 구조를 포함한다. 상기 장치는 상압에서 장치로부터 전자를 효율적으로 방출시킬 수 있다. 이 장치가 H2 및 N2를 포함하는 환원 가스 환경 내에 존재할 경우, 방출된 전자는 H2 가스 분자 상에 부착하여, 전자 부착에 의해 음 하전된 원자 수소 이온 또는 수소 음이온을 형성할 수 있다(하기 식 1 및 2 참조). 수소 음이온은 솔더링 표면에 부착하여, 비교적 저온에서 표면 산화물을 환원시킬 수 있다(하기 식 3 참조). 처리 표면 상에 주입되거나 산화물 환원의 부산물로서 생성된 자유 전자는 다양한 방식으로 방출될 수 있다.
전극 중 하나 이상, 예를 들어 캐소드, 애노드 또는 이들의 조합에, 캐소드로부터의 전자 발생을 유발하기에 충분한 에너지가 공급된다. 특정 실시양태에서, 에너지원은 직류(DC) 전압 공급원과 같은 전기 에너지원일 수 있다. 열 에너지원, 전자기 에너지원 또는 광 에너지원을 들 수 있으나 이들에 한정되지 않는 다른 에너지원도 단독으로 또는 조합으로 이용될 수 있다. DC 전압 공급원은 일정할 수도 있고, 또는 펄스형일 수도 있다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 캐소드는 제1 전압 레벨에서 전압 공급원에 접속되고, 애노드는 제2 레벨에서 전압 공급원에 접속된다. 전압 레벨의 차이는 전위에 바이어스를 생성한다. 제1 전압 레벨 또는 제2 전압 레벨 중 하나는 0일 수 있으며, 이는 캐소드 또는 애노드 중 하나가 접지되어 있음을 나타낸다.
이론에 의해 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 전자의 전계 방출에 대한 제안된 메커니즘은 다음과 같이 설명될 수 있다. 전계 방출 장치의 캐소드 및 애노드가 하나 이상의 전기 전압 공급원에 적절히 접속될 경우, 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질(예를 들어, 세라믹 관과 같은 절연 물질)가 편극화되고, 이것은 전기장 분포를 한정함으로써, 예리한 니들 팁, 핑거 등과 같은 하나 이상의 돌출부의 고 곡률 표면의 정점 가까이의 전기장 강도를 강화시킬 수 있다. 편극화는 유전체 물질의 유전 상수에 비례하기 때문에, 예를 들어 1000 이상과 같이 비교적 높은 유전 상수를 갖는 유전체 물질, 예컨대 티탄산바륨 및 다른 압전 세라믹, 예컨대 PZT(Lead Zirconate Titanate: 티탄산지르콘산납)가 특히 바람직하다. 전자 방출을 개시하기 위해 2개의 전극에 인가되는 전압 포텐셜은 전계 에미터 구조의 기하학적 구조, 재료 및 배열에 따라 달라진다. 본원에 기재된 전계 에미터는 H2 가스를 활성화하는 것과 금속 트레이스를 갖는 비노출, 또는 비평판, 또는 절연 기판 상의 금속 산화물을 환원시키는 것을 포함하는 실시양태, 예컨대 플립 칩, 다이 부착 장치, 3D 적층 칩, 표면 실장 컴포넌트 및 관통 홀 컴포넌트의 전자적 조립에 특히 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 처리 표면은 더 이상 애노드로서 작용하기에 적합하지 않다.
전계 방출 장치가 전기 절연 기판의 금속 트레이스 상의 금속 산화물을 제거하는 데 사용될 경우, 기판 위에 축적된 전하를 제거하기 위해 다양한 방전 장치가 이용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 장치 및 방법과 함께, 상업적으로 이용 가능한 다양한 전하 중화기가 사용될 수 있다. 대안적인 예로서, 높은 양의 값의 전압 포텐셜로 전력이 부여된 예리한 팁, 니들 또는 핑거를 포함하는 전하 리시버 장치가 또한 축적된 전하를 제거하기 위해 본 발명의 설계와 함께 이용될 수 있다.
특정 실시양태에서, 본원에 기재된 장치는 캐소드 전자 에미터에 노출되지 않은 표면, 예를 들어 비노출 또는 내부 표면 상의 금속 산화물을 환원시키기 위해, 예컨대 플립 칩, 3D 적층 칩 및 다이 부착 장치의 리플로우 솔더링을 위해 사용된다. 이러한 실시양태에서, 환원 가스의 음전하를 띠는 원자 이온을 솔더링 표면으로 유도하기 위해 몇 가지 접근법이 이용될 수 있다. 일 실시양태에서, 예리한 팁, 니들, 핑거 등과 같은 전계 방출 장치에서의 캐소드를 컴포넌트의 2개의 솔더링 표면 사이의 갭을 바로 향하게 하고, 이 컴포넌트를 바로 접하되거나 전하 배출을 위한 접지 표면 상에 설치할 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 전자 방출은 조립하고자 하는 컴포넌트 위로 적용될 수 있고, 이 컴포넌트는 천공 절연판 위에 설치될 수 있으며, 그 후 이것은 전도성 금속판 등의 전도성 판 상에 배치된다. 천공 절연판은 음전하를 띠는 원자 이온 또는 음이온이 절연 표면 위 전체에 확산되도록 함으로써, 음이온이 컴포넌트의 비노출 솔더링 표면에 도달하여 금속 산화물을 환원시킬 수 있게 한다. 천공 절연판은 또한 음전하를 띠는 원자 이온이 개구를 통과하여 그 아래에 설치된 전도성 판으로 방출될 수 있게 한다. 음전하를 띠는 원자 이온, 음이온 및/또는 전자의 적어도 일부의 컴포넌트의 솔더링 표면으로의 드리프트 또는 흡인을 보조할 수 있도록, 천공 절연판 아래에 배치된 전도성 판은 전계 방출 장치의 애노드보다 양의 값이 약간 더 큰 전위를 갖는 것(예를 들어, 전압이 10 V?1 KV 더 높음)이 바람직하다. 이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서의 일례로서, 천공 절연판은 직경 0.1?0.6 mm, 간격 1?5 mm의 구멍을 갖는 두께 0.5?2 밀리미터(mm)의 천공 세라믹 평판일 수 있다. 그러나, 솔더링하고자 하는 컴포넌트의 기하학적 구조에 따라 다른 기하학적 구조도 적합할 수 있을 것으로 예상된다. 다이 크기가 솔더링하고자 하는 기판의 크기보다 현저히 더 작은 다이 부착 장치를 솔더링함에 있어서의 대안적인 예로서, 천공 절연판은, 비노출 솔더링 표면에 대한 음전하 환원 가스의 확산에 있어서 균등한 결과를 얻을 수 있도록, 공극 크기가 10 나노미터(nm)?100 마이크로미터(㎛) 범위인 다공성 절연판일 수 있다.
상기 언급된 바대로, 천공 절연판 아래의 전도성 판이 전계 방출 장치의 애노드의 전기 전위보다 약간 더 양수인 전기 전위를 갖는 것이 바람직하다. 이를 얻기 위한 간단한 접근법은 전도성 판을 전기 접지하고 저항기 또는 배리스터(varistor)를 사용하여 전계 방출 장치의 애노드 및 접지 판을 접속시키는 것이다. 접지 판과 애노드 사이의 순 전위차를 둘 사이에 인가된 저항 값을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다. 그러나, 기판의 처리 표면으로 환원 가스 내에서 음 하전된 원자 이온, 음이온 및/또는 전자의 흐름을 지시하기 위해 전계 방출 장치의 애노드의 전기 전위보다 약간 더 양수인 전도성 판을 제조하기 위해 배리스터 이외에 다른 수단을 사용할 수 있는 것으로 기재된다.
전계 방출 장치를 사용하여 전자 부착에 의해 음 하전된 원자 이온을 생성하기 위해, 캐소드 표면으로부터 많은 분량의 전자를 생성시킬 필요가 있다. 이러한 접속에서, 전자가 순수한 전계 방출(field emission) 또는 열장 방출(thermal-filed emission)에 의해 생성될 수 있다. 이러한 전자 생성 방법 중에서, 그 방법의 선택은 주로 생성된 전자의 에너지 준위 및 효율에 따라 달라진다. 환원 가스가 수소를 포함하는 실시양태의 경우, 에너지 준위가 4 eV에 가까운 전자가 바람직할 수 있다.
이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 전자의 적어도 일부가 하나 이상의 하기 공정에 의해 생성된다: 전계 방출, 열장 방출, 또는 이들의 조합. 이러한 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 캐소드와 애노드 사이의 전기 전압 수준이 비교적 높을 때(예를 들면, 2개의 전극 사이의 1 ㎝ 거리에 대해 5 KV보다 큼), 전자의 일부가 캐소드의 적어도 하나의 돌출부의 높은 곡률 표면 근처의 코로나 방전을 통해 생성될 수 있다. 전계 방출은 강한 전기장을 인가함으로써 표면 전위 장벽을 통한 터널링을 통한 고체로부터의 전자의 추출이다. 통상적으로, 전자를 추출하기 위해 106 내지 107 V/cm 만큼의 높은 전기장이 필요하다. 이러한 높은 전기장은 보통 캐소드의 날카로운 팁의 끝에서 생성된다. 특정한 실시양태에서, 본원에 기재된 전계 에미터는 2개의 전극의 특정한 배치에 적용된다(예를 들면, 캐소드는 유전체 물질에 의해 둘러싸이고 유전체 물질은 애노드에 의해 둘러싸임). 유전체 물질의 편극 특성은 캐소드 돌출부의 끝(예를 들면, 날카로운 팁, 니들, 또는 핑거) 근처의 전기장을 강화시켜, 전자 방출을 위한 개시 전압을 감소시킨다. 본원에 기재된 특정한 바람직한 실시양태에서, 일정한 또는 펄스 DC 전압이 0.5 내지 5 KV 범위의 전압에서 높은 표면 곡률을 갖는 캐소드와 애노드 사이에 인가된다.
특정한 실시양태의 경우, 소위 열장 방출인 전계 방출을 보조하기 위해 열 에너지가 이용된다. 열장 방출에서, 전기장 및 고온 둘 다가 적용된다. 따라서, 열장 방출은 순수한 전계 방출과 비교하여 동일한 분량의 전자를 생성하기 위해 더 적은 전기장을 요한다. 특정한 바람직한 실시양태에서, 캐소드의 온도는 150℃ 내지 1000℃ 범위일 수 있다. 이 실시양태에서, 전기장은 0.1 내지 3 KV 범위일 수 있다. 캐소드는 캐소드를 통한 AC 또는 DC 전류와 같은 에너지원을 통과시킴에 의한 직접 가열, 가열 부재, IR 방사선, 유도 가열, 고압 가스 환경, 또는 이들의 조합에 의해 가열된 전기 절연 고온 표면과 캐소드 표면과의 접촉과 같은 간접 가열(이들로 제한되지는 않음)과 같은 다양한 방법에 의해 고온에 있고/있거나 고온에서 유지될 수 있다.
본원에 기재된 장치의 특정한 실시양태에서, 전계 에미터의 캐소드로부터 전계 방출에 의해 생성된 대부분의 전자 이외에, 전자의 일부가 캐소드의 적어도 하나의 돌출부의 높은 곡률 표면 근처의 코로나 방전을 통해 생성되다. 전자 부착에 의한 음으로 하전된 수소 이온을 형성하는 효율을 증가시키고 캐소드 팁의 수명을 증가시키기 위해 코로나 방전이 최소화되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로, 2개의 전극 사이에 인가된 전압이 상기 코로나 방전이 형성되는 특정 수준을 초과하는 경우, 가스 분자가 양으로 하전된 이온 및 음으로 하전된 전자로 이온화되어, 서로 끌어당기고 특히 가스 분자의 밀도가 진공에서보다 훨씬 높은 주변 압력에서 원래 원자 및 분자로 신속히 회복된다. 또한, 코로나에서의 양 하전된 이온은 캐소드 팁에 전기장을 따라 이동하여, 처리 표면 상의 산화물 환원에 긍정적인 영향을 갖지 않을뿐더러 이온 충격에 의해 캐소드 팁의 수명을 감소시킬 수 있다. 반대로, 전자 부착 공정에서의 기상은 단일 하전되고, 음으로 하전된 이온은 서로 반발하여 주변 압력에서도 비교적 긴 수명을 가질 수 있다. 전자 부착 공정에서 형성된 음으로 하전된 이온은 캐소드로부터 처리 표면을 향해 지시되어, 팁의 손상을 최소화하고 처리 표면에서의 산화물 환원을 촉진할 수 있다. 상기 기재된 캐소드 방출 메커니즘의 특정한 바람직한 실시양태에서, 2개의 전극에 걸쳐 인가된 전압은 일정 또는 펄스일 수 있다. 전압 펄스의 주파수는 0 내지 100 kHz, 바람직하게는 0 내지 20 KHz 범위이다. 이 실시양태에서, 특히 인가된 전압이 비교적 높을 때 기상 파괴 또는 아킹(arcing)의 경향을 줄이기 위해 펄스 전압이 일정한 전압에 바람직할 수 있는 것으로 생각된다.
더 구체적으로, 본원에 기재된 전계 방출 장치(10)의 실시양태를 도 1에 도시하였다. 날카로운 팁을 갖는 니들이 캐소드(20)로서 기능하고, 이것은 유전체 물질로서 기능하는 알루미나 관과 같은 전기 절연 관(30) 내에 삽입된다. 금속 와이어(40)는 애노드로서 기능하는 관 주위에 권취된다. 캐소드 니들(20) 및 애노드 와이어(40)는 전기 전압 공급원(60) 및 접지 공급원(50)과 전기 소통한다. 캐소드 니들 및 애노드 금속 와이어가 펄스 또는 일정한 DC 전압 공급원(60) 및 접지 공급원(50)에 적절히 접속될 때, 전자가 팁(20)의 팁으로부터 방출될 수 있다. 전기 접지 금속편(80)이 전계 방출 장치(10)의 앞에 위치하고 병렬의 유속계(70)와 접속될 때, 유속계는 금속편(80)이 음전하를 수용한다는 것을 나타낸다. 그러나, 애노드 와이어(40)가 전기 부유하거나 상응하는 전압 공급원(60)과 접속되지 않을 때, 캐소드에 인가된 음의 전압 전위가 상당히 증가할 때에도 니들(20)의 팁으로부터의 전자 방출이 사라진다.
도 2는 캐소드 니들(120)의 어레이를 갖는 전계 방출 장치(100)의 추가의 예를 제공한다. 이러한 캐소드 니들(120)은 각각 애노드 와이어(140)에 의해 추가로 둘러싸이는 알루미나 관(130)에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(120) 및 애노드 와이어(140)는 전기 전압 공급원(160) 및 접지 공급원(150)과 전기 소통한다. 도 2에서의 실시양태는 추가로 캐소드 니들(120), 알루미나 관(130), 및 애노드 와이어(140) 어셈블리를 지지하는 세라믹 판(170)과 같은 절연판을 포함한다.
도 3은 본원에 기재된 2개의 전계 방출 장치(200)가 사용되는 배치의 예를 제공한다. 각각의 전계 방출 장치(200)는 니들(220)의 적어도 일부가 알루미나 관(230)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 캐소드 니들(220)을 갖는다. 유전체 물질(230)은 추가로 도시된 애노드 와이어(240)와 같은 애노드에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(220) 및 애노드 와이어(240) 둘 다 전기 전압 공급원(260) 및 접지 공급원(250)과 전기 소통한다. 도 3은 추가로 금/니켈 코팅 세라믹(281) 및 금/니켈 코팅 구리 층(282)에 의해 샌드위칭된 무플럭스 금/주석 솔더 프리폼(융점 280℃)(283)을 포함하는 다이 부착 샘플(280)을 포함한다. 유속계(270)는 전계 방출 장치(200) 둘 다 사이에 위치하고 추가로 본원의 실시예 2, 3, 및 4에 기재되어 있다.
도 4는 본원에 기재된 2개의 전계 방출 장치(300)가 사용되는 배치의 다른 예를 제공한다. 각각의 전계 방출 장치(300)는 니들(320)의 적어도 일부가 알루미나 관(330)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 복수의 캐소드 니들(320)을 갖는다. 캐소드 니들(320) 및 알루미나 관(330)은 세라믹 블록(390) 내에 케이싱된다. 유전체 물질(330)은 추가로 도시된 은 애노드(340)(세라믹 블록(390) 위에 위치한 은 호일 표면)와 같은 애노드에 의해 둘러싸인다. 캐소드 니들(320) 및 은 애노드(340) 둘 다 전기 전압 공급원(360), 배리스터(395), 및 접지 공급원(350)과 전기 소통한다. 도 4는 추가로 구리 기부(383) 위에 지지된 다이 부착 샘플(380) 및 전계 방출 장치(300) 둘 다 사이에 위치하고 본원에 기재된 실시예 5에서 사용되는 유속계(370)를 도시한다.
도 5는 본원에 기재된 전계 방출 장치(400)가 다이 부착 컴포넌트(480)의 비노출, 비편평, 또는 전기 비전도성 표면(483)을 처리하는 데 사용되는 배치의 추가의 예를 제공한다. 전계 방출 장치(400)는 니들(420)의 적어도 일부가 알루미나 관(430)과 같은 유전체 물질에 의해 둘러싸인 복수의 캐소드 니들(420)을 갖는다. 캐소드 니들(420) 및 알루미나 관(430)은 도시된 바와 같은 유전체 물질(430)의 적어도 일부를 둘러싸는 은 애노드(440)(은 판)와 같은 애노드를 통해 삽입된다. 애노드(440)의 적어도 일부가 도시된 세라믹 쉴드(470)와 같은 절연 쉴드에 의해 커버된다. 캐소드 니들(420) 및 은 애노드(440) 둘 다 전기 전압 공급원(460), 배리스터(495), 및 접지 공급원(450)과 전기 소통한다. 도시된 천공 세라믹 판(490)과 같은 복수의 개구를 갖는 절연판 위에 지지된 내부 또는 비노출 표면(483)을 갖는 다이 부착 샘플은 추가로 도시된 금속 판(485)과 같은 전도성 표면 위에 지지된다.
상기 언급된 바대로, 캐소드 방출의 경우, 전자는 캐소드로서 기능할 수 있는 전극으로부터 방출된다. 특정한 실시양태에서, 캐소드로서 기능하는 전극 물질은 비교적 낮은 전자-방출 에너지 또는 일 함수를 갖는 전도성 물질로 이루어진다. 본원에서 사용되는 "열 함수"란 용어는 캐소드의 전기 전도성 물질과 같은 고체로부터 고체 표면 바로 밖의 지점으로 전자를 제거하는 데 필요한 전자 볼트(eV) 단위로 측정된 최소 에너지이다. 이 실시양태에서, 캐소드는 2 내지 5 eV 범위의 일 함수를 갖는다. 물질은 바람직하게는 또한 가공 조건 하에 높은 융점 및 비교적 높은 화학 안정성을 갖는다. 적합한 물질의 예로는 전도성 기판 위에 코팅 또는 침착된 금속, 합금, 반도체, 및 산화물을 들 수 있다. 추가의 예로는 텅스텐, 흑연, 및 니켈 크롬 합금과 같은 고온 합금을 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 비금속 상의 캐소드 물질 또는 코팅의 추가의 예로는 내화성 세라믹 물질, 예컨대 란타늄 헥사보라이드(LaB6) 및 세륨헥사보라이드(CeB6), 및 내화성 금속 탄화물 및 질화물, 예컨대 ZrC, HfC, 및 TaN을 들 수 있다.
상기 언급된 바대로, 전계 에미터의 캐소드의 적어도 일부가 전기 절연 물질 또는 유전체 물질에 의해 둘러싸이거나 직접 접촉하고, 절연 또는 유전체 물질의 적어도 일부가 전기 전도성 애노드에 둘러싸이고/싸이거나 직접 접촉한다. 일 실시양태에서, 유전체 물질은 절연 세라믹 물질을 포함하고, 이것은 고온을 지속시킬 수 있고 보통 공정 조건에서 화학적으로 안정하다. 다른 실시양태에서, 바륨 티타네이트와 같은 유전체 물질이 높은 유전 상수(예를 들면, 1000 내지 10,000)를 갖는 것이 바람직하다. 높은 유전체 물질의 추가의 예는 다양한 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 세라믹과 같은 압전기 세라믹이다.
앞서 언급한 바와 같이, 유전체 물질의 적어도 일부분은 전기 전도성 애노드에 의해 둘러싸이고/둘러싸이거나 이와 직접적으로 접촉한다. 전기 전도성 애노드는 바람직하게는 금속 또는 본래 전기 전도성인 임의의 다른 물질이다. 애노드는 유전체 물질에 대한 편극 효과를 증대시키고 캐소드의 높은 곡률 표면 가까이에서 전기장 세기를 극대화시키기 위해 적용에 따라 광범위한 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 애노드는 접지되거나 캐소드에 비해 양(+)의 바이어스를 가진 전압 수준에 연결될 수 있다. 일 특정 실시양태에서, 애노드는 캐소드를 포접하는 유전체 물질 주위에 감겨진 도전성 금속 와이어이다. 다른 실시양태에서, 애노드는 캐소드와 유전체 물질이 관통하여 돌출되는 플레이트 또는 보호물(shield)이다.
앞서 언급한 바와 같이, 환원 가스를 포함하는 가스 혼합물은 본원에 기재된 전계 방출 장치가 존재하는 대기 중으로 도입된다. 상기 가스 혼합물 내에 포함된 환원 가스는 하기의 카테고리 중 하나 이상에 속할 수 있다: 1) 고유의 환원제 가스, 2) 활성 종과 금속 산화물의 반응시 가스성 산화물을 형성하는 활성 분획(fragments)을 생성할 수 있는 가스, 또는 3) 활성 종과 금속 산화물의 반응시 액체 또는 수성 산화물을 형성하는 활성 분획을 생성할 수 있는 가스.
제1 카테고리의 가스, 즉 고유의 환원제 가스는 제거될 산화물에 대해 열역학적으로 환원제로서 작용하는 임의의 가스를 포함한다. 고유의 환원제 가스의 예는 H2, CO, SiH4, Si2H6, 포름산, 알콜(예: 메탄올, 에탄올 등) 및 하기 화학식(III)을 가진 일부 산성 증기를 포함한다:
화학식(III)에서, 치환체 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기일 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "알킬"은 바람직하게는 1-20개의 탄소 원자, 좀더 바람직하게는 1-10개의 탄소 원자를 포함하는, 선형, 분지형 또는 환형 알킬기를 포함한다. 이는 할로알킬, 알카릴 또는 아랄킬과 같은 기타 작용기에 포함된 알킬 부분(moiety)에도 적용된다. 용어 "치환된 알킬"은 O, N, S, 또는 할로겐 원자와 같은 헤테로원자; OCH3; OR (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10; NO2; SO3R (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 또는 NR2 (R=H, 알킬 C1 -10 또는 아릴C6-10)를 포함하는 치환체를 가진 알킬 부분에 적용된다. 본원에서 사용된 용어 "할로겐"은 불소, 염소, 브롬 및 요오드를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "아릴"은 방향족 특성을 가진 6원 내지 12원 탄소 고리를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "비치환된 아릴"은 O, N, S, 또는 할로겐 원자와 같은 헤테로원자; OCH3; OR (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10; NO2; SO3R (R=알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10); 또는 NR2 (R=H, 알킬 C1 -10 또는 아릴 C6 -10)를 포함하는 치환체를 가진 아릴 고리를 포함한다. 특정 바람직한 실시양태에서, 가스 혼합물은 수소를 포함한다.
제2 카테고리의 환원 가스는 본래 환원성이지 않지만 가스 분자상에 전자의 해리적인 부착에 의해 활성 종, 예를 들어 H, C, S, H', C' 및 S'를 생성할 수 있고 상기 활성 종과 제거될 금속 산화물간의 반응에 의해 가스성 산화물을 형성할 수 있는 임의의 가스를 포함한다. 이러한 종류의 가스의 예는 NH3, H2S, C1-C10 탄화수소 (예: CH4, C2H4), 화학식(III)을 가진 산성 증기 및 화학식(IV)를 가진 유기 증기를 포함한다:
화학식(III) 및 화학식(IV)에서, 치환체 R은 알킬기, 치환된 알킬기, 아릴기 또는 치환된 아릴기일 수 있다.
제3 카테고리의 가스는 본래 환원성이지 않지만 가스 분자상에 전자의 해리적인 부착에 의해 활성 종, 예를 들어 F, Cl, F' 및 Cl'를 형성할 수 있고 상기 활성 종과 금속 산화물간의 반응에 의해 액체 또는 수성 산화물을 형성할 수 있는 임의의 가스를 포함한다. 이러한 종류의 가스의 예는 불소 및 염소 함유 가스, 예를 들면 CF4, SF6, CF2Cl2, HCl, BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, 및 HF를 포함한다.
상기 카테고리의 환원 가스를 하나 이상 포함하는 것 이외에, 가스 혼합물은 하나 이상의 담체 가스를 추가로 포함할 수 있다. 담체 가스는 예를 들어 환원 가스를 희석하거나 반응성 가스를 희석하거나 충돌 안정화를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 가스 혼합물에 사용된 담체 가스는 가스 혼합물 내의 환원 가스보다 낮은 전자 친화도를 가진 임의의 가스일 수 있다. 특정 바람직한 실시양태에서, 담체 가스는 불활성 가스이다. 적합한 불활성 가스의 예는 N2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, 및 Rn를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
특정 바람직한 실시양태에서, 가스 혼합물은 상대적으로 낮은 비용과 배기 가스 방출의 환경 친화성으로 인해 환원 가스로서 수소를 포함하고 담체 가스로서 질소를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 가스 혼합물은 0.1 내지 100 부피%, 바람직하게는 1 내지 50 부피%, 좀더 바람직하게는 0.1 내지 4 부피%의 수소를 포함한다. 4 부피% 미만의 수소가 바람직한데, 이는 가스 혼합물을 비가연성으로 만든다.
앞서 언급한 바와 같이, 산화물이 제거되고/제거되거나 솔더링되는 컴포넌트 또는 가공품(work piece)은 바람직하게는 전계 에미터에 인접한 영역에 배치된다. 캐소드 에미터 팁(tip)과 컴포넌트의 상부 표면간의 거리는 0.1 내지 5 cm 또는 0.5 내지 1 cm 범위일 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 전계 에미터 및/또는 컴포넌트 (또는 타겟 어셈블리)는 위치이동될 수 있다. 이러한 측면에서, 전계 에미터가 고정된 위치에 존재하고 컴포넌트가 이동되거나, 전계 에미터가 이동하고 컴포넌트가 고정된 위치에 존재하거나, 전계 에미터와 컴포넌트 모두 이동될 수 있다. 상기 위치이동은 수직, 수평, 회전 또는 아크(arc)를 따라 수행될 수 있다.
본원에 기재된 방법은 전자 어셈블리에서의 솔더링 이외의 다수 분야에서, 예를 들어 솔더 범핑된 웨이퍼의 표면 세정, 금속 도금, 브레이징(brazing), 용접 및 리플로우(reflow)에 사용될 수 있다. 일 특정 실시양태에서, 상기 방법은 실리콘 웨이퍼 가공 도중에 형성된 금속의 표면 산화물, 예를 들어 산화구리를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 산화물은 다양한 습윤 공정 단계, 예를 들어 화학적 기계적 평탄화 공정에 의해 형성될 수 있으며, 웨이퍼상에 마이크로전자 소자를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 표면 산화물은 소자 수율 및 소자 신뢰성을 감소시킨다. 상기 방법은 수성 환원제의 사용을 요구하지 않는 충분한 건조, 환경친화적인 방식으로 표면 산화물을 제거할 수 있다. 추가로, 상기 방법은 상대적으로 저온에서 수행될 수 있기 때문에, 가공도중 소자의 열예산(thermal budget)에 크게 영향을 미치지 않는다. 반면에, 보다 높은 온도는 도판트와 산화물의 확산을 야기함으로써 소자 수율 및 신뢰성을 감소시키는 경향이 있고 이에 따라 소자 성능을 저하시킨다. 상기 방법은 단일 웨이퍼상에서 수행될 수도 있기 때문에, 다른 단일 웨이퍼 공정과 통합될 수 있으며, 이에 따라 다른 제작 단계와 보다 우수한 호환성을 제공한다.
본원에 기재된 전계 방출 장치는 또한 가스 정제 및 정전기 페인팅을 위해 주위 또는 비-진공 조건에서 전자 부착을 위한 유리 전자를 생성하는 데 사용될 수 있다. 가스 정제를 위해, 캐소드에서 생성된 전자는 정제될 가스 입자의 적어도 일부분에 부착될 수 있는데 그 이유는 대부분의 입자가 양의 전자 친화도를 가지기 때문이다. 전자 부착에 의해 음으로 하전된 입자는 전기장을 따라 애노드로 표류할 수 있으며, 이에 따라 가스상이 정제될 수 있다. 정전기 페인팅을 수반하는 실시양태의 경우, 캐소드에서 나온 유리 전자가 페인팅 물질의 적어도 일부분에 부착될 수 있고 음으로 하전된 페인팅 물질은 직접적으로 접지되거나 접지된 금속 표면에 부착된 페인팅될 표면으로 향할 수 있다.
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 상세히 기술될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
실시예
1
도 2에 도시된 바와 같고 5개의 스테인레스강 캐소드 니들(needles)(각각은 알루미나 세라믹 관(0.46 mm 내경 (I.D.) 및 1.2 mm 외경 (O.D.))를 포함하는 유전체 물질에 단단히 삽입된 다음 세라믹 플레이트상에 실장됨)을 포함하는 전계 방출 장치가 본 실시예에서 사용되었다. 캐소드 니들간의 거리는 5 mm였다. 각각의 캐소드 니들의 예리한 팁(sharp tip)은 상응하는 알루미나 세라믹 관 밖으로 약 1.0 mm 돌출되어 있다. 애노드 금속 와이어는 상기 5개의 관 각각의 주위에 감긴 다음 전기적으로 접지되었다. 감겨진 애노드 와이어는 관의 말단에서부터 캐소드 니들의 예리한 팁 측부를 향해 10 mm 떨어져 있다. 이렇게 준비된 구조를, 실온에서 4 용적% H2 포함 N2로 퍼징된 석영 관 퍼니스(quartz tube furnace)에 배치하였다. 상기 5개의 니들에 인가되는 음의 펄스(10 KV) 전압 전위를 -3.7 KV까지 상승시켰을 때, 5개의 모든 니들 끝은 전자를 방출하기 시작했다. 전자 방출이 니들상에서 개시되면, 상응하는 니들 끝은 전자 부착 공정 도중 상기 끝 주위에서의 가스 여기로 인해 H2 및 N2 가스 혼합물에서 청색광을 방출한다. 애노드 와이어를 접지 차단시키면, 상기 캐소드 니들의 5개의 끝은, 캐소드 전압 전위가 - 4.3 KV까지 상승하더라도 광을 방출하지 않았다. 음의 전압 전위가 추가로 증가하면 아크 또는 가스상 방전이 일어난다. 캐소드와 애노드간에 전압 전위를 스위칭하면, 예를 들어 니들이 접지되고 각각의 세라믹 관 상에 감긴 와이어가 음 전압 전위에 연결되면, 음 전압 전위가 -4.8 KV 만큼 높더라도 끝에서 빛이 방출되지 않았다. 이러한 결과는 본원에 기재된 전계 방출 장치의 기본적인 개념을 입증해 준다. 좀더 구체적으로, 전자는 본원에 기재된 전계 방출 장치 밖에서 주입될 수 있다.
실시예
2
2개의 스테인레스강 캐소드 니들(각각은 세라믹 (알루미나) 관 또는 유전체 물질이 삽입되고 도 3에 도시된 구조와 같은 구리 플레이트상에 놓인 다이 부착 샘플의 양측부에 실장됨)을 포함하는 전계 방출 장치 구조를 시험하였다. 다이 부착 샘플은 전기적으로 전도성이고 접지되어 있다. 각각의 니들 끝과 샘플 가장자리 사이의 거리는 5.5 mm였다. 각각의 캐소드 니들의 예리한 딥은 상응하는 유전체 관 밖으로 1.0 mm 뻗어있다. 애노드 금속 와이어는 상기 2개의 유전체 물질 또는 관 각각에 감긴 다음 전기적으로 접지되어 있다. 감겨진 애노드 와이어는 관 말단에서부터 예리한 팁 측부를 향해 10 mm 떨어져 있다. 이렇게 준비된 구조를 실온에서 4 용적% H2 포함 N2로 퍼징된 석영 관 퍼니스에 배치하였다. 상기 2개의 니들에 인가된 음의 펄스(10 KV) 전압 전위를 - 1.9 KV까지 상승시키면, 상기 2개의 니들 끝은 청색광을 방출하는데, 이는 전자 방출을 의미한다. 샘플을 접지하고 전류 미터기에 직렬로 연결하면, 샘플에서 수신된 전류는 - 0.24 mA인 것으로 확인되었다. 상기 2개의 니들상의 음 전압 전위를 - 2.2 KV까지 상승시키면, 샘플상에서 수신된 전류는 0.4 mA였다. 이러한 결과는 캐소드 끝에서 방출된 전자가 처리 표면에서 수신될 수 있음을 보여준다.
실시예
3
실시예 2 및 도 3에 기재된 것과 동일한 전계 방출 장치 구조 및 샘플 배치를 15 용적% H2 포함 N2로 퍼징된 석영 관 퍼니스에서 재시험하였다. 다이 부착 샘플 280은 다이 부착 소자를 시뮬레이션하기 위해 사용된 금/니켈 코팅된 세라믹 281과 금/니켈 코팅된 구리 282에 의해 샌드위칭된 무플럭스(fluxless) 금/주석 솔더 프리폼(융점 280℃) 283을 포함한다. 다이 부착 샘플의 세 조각은 각각 동일한 크기: 3 mm X 6 mm를 가졌다. 무플럭스 다이 부착을 위해 N2에서 전자 부착(EA) 활성화된 H2의 실현가능성을 입증하기 위해, 음의 펄스(10 KV) 전압 전위를 실온에서 상기 2개의 니들상에 인가하였다. 인가 전압을 - 1.8 KV까지 상승시키면, 상기 2개의 니들 끝은 청색광을 방출하는데, 이는 전자 방출을 의미한다. 샘플에서 수신된 전류는 -0.45 mA였다. 이후 샘플을 2분의 램프(ramp) 시간으로 290℃까지 가열하고 냉각 이전에 1분간 290℃에서 침지시켰다. 전자 부착(EA)은 온도 램핑(ramping) 및 침지 동안 유지되었다. 샘플 온도를 290℃까지 상승시키면, 캐소드 니들에서 동일한 인가 전압(-1.8 KV)을 위해 -1.8 mA 전류가 수신되는 것으로 확인되었다. 가열 사이클 이후에, 처리된 샘플을 퍼니스(furnace) 밖으로 꺼낸 다음 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM)으로 분석하였다. 분석 결과, 솔더 습윤(젖음)이 우수한 것으로 확인되었다. 이러한 결과는, 온도와 수소 농도가 증가할수록 전자 방출에 도움을 줄 수 있음을 보여주는데, 예를 들어 앞선 실시예와 비교하여 방출을 개시하기 위해 정해진 인가 전압 또는 감소된 개시 전압에서 보다 많은 방출 전류를 가지도록 해준다. 이는 또한 무플럭스 솔더링이 솔더의 융점보다 단지 약간 높은 온도에서 H2 및 N2 가스 혼합물에서 본원에 기재된 전계 방출 장치를 사용함으로써 달성될 수 있음을 보여준다.
실시예
4:
비교예
EA를 적용하지 않는 것을 제외하고는 실시예 3에 기재된 것과 동일한 온도 가열 사이클 및 가스 환경에서 동일한 물질 구조 및 크기를 가진 또다른 다이 부착 샘플을 처리하였다. 가열 사이클 후 솔더 습윤은 불량한 것으로 나타났다. 좀더 구체적으로, 다이 부착 샘플의 가장자리 주위에 다수의 솔더 탈습윤화된(de-wetted) 스팟이 존재하였다. 이러한 결과는 EA 인가없이 가스성 H2가 동일한 솔더 리플로우 온도에서 솔더 산화물을 효과적으로 감소시킬 수 없음을 보여준다.
실시예
5
도 4는 전계 방출 장치의 추가 일예를 나타내며, 이 장치는 일렬로 된 다이 부착 샘플의 양쪽 측면에 고정된 두 그룹의 스테인레스강 캐소드 니들을 구비하고 있었다. 각 그룹은 5개의 캐소드 니들을 구비하고 있고 각 니들은 세라믹(알루미나) 관과 같은 유전체 물질에 삽입되었다. 각 캐소드 니들의 예리한 팁은 상응하는 세라믹 관 밖으로 1.0 mm 연장되었다. 각각의 2개 인접 니들 사이의 거리는 1.2 cm이었다. 각 그룹에서 5개 캐소드 니들과 상응하는 세라믹 관은 애노드로서 작용하는 은 호일 표면으로부터 돌출되었다. 다시 말해서, 애노드 표면은 캐소드 니들의 길이 방향에 수직으로 위치하고 있었다. 애노드 표면으로부터 각 세라믹 관 또는 유전체 관의 돌출된 길이는 2 mm이었다. 은 애노드는 배리스터에 접속된 다음 접지되었다. 배리스터의 전기 저항은 은 애노드의 전위를 조절하도록 변형되었다. 음의 DC 전압이 두 그룹의 니들에 인가되었을 때, 다이 부착 샘플이 전기적으로 접지되지 않았을 때(전기적으로 부유되었을 때) 조차 H2 및 N2 가스 혼합물 중에서 청색으로 빛났다. 처리 표면상에 더 많은 원자상 수소 이온을 모으기 위해, 두 그룹의 니들 중앙에 위치한 5개 다이 부착 샘플은 수신 전류를 검측하기 위해 직렬로 접속된 전류계에 의해 전기적으로 접지되었다. 각 그룹의 니들 팁과 다이 부착 샘플의 가장자리 사이의 거리는 1.6 cm이었다. 두 그룹의 니들에 대한 총 전류원을 DC 전원으로부터 검측하였다. 표 1과 2는 이러한 시험 배열로부터 얻어진 상세한 데이터를 제공한다. 은 애노드의 하류로 전기 저항을 증가시킴으로써, 더 많은 전류가 다이 부착 샘플로 향할 수 있다(표 1). 또한, 온도와 수소 농도를 증가시킴으로써 양쪽 다 전자 방출, 이를테면 소정의 인가된 전압 또는 방출을 시작하기 위한 감소된 개시 전압에서 더 많은 방출 전류를 가지는 전자 방출을 도울 수 있다(표 2). 이 실시예에서는 개선된 전계 방출 장치 구조에 의해, 이를테면 유전체 관 주위에 감긴 애노드 와이어를 사용하는 대신에 애노드 표면을 사용함으로써, 전계 방출을 위한 소요 전압이 크게 감소될 수 있으며 이전 실시예와 비교하여 심지어 아크 방전을 최소화하는 전압 펄스를 없앨 수 있다는 사실을 보여준다.
| 애노드의 하류에 저항을 증가시키는 효과 | ||||||
| 온도(℃) | 가스 (N2 중 H2의 부피%) |
저항 (Ω) |
전압 (KV) |
활성화 팁(#) | 총 방출 (mA) |
샘플에서 전류(mA) |
| 25 | 4 | 0 | -1.35 | 10 | -4.94 | -1.70 |
| 25 | 4 | 1 X 106 | -1.59 | 10 | -4.47 | -2.99 |
| 25 | 4 | 2 X 106 | -1.59 | 10 | -4.19 | -3.32 |
| 25 | 4 | 3 X 106 | -1.59 | 10 | -4.06 | -3.70 |
| 25 | 4 | 4 X 106 | -1.59 | 10 | -4.06 | -3.76 |
| 온도 효과 | |||||
| 온도(℃) | 가스 (N2 중 H2의 부피%) |
저항 (Ω) |
전압 (KV) |
활성화 선단(#) | 총 방출 (mA) |
| 25 | 15 | 0 | -1.21 | 10 | -3.80 |
| 25 | 15 | 1 X 105 | -1.28 | 10 | -3.34 |
| 25 | 15 | 1 X 106 | -1.70 | 10 | -5.04 |
| 150 | 15 | 1 X 105 | -1.28 | 10 | -4.02 |
| 150 | 15 | 1 X 106 | -1.70 | 10 | -7.12 |
실시예
6
다이 부착 컴포넌트의 비노출 솔더링 표면을 처리하기 위한 전계 방출 장치의 구체예를 제공한다. 전계 방출 장치는 스테인레스강으로 된 애노드 다공판(440), 방출된 전자에 대한 차폐체로서 상기 애노드 다공판 밑의 1.5 mm 두께 세라믹 다공판(470), 및 각 캐소드 니들은 알루미나 관(430)에 단단히 삽입되어 있고 각 관은 2 층의 다공판(예, 440 및 470)의 구멍에 삽입되어 있는, 스테인레스강으로 된 캐소드 니들의 배열(430)을 포함하였다. 예리한 니들 선단을 가진 각 알루미나 관의 단부는 애노드 표면 밖으로 4 mm 돌출되었고 각 니들 선단은 알루미나 관 밖으로 1 mm 돌출되었다. 또한, 애노드 다공판 상의 각 구멍 직경은 1.2 mm인, 각 알루미나 관의 외부 직경(O.D.)과 동일하였고; 세라믹 다공판 상의 각 구멍의 직경은 1.6 mm이었다. 캐소드 배열의 각 2개 니들 사이의 거리는 9 mm이었다. 다공 애노드와 접지 사이에 배리스터가 적용되었다. 이러한 구조를 가진 전계 방출 장치를 조립할 컴포넌트 1 cm 위에 설치하였다. 조립할 컴포넌트를 접지된 금속판에 고정된, 두께 1 mm의 세라믹 다공판에 고정시켰다. 세라믹 다공판의 구멍 직경은 0.4 mm이었고 세라믹 다공판 상의 각각 2개 구멍 사이의 거리는 2 mm이었다. 캐소드 니들에 -2.4 KV의 10 KHz 펄스 DC 전압(0 KV 내지 -2.4 KV의 펄싱)을 인가함으로써 비노출 솔더링 표면(483) 상의 주석-납 공정 솔더를 포함한 다이 부착 컴포넌트를 전자 부착 환경하에 N2 중 15부피%의 H2 에서 225℃로 가열할 때, 양호한 솔더 리플로우(reflow)를 달성하였다.
실시예
7:
비교예
조립할 컴포넌트를 바로 접지판에 고정시킨 것(예, 세라믹 다공판(490)을 제거하였음)을 제외하고 실시예 6을 반복하였다. 캐소드 니들에 -2.4 KV의 10 KHz 펄스 DC 전압을 인가함으로써 비노출 솔더링 표면(483) 상의 주석-납 공정 솔더를 포함한 다이 부착 컴포넌트를 전자 부착하에 N2 중 15 부피%의 H2 에서 225℃로 가열할 때, 양호한 솔더 리플로우를 달성할 수 없었음을 알아냈다. 이 실시예로서 음하전된 원자상 수소 이온의 흐름을 비노출 솔더링 표면으로 향하게 하기 위해 접지판 위에 고정된 세라믹 다공판(이를테면 실시예 6에 제시된 것과 같은)의 필요성을 확인하였다.
실시예
8:
비교예
조립할 컴포넌트를, 접지된 금속판 위에 고정된, 동일 두께(1 mm)의 비어있지 않은(천공되지 않은) 세라믹 판에 고정시킨 것을 제외하고 실시예 6의 배열을 반복하였다. 다시, 비노출 솔더링 표면 상의 주석-납 공정 솔더를 포함한 다이 부착 컴포넌트를 N2 중 15 부피%의 H2 에서 225℃로 가열하였다. 실시예 6에서와 같이 캐소드에 펄스 DC를 인가하였을 때, 전자 방출이 얻어질 수 없었고, 이러한 사실은 전하 배출을 위한 경로가 존재하지 않았기 때문에 예상되었다. 대안으로서, 캐소드 니들에 인가된 전압을 10 KHz의 주파수에서 -2.5 KV 내지 +2.5 KV 사이에 펄스화하였고, 각 니들 선단과 비어있지 않은 세라믹 판 사이에 스트리머형(streamer-type) 코로나 방전을 형성하였다. 그러나, 코로나 방전하에 양호한 납땜 리플로우를 달성할 수 없었다. 이러한 결과는 코로나 방전이 무플렉스 솔더링을 위한 수소 활성화에 비효율적이라는 것을 나타낸다.
본 발명이 발명의 특정 실시예를 참조하여 상세히 기술되어 있지만, 해당 기술 분야의 당업자라면, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경예 및 변형예가 이루어질 수 있다는 점을 명백히 이해할 수 있을 것이다.
Claims (11)
- 주위 압력 조건에서 전자를 방출하기 위한 장치로서,
상기 장치는
고 곡률 표면을 갖는 하나 이상의 돌출부를 가지며 그리고 전도성 물질을 포함하는 캐소드로서, 상기 전도성 물질은 2 내지 5 eV 범위의 일 함수를 갖는 것인 캐소드,
상기 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질, 및
상기 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 물질을 포함하는 애노드
를 포함하고, 여기서
상기 캐소드와 애노드는 각각 전기 전압 공급원에 접속되며, 그리고
상기 캐소드와 애노드 간의 유전체 물질은 편극화되어 캐소드의 돌출부 중 하나 이상에서 전기장을 제공함으로써 캐소드로부터 전자를 발생시키게 되는 것인 장치. - 제1항에 있어서, 가스 혼합물은 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 담체 가스를 더 포함하는 것인 장치.
- 솔더 및 그 위에 금속 표면을 포함하는 컴포넌트의 하나 이상의 표면 상에 있는 금속 산화물을 제거하기 위한 장치로서,
상기 장치는
고 곡률 표면을 갖는 하나 이상의 돌출부를 가지며 그리고 전도성 물질을 포함하는 캐소드로서, 상기 전도성 물질은 2 내지 5 eV 범위의 일 함수를 갖는 것인 캐소드,
상기 캐소드의 적어도 일부를 둘러싸는 유전체 물질, 및
상기 유전체 물질의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 물질을 포함하는 애노드
를 포함하는 전자 방출 장치로서, 상기 캐소드 및 애노드는 각각 전기 전압 공급원에 접속되며, 그리고 상기 캐소드와 애노드 간의 유전체 물질은 편극화되어 캐소드의 돌출부 중 하나 이상에서 전기장을 제공함으로써 캐소드로부터 전자를 발생시키게 되는 것인 전자 방출 장치;
환원 가스로서, 상기 전자가 그 환원 가스 분자의 적어도 일부에 부착되어 환원 가스의 음 하전된 원자 이온을 형성하는 것인 환원 가스;
복수개의 개구를 포함하는 절연판으로서, 상기 컴포넌트는 그 절연판 위에 설정되며 그리고 전계 방출 장치에 대하여 근위에 있는 것인 절연판;
전자 방출 장치의 애노드의 것보다 적어도 약간 양성인 전위를 갖는 전도성 표면으로서, 상기 절연판은 그 위에 배치되며 그리고 상기 환원 가스의 음 하전된 원자 이온은 절연 표면으로 향하게 부착되어 상기 컴포넌트의 하나 이상의 표면 상에 있는 금속 산화물을 제거하고 전도성 표면에 도달할 때 방전되는 것인 전도성 표면
을 포함하는 것인 장치. - 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 환원 가스는 H2, CO, SiH4, Si2H6, CF4, SF6, CF2Cl2, HCl, BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, HF, NH3, H2S, 선형, 분지형 또는 환형 C1-C10 탄화수소, 포름산, 알콜, 하기 화학식(III)을 갖는 산성 증기, 하기 화학식(IV)을 갖는 유기 증기, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 가스인 것인 장치:
화학식(III)
화학식(IV)
상기 화학식(III) 및 화학식(IV)에서 치환기 R은 알킬 기, 치환된 알킬 기, 아릴 기, 또는 치환된 아릴 기이다. - 제4항에 있어서, 상기 환원가스는 H2를 포함하는 것인 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 환원 가스 내의 H2 농도는 0.1 내지 100 부피%인 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 캐소드 물질은 금속, 합금, 반도체, 산화물 코팅된 기재 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 유전체 물질은 세라믹 물질을 포함하는 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 애노드는 전기 전도성 와이어 또는 전기 전도성 판으로부터 선택되는 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 전도성 판의 전위는 애노드의 전압보다 10V 내지 1KV 더 높은 전압을 갖는 것인 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 절연판의 개구 크기가 10 나노미터 내지 100 마이크론 범위인 장치.
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