通过电子附着除去表面氧化物的方法

专利名称：通过电子附着除去表面氧化物的方法
通过电子附着除去表面氧化物的方法
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本文描述了一种用于除去基片包括绝缘基片表面上金属氧化物的方法。本文还描 述了用于除去基片表面上金属氧化物的装置。晶片凸起(wafer bumping)是在芯片焊接区(chip bond pad)上制备厚金属凸起 用于内部引线焊接(lead bonding)的方法。该凸起通常通过在焊接区上沉积焊料，然后回 流(reflow)(这里指首次回流)以进行合金化并且将焊料凸起的形状由蘑菇状变成半球状 而制得。具有首次回流凸起的芯片被“轻碰(flipped)，以符合基片上焊料可润湿端的印迹， 然后经过二次回流形成焊点(solder joint)。本文将这些焊点称为内部引线焊点。晶片凸 起工艺中通常用高熔点焊料(如> 300°C )，因为它允许随后的组装步骤如外部引线焊接处 理，以继续使用低熔点焊料(如< 230°C )而不会破坏内部引线焊接。第一次回流后焊料凸起的形状是很关键的。例如，大的凸起高度有利于更好的接 合和更高的抗疲劳性。进一步地，形成的凸起应优选基本上一致以确保平整性。确信具有 相对更大的凸起高度的基本上一致的焊料凸起与第一次回流期间无氧化物凸起表面有关。 目前，在焊料凸起晶片的第一次回流期间，有两种主要方法去除焊料氧化物。一种方法是在 回流温度为400至450°C下利用纯氢的无焊剂焊接。该方法的主要挑战在于纯氢的可燃性， 这极大地限制了该方法的应用。第二种方法是在沉积的焊料凸起上，或在已印在晶片上以 形成凸起的焊料糊混合物中应用有机焊剂，并在惰性环境中回流该凸起，以使得焊剂能有 效地去除焊料表面的初始氧化物。然而该方法有其自身的缺点。由于焊剂分解在焊料凸起 中可形成小的空隙，这些空隙不仅可降低所形成焊料焊接(solderbond)的电和机械性能， 而且可破坏焊料凸起晶片的共平面性，并影响随后的芯片焊接处理。已分解的焊剂挥发物 也会污染回流炉，这将提高维护成本。此外，焊剂残留物时常留在晶片上导致腐蚀金属和降 低组件的性能。为去除上述回流过程的焊剂残留物，可采用一种利用氯氟烃(CFC)作为清除剂的 后清除方法。然而，后清除增加了额外的处理步骤并延长了制备过程的时间。此外，由于对 保护地球的臭氧层的潜在破坏，禁止利用氯氟烃(CFC)作为清除剂。尽管利用少量催化剂 来减少残留使无清除焊剂得到了发展，但在焊剂残留量和焊剂活性的收益和损失间存在折 衷。因此，工业上寻求一种催化方法，该方法有助于产生高反应性的H2游离基(radical)， 并由此减少氢浓度的有效范围和降低处理温度，以用于还原表面氧化物。现有技术已经利用几种技术进行无焊剂(干式)焊接。一种技术是使用激光来熔 化或加热金属氧化物至它们的蒸发温度。该方法通常在惰性或还原性气氛下进行，以阻止 被释放的污染物再氧化。然而氧化物和基片金属的熔点或沸点相似，并且不希望使基片金 属熔化或挥发。因此该激光方法难以实施。通常激光是昂贵的、操作低效并且需要对氧化 层的直视线对准。这些因素限制了激光技术在多数焊接应用中的使用。在高温下表面氧化物通过暴露于反应气体(如H2)下可化学还原(如生成H2O)。 通常使用在惰性载体(如队)中含有5%或更多还原气体的混合物。然后在高温下通过解 吸作用从表面释放反应产物(如H2O),并由气流场带走。一般的处理温度超过350°C。然4而该方法是低速和低效的，即使在高温下亦如此。使用更多的活性还原物质可提高还原过程的速度和效率。利用传统等离子技术可 制备这些活性物质。音频、无线电或微波频的气体等离子体可用来制备用于表面去氧化的 反应性游离基。在该方法中，高强度的电磁辐射用于电离和分解H2、02、SF6或包括含氟化合 物的其它物质形成高反应性游离基。可在低于300°c的温度下进行表面处理。然而为获得 等离子形成的最佳条件，通常在真空条件下进行上述处理。真空操作需要昂贵的设备，并且 必须以缓慢的、间歇处理的方式而不是快速的、连续处理的方式进行。同样，等离子体通常 在处理室中广泛分散，难以直接对准特定的基片区域。因此，在该方法中不能有效利用反应 性物质。等离子体通过溅射过程也会导致损坏处理室，并且会在绝缘表面产生空间电荷积 聚，这可能导致微电路损坏。微波自身也能引起微电路损坏，并且处理期间基片温度难于控 制。等离子体也会释放有潜在危险的紫外光。该处理也需要昂贵的电装置并消耗可观的能 量，从而降低其总的成本效率。美国专利U. S. 5，409，543公开了一种在真空环境中利用热灯丝热分解分子氢产 生活性氢物质(即原子氢)的方法。激发的氢化学还原基片表面。热灯丝的温度范围可为 500°C至2200°C。电偏压网用于偏转或俘获热灯丝发射的过量自由电子。在惰性载气中由 含有2%至100%氢的混合物制备活性物质或原子氢。美国专利U. S. 6，203，637公开了一种利用热电子阴极放电来活化氢的方法。从热 电子阴极释放的电子引起气相放电，由此产生活性物质。该释放过程在含有热灯丝的隔离 室或远程室中进行。离子和活化的中性物质流入处理室，从而化学还原氧化的金属表面。然 而，该热阴极处理需要真空条件以达到最佳效率和灯丝寿命。真空操作需要必须并入焊接 传送带系统的昂贵设备，从而降低了其总的成本效率。Potier等人的“常压下活性氛围下无焊剂焊接(Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at Ambient Pressure)，，，Surface Mount International Conference,1995，San Jose, CA,和美国专利 U. S. 6，146，503，6，089，445，6，021，940， 6，007，637，5，941，448，5，858，312和5，722，581描述了一种利用放电制备活化H2 (或其它 还原气体，如CH4或NH3)的方法。还原气体通常以“百分比水平”出现在惰性载体中(N2)。 利用“几千伏特”的交流电源产生放电。远程室中电极释放的电子产生射出的或不稳定的 物质，它们实质上是不带电物质，然后流至基片。这样的方法还原了基片金属上的氧化物， 使之可在接近150°C下焊接。然而上述远程的放电室需要巨大的设备成本，并且不容易改型 以适合现存的焊接传送带系统。此外，该方法通常用于焊接前金属表面的预处理，而不是去 除焊料氧化物。美国专利U. S. 5，433，820描述了一种大气压下利用来自高电压(IkV至50kV)电 极的放电或等离子表面处理方法。电极被置于临近基片而不是远的室中。电极释放的自由 电子产生活性氢游离基一含有原子氢的等离子体-然后它们通过置于氧化的基片上的绝 缘屏蔽的开口。该绝缘屏蔽使活性氢集中到需脱氧的特定表面位置。然而该绝缘屏蔽会聚 集可改变电场并阻碍精确处理控制的表面电荷。所述的方法仅用于熔化基片金属表面。因此，本领域需要提供在可减少热能的相对低温下、经济且有效地进行焊料凸起 晶片的无焊剂回流方法。本领域进一步需要提供为节省购买和维护真空装置的费用而在接 近室温或大气压条件下进行的无焊剂焊料回流的方法和装置。本领域还需要提供利用不易燃气体环境的无焊剂焊料回流方法。此外，本领域还需要从基片例如电绝缘的基片的表面 上去除金属氧化物。电绝缘的基片的例子包括但不限于刚性的环氧玻璃纤维层压板基片、 柔性的聚合物薄膜(如聚酰亚胺)、用于集成电路(IC)互连设计的绝缘基片、用于三维或层 叠IC封装技术的绝缘基片、以及它们的组合。发明简述本文描述的方法和装置通过提供无需使用焊剂去除基片表面的金属氧化物的装 置和方法来满足本领域的部分，如果不是全部的需要。一方面提供从基片的处理表面去除 金属氧化物的方法，该方法包括提供接近具有接地电位的基电极的基片，该基片包括含有 金属氧化物的处理表面；提供接近该基电极和该基片的激发电极，其中至少一部分处理表 面暴露于该激发电极下，并且其中该基电极和该激发电极和该基片在目标区域内。另一方面该激发电极指的是含有一系列凸出的突出的导电端的电绝缘板，其中这 些导电端通过导线电连接，其中该系列突出端分为第一电连接组和第二电连接组，其中第 一或第二电连接组中的之一连接到正偏压的直流(DC)电压电源，而第一或第二电连接组 中的另一个连接到负偏压的直流电压电源，并且其中该正偏压的直流电压电源和该负偏压 的直流电源电连接到能在负偏压的直流电压电源和正偏压的直流电压电源之间交替能量 供给的功能控制器；将含有还原气体的气体混合物通过该目标区域；通过启动该负偏压的 直流电压电源来激发成排的导电端，从而在目标区域内产生电子，其中至少部分电子附着 于至少部分还原气体由此形成带负电的还原气体；将处理表面接触该带负电的还原气体以 还原(reduce)在该基片的处理表面上的金属氧化物；并且通过启动该正偏压的直流电压 电源来激发成排的导电端，从而从处理表面收回过剩电子，其中电连接到负偏压的直流电 压电源的成排的导电端和电连接到正偏压的直流电压电源的成排的导电端不同时激发。另一方面，该激发电极被定义为室，该室具有内部空间、进气口、和包含一系列向 下突出的导电端的电绝缘基片(base)，其中导电端由皮下注射针头制成，其中各皮下注射 针头与气体室的内部空间具有流体连通(fluidcommimication)，以便流入该室的含有还原 气体的气体混合物可从各皮下注射针头中射出，其中该皮下注射针头全部通过导线电连接 到一起，然后连接到负偏压的直流电压电源以便从各皮下注射针头产生电子，其中至少部 分电子附着于至少部分从皮下注射针头流出的还原气体，从而形成带负电的还原气体；将 处理表面与该带负电的还原气体接触以还原该基片的处理表面的金属氧化物；其中该基片 导电并接地以便负电子可从该基片导到地面。另一方面，该激发电极被定义为室，该室具有内部空间、进气口和包含一系列向下 突出的导电端的电绝缘基片(base)，其中导电端分为第一电连接组和第二电连接组，其中 第一电连接组和第二电连接组的导电端的至少其中之一与气体室具有流连通，以便流入该 室的含有还原气体的气体混合物可从各皮下注射针头射出，其中至少一组皮下注射针头连 接到负偏压的直流电压电源(DC)，而第一或第二电连接组的另一组连接到正偏压的直流电 压电源，并且其中该负偏压的直流电压电源和该正偏压的直流电压电源电连接到能在负偏 压的直流电压电源和正偏压的直流电压电源之间交替能量供给的功能控制器；使含有还原 气体的气体混合物流过气体室和各皮下注射针头；通过启动该负偏压的直流电压电源来激 发至少一组皮下注射针头，以便从各皮下注射针头产生电子，其中至少部分电子附着于随 后从各皮下注射针头端出来的至少部分还原气体，由此形成带负电的还原气体；将处理表面接触该带负电的还原气体以还原在该基片的处理表面上的金属氧化物；并且通过启动该 正偏压的直流电压电源来激发另一组导电端，以从处理表面回收过剩电子，其中电连接到 负偏压的直流电压电源的至少一组皮下注射针头和电连接到正偏压的直流电压电源的另 一组导电端不同时激发。进一步的方面，提供在基片上形成焊点的方法，所述基片包含层，所述层上包含多 个焊料凸起，所述方法包括提供接近具有接地电位的基电极的基片，该基片包括其中含有 多个焊料凸起的层；提供接近基电极和基片的激发电极，其中该层的至少部分和焊料凸起 暴露于激发电极下，并且其中基电极和激发电极和基片均在目标区域内，其中激发电极是 指含有一系列突出导电端的绝缘板，其中这些导电端通过导线电连接；将含有还原气体的 气体混合物通过该目标区域；通过启动负偏压的直流电压电源来激发成排的导电端，以在 目标区域内产生电子，其中至少部分电子附着于至少部分还原气体从而形成带负电的还原 气体；使处理表面与带负电的还原气体接触回流该焊料突起，从而形成焊点。


图Ia和Ib分别示出了发射极和基电极上的电压脉冲；图加到2i为适合于发射和/或回收电子的各种电极几何形状的示意图；图3提供一种适合于使用多个端发射和/或回收电子的电极的具体实施方式
的实 例；图4提供一种适用于具有分段组件的发射和/或收回电子的电极的具体实施方式
的实例；图5提供一种本发明方法的具体实施方式
的实例，示例在晶片凸起应用中去除表 面金属氧化物；图6示例了在晶片凸起回流期间通过改变电极极性来去除基片表面负电离子的 本发明方法的一种特定具体实施方式
。图7a和7b示例了当两个电极极性改变时两个电极间带电物质的传送。图8提供一种本发明方法的特定具体实施方式
的示意，通过使用相对于基电极具 正偏压的附加电极来去除基片表面的电子。图9a至9e提供使用相对于基片至少一个电极运动的本发明的方法和装置的特定具体实施方式
的各种示例。图IOa和IOb分别提供了单向电压脉冲和双向电压脉冲的示例。图11是本发明的电极组件的具体实施方式
的示例。图12(a)和12(b)是图11的具体实施方式
的某些特征的示例。图13是用于图11的具体实施方式
的导电端的示例；以及图14是用于图11的具体实施方式
的导电端电学布置的电路图。图15是本文描述的激发电极组件的具体实施方式
的示例。图16是具有内通道穿过的导电端、倾斜端以及法兰形端部的(flanged end)具体 实施方式的示例。图17提供了本文描述的电极组件的另一具体实施方式
的等角视图。图18(a)和18(b)分别提供了图17的电极组件的特定特征的侧视图和俯视图。
图19(a)和19(b)分别提供了图17的电极组件的特定特征的侧视图和俯视图。图20(a)和20(b)分别提供了适合于如模-对模(die-to-die)结合的电极组件 的特定具体实施方式
的俯视图和侧视图。图21提供了图15的电极组件的其他具体实施方式
的实例，其中还原气体在引入 目标区域之前在室中预加热。图22提供了本发明的电极组件的一个具体实施方式
的侧视图，其中该电极组件 进一步包括其他阴极。发明详述本发明的方法和装置，是通过将基片表面暴露于负电离子中来去除金属氧化物 的。负电离子反应并还原表面金属氧化物。一方面，该方法、装置或两者均可通过改进传统 回流和焊接装置来应用，如改进用于回流焊料凸起晶片的回流机械。在这里或其他方面，该 方法也能用于其他处理，其中需要去除基片的表面金属氧化物，例如但不限于，金属镀(即 印刷电路板或金属表面的焊接镀覆部分使得它们更有利于随后的焊接)、用于外部引线焊 接的回流焊接和波动焊接、表面清洗、铜焊、焊接、和去除在硅晶片处理过程中形成的表面 金属氧化物如铜氧化物。利用本发明的方法和装置去除金属氧化物同样适用于上述处理和 无需有机焊剂而去除氧化物的任何其它处理。本文所用的术语“基片”通常涉及材料如硅、二氧化硅涂覆的硅、铝-氧化铝、砷 化镓、陶瓷、石英、铜、玻璃、环氧树脂、或适用于电子装置中的任何材料。在具体实施方式
中，基片是其上有焊料的电绝缘或半导体基片。焊料组合物的例子包括但不限于无焊剂的 锡-银，无焊剂的锡-银-铜，无焊剂的锡-铅，或无焊剂的锡-铜。在某一具体实施方式
中，基片是电绝缘的基片。电绝缘基片的实例包括但不限于下列用于印刷电路板的刚性的 环氧玻璃(如FR-4型)的层压板基片；用于柔性(flexible)电路的柔性的聚合物膜(如 聚酰亚胺)基片；用于集成电路互连设计的绝缘基片；如聚合基的BGA的高密度互连、高密 度互连等；用于三维或层叠集成电路(stacked integrated circuit)或三维或堆叠封装技 术(stacked packaging technologies)的绝缘基片；以及它们的组合。然而，本发明的方 法和装置适合于各种不同的基片和焊料组合物。在某一优选具体实施方式
中，基片是具有 多个布置于其上的焊料凸起的硅晶片。在后面的具体实施方式
中，该多个焊料凸起可留在 该基片内部的至少一层上如在堆叠封装中。尽管不希望被理论所束缚，但认为当将能量源如直流电压电源施加在至少两个电 极间时，从相对于其它电极和/或两电极间的气相具有负电偏压的两个电极的其中一个电 极(这里指“发射电极”)产生电子。产生的电子沿着电场移向另一个电极，该电极是接地 的或具有正偏压(这里指“基电极”)。将表面上具有多个焊料凸起的基片置于由基电极和 发射电极限定的区域(这里指“目标区域”)内，其中焊料凸起的表面或处理区域暴露于发 射电极。在某些具体的实施方式中，基片可与基电极连接形成目标组件。包含还原气体和 任选载气的气体混合物穿过电极产生的电场。在电子移动期间，通过电子附着而使部分还 原气体形成负离子，然后移动至目标组件，即基电极和基片表面。从而在基片表面上，无需 传统的焊剂，负电离子能还原存在的金属氧化物。此外由于负电离子沿着电场的移动，能促 进待处理表面上的活性物质的吸附作用。在其中还原气体含有氢气的具体实施方式
中，认为本发明的方法如下发生
H2(dissociative attachment) :H2+e' — Η>Η (I)电子附着在氢原子上e，+H — H— (II)结合(I)和(II):2e，+H2 — 2F (III)氧化物还原2H_+M0 — M+H20+2e' (Μ =焊料/基片金属()(IV)在这些具体实施方式
中，由于电子附着形成原子氢离子消除了与分子氢气键断裂 有关的能量，因此，利用本发明电子附着方法使金属氧化物还原的活化能低于利用分子氢 气的方法。在某些具体实施方式
中，将足以导致发射电极产生电子的能量施加到至少一个电 极，优选发射电极。能量源优选是电能源或电压电源，如AC或DC电压电源。其它能量源， 如电磁能源、热能源或光电能源也可单独使用，或与任何上述能源结合使用。在本发明的具 体实施方式中，发射电极连接到第一电压水平且基电极连接到第二个电压水平。电压水平 间的差异引起电位偏压。第一或第二电压水平中的一个可以为零，这表示这两个电极的任 一个可以接地。为通过电子附着产生负电离子，需产生大量电子。与此有关的是，电子可通过多种 方式产生，例如但不限于阴极发射、气体放电或它们的组合。这些电子产生方法中，方法的 选择主要取决于产生的电子的效率和能级。对于还原气体是氢气的具体实施方式
来说，优 选能级接近4eV的电子。这些具体实施方式
中，如此低能级的电子优选通过阴极发射而不 是气体放电产生。产生的电子随后可从发射电极移向基电极，在那里产生空间电荷。当氢 气穿过至少两个电极或在目标区域内时，空间电荷通过电子附着提供产生负电氢离子的电 子源。对于涉及通过阴极发射产生电子的具体实施方式
来说，这些具体实施方式
可包 括场发射(这里指冷发射)、热发射(这里指热的发射)、热一场发射、光电子放射和电子 或离子束发射。场发射涉及将具有负偏压的电场施加到相对于基电极具有足够高的强度的发射 电极上，以克服从发射电极表面产生的电子势能。在优选的具体实施方式
中，在两个电极间 施加的DC电压范围为0. 1至50kV，优选2至30kV。在这些具体实施方式
中，电极间的距离 为0. 1至30cm，优选0. 5至5cm。另一方面，热发射涉及利用高温来激发在发射电极中的电子，并将该电子从发射 电极材料的金属键中分离出来。在优选的具体实施方式
中，发射电极的温度可为800至 3500°C，优选800至1500°C。可采用各种方法例如但不限于，采用使AC或DC流穿过电极直 接加热；间接加热如使得阴极表面与经加热元件、红外辐射或它们的组合加热的电绝缘热 表面接触来使发射电极产生和/或保持高温。热一场发射是用于产生电子的场发射和热发射方法的混合，其中既施加电场也施 加高温。因此，与单纯场发射和单纯热发射相比，热一场发射需要更小的电场和更低的电极 温度来产生相同量的电子。热一场发射能将单纯场发射遇到的困难最小化，如通过发射表 面的污染引起电子发射降低的趋势，和降低对发射表面平整性和均一性的高限制。此外，热 一场发射也可避免与热发射相关的问题，如发射电极和气相间化学反应的高电位。在具体 实施方式中，热一场发射用于产生电子，发射电极的温度从室温至3500°C，或更优选150至 1500°C。在这些具体该实施方式中，电压可从0. 01至30kV，或更优选从0. 1至10kV。9
在某一优选的具体实施方式
中，热发射或热一场发射方法用于产生电子。这些实 施方式中，用于这些方法中的任一个的高温发射电极，对穿过由两个电极产生的电场的气 体混合物也可起到热源的作用，从而能减少随后回流处理步骤中加热气体所需的热能。本发明的具体实施方式
中，电子产生是经由阴极发射和电晕放电方法相结合来完 成的。这些具体实施方式
中，能量源如DC电压施加在两个电极间，电子既可从发射电极(冷 或热)也可从邻近发射电极的气相(电晕放电)产生。为提高通过电子附着形成负电离子 的效率和延长发射电极的寿命，电晕放电优选是最小化的。在阴极发射机制用于电子发射的具体实施方式
中，施加在两个电极间的电压可为 恒电压或脉冲电压。电压脉冲频率范围从0至100kHz。图Ia和Ib分别提供发射电极上和 基电极上电压脉冲的示意图。这些具体实施方式
中，确定如图Ia和Ib所示的脉冲电压优 选是恒压的，提高产生的电子的数量，并且降低气相放电的趋势。对于涉及通过气体放电产生电子的具体实施方式
来说，这些实施方式可包括热放 电、光电子放电和各种雪崩放电(avalanche discharge)，包括辉光放电、弧光放电、火花放 电，和电晕放电。这些具体实施方式
中，通过气相电离产生电子。气相是包含还原气体和惰 性气体的气体混合物。在气相电离的具体实施方式
中，在两电极间施加电压电源，电子可从 两电极间的气体混合物中的惰性气体产生，随后移向正偏压电极如基电极。在电子移动期 间，部分这些电子通过电子附着附在还原气体分子上并形成负电离子。此外，一些带正电的 离子也在惰性气体中产生，随后移向负偏压电极如发射电极并在电极表面被中和。如前面提到的，当发射电极相对于基电极具有负偏压时，电子可从发射电极产生。 参见图加至2i，发射电极可具有各种几何形状，如细线加、具有尖端的棒2b、具有多个尖端 或齿的棒2c、筛网或丝网2d、松散盘管(loose coil) 2e、齿排2f、细线或细丝束2g、具有突 出于其表面的尖端的棒池、或具有滚花表面(knurled surface)的板2i。其它几何体可包 括上述几何体的结合，如具有表面突起的板或棒、线(wire)或丝缠绕的棒、细线卷等。可使 用多个电极，它们可以并串联(parallel series)或交叉网格(intersecting grid)的形 式布置。更进一步的几何形状可包括车轮式(wagon wheel)几何体，其中大量的电极以放 射方式如轮子的“辐(spokes)”形式排列。在具体实施方式
中，例如其中涉及场发射的具体 实施方式中，阴极优选由具有大表明曲率(surface curvature)的几何体组成，如大量尖端 以使邻近电极表面的电场最大化，如图3中描述的几何体。如图3所示，电极1有一系列位 于电极表面凹槽中的细线2和沿电极表面散发的大量尖端3。作放射电极的电极材料优选包含相对低的电子发射能量或功函(work function) 的导电材料。该材料也优选具有高熔点和在处理条件下具有相对高的稳定性。适宜材料 的例子包括金属、合金、半导体、和包覆或沉积在导电基片上的氧化物。进一步的例子包括 但不限于钨、石墨、高温合金如镍铬合金，以及金属氧化物如沉积在导电基片上的BaO和 Al2O30用作基电极的电极可包括导电材料如金属或本文公开的其他任何材料。根据应用 基电极可以有各种不同的几何形状。在本发明涉及热一场发射的具体实施方式
中，发射电极可包括分段组件如图4描 绘的电极。在这点上，发射电极的芯10可由具有高电阻的金属制得。大量的端11从芯10 发散。端11可由具有相对低的电子发射能量或功函的导电材料如本文公开的任何材料来制得。可采用直接让AC或DC电流(未图示)穿过芯10来加热芯。热传导会将热量从芯 传至端11。热芯10和大量端11封在壳(enclosure) 12中，该壳然后插入支撑架从而形成 所示的分段组件。端11暴露在壳12外面。壳12由绝缘材料组成。操作过程中，分段组件 允许芯的热膨胀。该布置中，通过相对于基电极在发射电极上施加负偏压，从热端11产生 电子。在另一涉及热一场发射的本发明的优选具体实施方式
中，间接加热可提高发射电 极的温度。这可以利用作为发射电极的芯的加热筒来完成。加热筒表面可含有导电材料， 如金属，其与加热筒内的加热元件电绝缘。为促进电子发射，大量分布的发射端可安装在加 热筒表面。可通过使AC或DC电流通过筒内的加热元件来加热筒。通过相对于第二电极在 筒表面施加负偏压，可从筒的分布端产生电子。为在该布置中产生电偏压，第二电极可接地 使得筒可以为负偏压，或可选地，筒可接地使得第二电极可以为正偏压。一些具体实施方式
中，更优选后一种情况，以消除两个电路间的电位干扰，如一个电路可以为沿着加热元件的 AC或DC电流，另一个电路可以为筒表面和第二电极间的高电偏压。这些具体实施方式
中， 热筒电极也可以作为气体混合物的热源，以达到回流处理步骤所需温度。如前面提到的，包含还原气体的气体混合物穿过由至少两个电极产生的电场。包 含在气体混合物中的还原气体可以为下列种类中的一种或多种1)本质上为还原性的气 体，2)能产生活性物质的气体，该活性物质与金属氧化物反应产生气体氧化物，或幻能产 生活性物质的气体，该活性物质与金属氧化物反应形成液体或水性氧化物。第一类气体、或本质上为还原性的气体，包括热力学上可作为待除去的氧化物的 还原剂的任何气体。本质上为还原性的气体的实例包括H2、CO、SiH4, Si2H6,甲酸、醇诸如甲 醇、乙醇等，以及一些具下式(III)的酸性蒸气O(III) R-C-OH式(III)中，取代基R可为烷基、取代烷基、芳基或取代芳基。本文使用的术语“烷 基”包括直链、支链或环烷基，优选含有1至20个碳原子，或更优选1至10个碳原子。这也 适用于包含在其它基团中的烷基部分，如卤烷基、烷芳基或芳烷基。术语“取代烷基”适用 于具有取代基的烷基部分，取代基包括杂原子如0、N、S或卤原子；OCH3 ；0R(R = C1,烷基 或 C6_1Q 芳基)K1,烷基或 C6_1Q 芳基；NO2 ； SO3R (R = C1,烷基或 C6_1Q 芳基)；或 NR2 (R = H， C1,烷基或C6_1(l芳基)。本文使用的术语“卤素”包括氟、氯、溴和碘。本文使用的术语“芳 基”包括具有芳香性的6至12元碳环。本文使用的术语“取代芳基”包括具有取代基的芳 环，取代基包括杂原子如0、N、S或卤原子；OCH3 ；0R(R = C1,烷基或C6_10芳基)；C1^10烷基 或 C6_1Q 芳基；NO2 ； SO3R (R = C1,烷基或 C6_1Q 芳基)；或 NR2 (R = H，C1,烷基或 C6_1(1 芳基)。 在优选的具体实施方式
中，气体混合物含有氢气。第二类还原气体包括任何本质上无还原性、但可通过电子在气体分子上的离解附 着而产生活性物质例如H、C、S、H’、C’和S’、并且通过活性物质与待去除的金属氧化物反应 而形成气体氧化物的气体。这类气体的例子包括NH3, H2S, C1至Cltl的烃例如但不限于CH4, C2H4，式(III)的酸性蒸气，和下式(IV)的有机蒸气
权利要求
1.从基片的处理表面去除金属氧化物的方法，该方法包括提供邻近具有接地电位的基电极的基片，该基片包括含有金属氧化物的处理表面；提供邻近基电极和基片的激发电极，其中至少部分处理表面暴露于激发电极且其中基 电极和激发电极及基片位于目标区域内，其中激发电极由包含突出的导电端阵列的绝缘板 限定，其中导电尖端通过导线电连接，其中部分所述阵列分成第一电连接组和第二电连接 组，其中第一或第二电连接组中的一个与正偏压的DC电压电源连接，和第一或第二电连接 组中的另一个与负偏压的DC电压电源连接，且其中正偏压的DC电压电源和负偏压的DC电 压电源与能交替负偏压的DC电压电源和正偏压的DC电压电源间的能量供给的功能控制器 电连接；使包含还原气体的气体混合物通过目标区域；通过启动负偏压的DC电压电源激发导电尖端行以在所述目标区域内产生电子，其中 至少部分电子附着于至少部分还原气体从而形成带负电的还原气体；使处理表面与带负电的还原气体接触以还原基片处理表面上的金属氧化物；以及通过启动正偏压的DC电压电源激发成排的导电尖端以从处理表面回收过量的电 子，其中与负偏压的DC电压电源电连接的成排的导电尖端和与正偏压的DC电压电源电连 接的成排的导电尖端不同时激发；其中激发电极进一步包括内部空间和与内部空间流体连通的气体入口，其中至少部分 导电端具有与内部空间流体连通的内部通路，其中至少部分还原气体通过气体入口进入内 部空间和通过内部通路进入目标区域。
2.权利要求1的方法，其中在将还原气体引入目标区域之前，对至少部分还原气体预 加热到温度200到800°C。
3.权利要求1的方法，进一步包括补偿电极接近基片、基电极和/或激发电极。
4.权利要求1的方法，其中还原气体为选自以下的气体H2，CO,SiH4, Si2H6, CF4, SF6, CF2Cl2, HCl，BF3, WF6, UF6, SiF3, NF3, CClF3, HF, NH3, H2S,直链、支化或环状 C1-Cltl 烃，甲酸，醇， 具有下式(III)的酸性蒸气
5.权利要求4的方法，其中还原气体包含H2。
6.权利要求5的方法，其中还原气体中的H2浓度为0.1-100%体积。
7.权利要求1的方法，其中气体混合物进一步包含选自氮、氦、氖、氩、氪、氙、氡以及它 们的混合物的载气。
8.权利要求1的方法，其中基电极与激发电极彼此间隔1.Ocm的距离。
9.权利要求1的方法，其中所述电压在0.IkV到30kV范围内。
10.权利要求1的方法，其中所述频率介于OkHz和30kHz之间。
11.权利要求1的方法，其中基片处于100°C到400°C的温度范围内。
12.权利要求1的方法，其中电压以OkHz到50kHz间的频率脉冲以防止起弧。
13.权利要求1的方法，其中绝缘板包含选自石英、陶瓷材料、聚合物及它们的混合物 的材料。
14.权利要求13的方法，其中所述绝缘板为石英板。
15.权利要求13的方法，其中所述绝缘板包含聚合物。
16.权利要求15的方法，其中所述聚合物为环氧聚合物。
17.权利要求1的方法，其中所述处理表面进一步包含焊料凸起。
18.权利要求1的方法，其中所述基片为绝缘基片，所述绝缘基片选自刚性环氧树脂 玻璃层压板基片、柔性弯曲的聚合物基片、高密度互连的集成电路互连设计中使用的基片、 层叠集成电路中使用的基片和堆叠封装中使用的基片。
19.用来从位于目标区域中的基片的处理表面去除金属氧化物的装置，所述装置包括具有接地电位的基电极；和邻近所述基电极和所述基片的激发电极，所述激发电极包括包含导电端阵列的绝缘 板，其中所述导电端通过导线电连接，其中部分所述阵列分成第一电连接组和第二电连接 组，其中所述第一或第二电连接组中的一个与正偏压的DC电压电源连接，所述第一或第二 电连接组中的另一个与负偏压的DC电压电源连接，且其中所述正偏压的DC电压电源和所 述负偏压的DC电压电源与能交替所述负偏压的DC电压电源和所述正偏压的DC电压电源 间的能量供给的功能控制器电连接；其中至少部分所述导电端由负偏压的DC电压电源启动以在所述目标区域内产生电 子，其中至少部分所述电子附着于目标区域中存在的至少部分还原气体，从而形成带负电 的还原气体，所述还原气体与所述处理表面接触而还原基片的处理表面上的金属氧化物；其中激发电极进一步包括内部空间和与内部空间流体连通的气体入口，其中至少部分 导电端具有与内部空间流体连通的内部通路，其中至少部分还原气体混合物通过气体入口 进入内部空间和通过内部通路进入目标区域。
20.权利要求19的装置，进一步包括补偿电极接近基片、基电极和/或激发电极。
21.还原金属氧化物并在基片中形成焊点的方法，所述基片包括层，其中所述层包括多 个焊料凸起，该方法包括提供邻近具有接地电位的基电极的基片，该基片包括层，该层包括多个焊料凸起；提供邻近基电极和基片的激发电极，其中至少部分该层和焊料凸起暴露于激发电极， 且其中基电极和激发电极及基片位于目标区域内，其中激发电极由包含突出的导电端阵列 的绝缘板限定，其中导电端通过导线电连接；使包含还原气体的气体混合物通过目标区域；通过启动负偏压的DC电压电源激发成排的导电端以在所述目标区域内产生电子，其 中至少部分电子附着于至少部分还原气体从而形成带负电的还原气体；使处理表面与带负电的还原气体接触回流焊料凸起，由此形成焊点。
全文摘要
本文描述了方法和装置，用于在至少部分基片表面上的目标区域内去除金属氧化物和/或形成焊点。在一个特定的具体实施方式
中，基片包括具有许多焊料凸起的层，所述方法和装置通过提供一个或多个激发电极并使至少部分层和焊料凸起暴露于激发电极用以实现在基片上还原金属氧化物和形成焊点。
文档编号H01L21/02GK102044418SQ20101052029
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者G·K·阿斯拉尼安, R·高希, 董春 申请人:气体产品与化学公司