JP4806296B2

JP4806296B2 - クリーニング装置

Info

Publication number: JP4806296B2
Application number: JP2006146371A
Authority: JP
Inventors: 恭秀大野; 大佑平河; 誠末永; 達也竹内; 泰三萩原; 賀正中野
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007317908A

Description

この発明は、クリーニング装置に関し、特に例えば、はんだ材や被はんだ付け部材の表面に形成されている酸化膜を除去するクリーニング装置に関する。

この種のクリーニング装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術は、開口端を有する真空チャンバを備えている。そして、この真空チャンバの開口端は、シール材を介して、被処理物である基板に当接される。これによって、真空チャンバ内は密閉状態になる。さらに、真空チャンバ内は減圧された後、水素プラズマ雰囲気とされる。すると、水素プラズマが、基板上のはんだバンプの表面に形成されている酸化膜と反応し、これによって、当該酸化膜が還元され、除去される。なお、この従来技術によれば、基板全体を真空チャンバ内に収容する必要がないので、当該真空チャンバを極めて小さくすることができる、とされている。

特開２００４−２０７５７７号公報

このように、水素プラズマによって酸化膜を除去することは、従来から行われている。また、水素プラズマに限らず、例えば水素ガスによっても、酸化膜を除去できることが、知られている。しかしながら、水素プラズマによる除去の場合には、当該水素プラズマに含まれる荷電粒子が被処理物の表面に衝突することによって、当該被処理物の表面がダメージを受ける。そして、このダメージは、処理時間が長いほど大きくなる。一方、水素ガスによる除去の場合には、当該水素ガスによる還元力を高めるために被処理物を約４００［℃］という高温に加熱する必要があり、その分、被処理物に相当の熱的ストレスが掛かる。そして、この熱的ストレスもまた、処理時間が長いほど増大する。

そこで、この発明は被処理物に掛かるダメージや熱的ストレスを軽減するべく、従来よりも効率的に酸化膜を除去することができるクリーニング装置を提供することを、目的とする。

かかる目的を達成するために、この発明のクリーニング装置は、内部が排気される真空槽と、この真空槽内に設けられ被処理物を支持する支持手段と、当該被処理物を加熱する加熱手段と、被処理物の表面に形成されている酸化膜を還元するための還元用ガスを真空槽内に供給する還元用ガス供給手段と、支持手段に振動を与える振動付与手段と、を具備するものである。

即ち、この発明では、真空槽内に支持手段が設けられており、この支持手段によって被処理物が支持される。そして、真空槽内が排気された後、加熱手段によって被処理物が加熱され、さらに、還元用ガス供給手段によって真空槽内に還元用ガスが供給される。すると、この還元用ガスと、被処理物の表面に形成されている酸化膜と、が互いに反応し合い、これによって、当該酸化膜が還元され、除去される。また、このとき、振動付与手段によって支持手段に振動が与えられる。そして、この振動は、支持手段を介して被処理物に伝わる。この結果、被処理物が支持手段と共に振動し、当該被処理物の表面に形成されている酸化膜と還元用ガスとの反応が活性化される。また、このように被処理物が振動することで、当該被処理物の隅々にまで還元用ガスが行き届き易くなる。

なお、この発明における還元用ガスとしては、水素ガスが好適である。

また、この発明においては、還元用ガスを放電させるための放電手段をさらに設け、当該還元用ガスが放電することによって生成される粒子、つまりイオン，電子および遊離基（以下、ラジカルと言う。）を含むプラズマによって、酸化膜の還元が行われるようにしてもよい。このように還元用ガスをプラズマ化することで、当該還元用ガスによる酸化膜の還元作用がより活性化される。

さらに、この場合、プラズマに含まれるイオン，電子およびラジカルのうち、電荷を持たない中性粒子であるラジカルのみを抽出する抽出手段を設け、このラジカルのみによって酸化膜の還元が行われるようにしてもよい。つまり、荷電粒子であるイオンおよび電子を排除してもよい。このようにすれば、これらイオンおよび電子が被処理物の表面に衝突することによる当該被処理物へのダメージが抑制される。

そして、この発明における被処理物としては、例えばはんだ材や被はんだ付け部材がある。特に、はんだ材としては、はんだバンプの材料となる球状のはんだ材、いわゆるはんだボール、と呼ばれるものがある。

そしてさらに、支持手段から被処理物が落下するのを防止するための落下防止手段を設けてもよい。特に、被処理物が上述のはんだボールのように転がり易い（移動し易い）形状のものである場合には、かかる落下防止手段を設けるのが望ましい。

また、この発明における加熱手段は、被処理物の加熱温度を任意に変更可能であるのが望ましい。なお、当該加熱温度の可変範囲は、例えば常温以上かつ被処理物の融点未満が適当である。また、このような加熱手段としては、例えば抵抗加熱ヒータが好適である。

そして、この発明における振動付与手段は、振動周波数を任意に変更可能であるのが望ましい。なお、当該振動周波数の可変範囲は、例えば数十［Ｈｚ］〜数十［ｋＨｚ］程度が適当である。

さらに、振動付与手段は、振動の振幅をも任意に変更可能であるのが望ましい。このような振動付与手段としては、例えば超音波振動子等の高周波振動装置を採用することができる。

上述したように、この発明によれば、被処理物に振動が与えられるので、当該被処理物に形成されている酸化膜とこの酸化膜を還元するための還元用ガスとの反応が活性化される。また、被処理物が振動することによって、当該被処理物の隅々にまで還元用ガスが行き届き易くなる。このため、従来よりも効率的に酸化膜を除去することができ、その分、当該酸化膜の除去処理時に被処理物に掛かるダメージや熱的ストレスを軽減することができる。

この発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

この実施形態に係るクリーニング装置１０は、図１に示すように、真空槽としての箱型の金属製チャンバ１２を備えている。そして、このチャンバ１２の内部、言わば真空室内には、支持手段としての概略平板状の支持台１４が、その上面を水平方向に沿わせた状態で、配置されている。さらに、支持台１４の上面には、その周縁に沿って、落下防止手段としての壁１６が設けられている。そして、この壁１６の内側と支持台１４の上面とで囲まれた凹状の空間に、被処理物としての多数のはんだボール１８，１８，…が収容される。なお、壁１６は、支持台１４の上面から上方に向かって真っ直ぐに延伸しており、その高さ寸法は、被処理物１８，１８，…全体の高さ寸法（積載高さ）よりも大きめとされている。

また、支持台１４には、加熱手段としての抵抗加熱ヒータ２０が内蔵されている。この抵抗加熱ヒータ２０は、チャンバ１２の外部に設けられている図示しないヒータ加熱用電源装置からヒータ加熱用電力が供給されることによって発熱し、この発熱エネルギによって、支持台１４上の被処理物１８，１８，…を加熱する。なお、この抵抗加熱ヒータ２０による被処理物１８，１８，…の加熱温度は、ヒータ加熱用電力の調整により、常温以上かつ被処理物１８，１８，…の融点未満の範囲、例えば約１５［℃］〜約１８０［℃］の範囲で、任意に制御可能とされている。

さらに、図には示さないが、支持台１４には、抵抗加熱ヒータ２０の他に、冷却手段としての水冷式の冷却装置も、設けられている。この冷却装置は、抵抗加熱ヒータ２０に上述のヒータ加熱用電力が供給されているとき、つまり通電されているときには、支持台１４に対して非接触状態にある。そして、抵抗加熱ヒータ２０への通電が絶たれ、被処理物１８，１８，…を冷却する必要性が生じると、冷却装置は、支持台１２の下面全体に接触して、当該支持台１２と共に被処理物１８，１８，…を冷却する。このように加熱手段としての抵抗加熱ヒータ２０と冷却手段としての冷却装置とが併設されることで、より正確かつ迅速な被処理物１８，１８，…の温度制御が可能となる。

そしてさらに、支持台１４の下面の略中央部分に、振動伝達手段としての連結棒２２の一端（上端）が、結合されている。そして、この連結棒２２の他端（下端）は、チャンバ１２の底壁の略中央部分を貫通して、当該チャンバ１２の外部に設けられている振動付与手段としての超音波振動子２４に結合されている。

超音波振動子２４は、図示しない振動子用電源装置から振動子用駆動電力が供給されることによって、連結棒２２に対して垂直方向に沿う振動を与える。そして、この連結棒２２に与えられた振動は、当該連結棒２２を介して支持台１４に伝達される。これによって、支持台１４は、矢印２６で示されるように、垂直方向に沿って振動する。そして、このように支持台１４が振動することに伴って、当該支持台１４上の被処理物１８，１８，…も併せて振動する。

なお、超音波振動子２４の振動周波数は、上述の振動子用駆動電力の調整により、例えば数十［Ｈｚ］〜数十［ｋＨｚ］の範囲内、好ましくは１００［Ｈｚ］〜１０［ｋＨｚ］の範囲内、より好ましくは１［ｋＨｚ］〜５［ｋＨｚ］の範囲内で、任意に制御可能とされている。そして、当該超音波振動子２４による支持台１４の振動幅（ストローク）もまた、振動子用駆動電力の調整により、任意に制御可能とされている。さらに、連結棒２２とチャンバ１２の底壁との間（結合部分）には、当該連結棒２２が振動することによる衝撃を緩和するための緩衝手段としてのベローズ２８が、設けられている。

また、チャンバ１２の壁部の適宜位置、例えば底壁の中央よりも少し外方の位置に、排気口３０が設けられている。そして、この排気口３０には、排気管３２を介して、チャンバ１２の外部に設けられている排気手段としての真空ポンプ３４が結合されている。なお、真空ポンプ３４としては、例えばメカニカルブースタポンプとロータリポンプとを組み合わせたものが採用される。

さらに、チャンバ１２内における支持台１４よりも上方の位置に、抽出手段としての遮蔽板３６が設けられている。この遮蔽板３６は、いわゆる金網であり、チャンバ１２内を上下に２分するように水平方向に沿って設けられている。そして、チャンバ１２内のうちこの遮蔽板３６よりも上方の空間３８は、プラズマ発光室とされており、下方の空間４０は、処理室とされている。なお、通常は、プラズマ発光室３８の方が処理室４０よりも小さめに形成されるが、これに限定されなくてもよい。また、図には示さないが、遮蔽板３６は、チャンバ１２の壁部と共に、基準電位としての接地電位に接続されている。

そしてさらに、プラズマ発光室３８内に還元用ガスとしての水素（Ｈ_２）ガスを導入するべく、当該プラズマ発光室３８の壁部を構成するチャンバ１２の側壁の適宜位置に、ガス導入管４２が結合されている。そして、このガス導入管４２は、チャンバ１２の外部において、当該ガス導入管４２と共に還元用ガス供給手段を構成する水素ガス源４４に結合されている。なお、図には示さないが、水素ガス源４４は、プラズマ発光室３８内への水素ガスの供給量（流量）を制御するための流量制御装置を備えている。

さらにまた、プラズマ発光室３８の壁部を構成するチャンバ１２の上壁の特定部分、具体的には支持台１４の上面に対向する部分に、石英製のマイクロ波導入窓４６が設けられている。そして、このマイクロ波導入窓４６の上方には、当該マイクロ波導入窓４６を出力端とする導波管４８が、水平方向に沿って延伸するように設けられており、この導波管４８の入力端には、当該導波管４８およびマイクロ波導入窓４６と共に放電手段を構成するマイクロ発生器５０が結合されている。

このように構成されたクリーニング装置１０によれば、被処理物１８，１８，…の表面に形成されている酸化膜ＭＯ（Ｍ；金属＝被処理物１８，１８，…の元素、Ｏ；酸素）を、次のような要領で除去することができる。

即ち、上述の如く支持台１４上に被処理物１８，１８，…が設置された状態で、まず、真空ポンプ３４によって、チャンバ１２内が１［Ｐａ］〜２［Ｐａ］程度の高真空状態に排気される。

続いて、マイクロ波発生器５０が起動される。すると、マイクロ波発生器５０は、周波数が２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波を発生する。このマイクロ波は、矢印５２で示されるように、導波管４８内を介してマイクロ波導入窓４６側に向かって伝播し、さらに当該マイクロ波導入窓４６の上面（表面）に沿って伝播しつつ、マイクロ波導入窓４６を透過してプラズマ発光室３８内に導入される。

これと同時に、プラズマ発光室３８内には、矢印５４で示されるように、水素ガス源４４からガス導入管４２を介して水素ガスが導入される。このプラズマ発光室３８内に導入された水素ガスの粒子は、上述の如くマイクロ波導入窓４６を介して当該プラズマ発光室３８内に導入されたマイクロ波のエネルギを受けて放電する。これによって、プラズマ発光室３８内に、水素プラズマが発生する。

プラズマ発光室３８内に発生した水素プラズマは、水素イオンＨ^＋，電子ｅ⁻および水素ラジカルＨ^＊を含むが、このうち、荷電粒子である水素イオンＨ^＋および電子ｅ⁻は、遮蔽板３６を介して接地電位に流れ、言わば排除される。そして、電荷を持たない中性粒子である水素ラジカルＨ^＊のみが、遮蔽板３６をすり抜けて、プラズマ発光室３８内から処理室４０内へと導かれる。なお、このときのプラズマ発光室３８および処理室４０を含むチャンバ１２内の圧力は、例えば１０［Ｐａ］〜１５０［Ｐａ］程度に調整される。

処理室４０内においては、抵抗加熱ヒータ２０によって、支持台１４上の被処理物１８，１８，…が適当な温度、例えば当該被処理物１８，１８，…の融点よりも少し低い１８０［℃］くらいの温度、に加熱される。すると、この被処理物１８，１８，…の表面に形成されている酸化膜ＭＯと、上述の如く遮蔽板３６を介して処理室４０内に導かれた水素ラジカルＨ^＊と、が互いに反応し合い、これによって、当該酸化膜ＭＯが還元され、除去される。なお、この酸化膜ＭＯと水素ラジカルＨ^＊との反応は、次の式１で表される。

《式１》
ＭＯ＋Ｈ^＊→Ｍ＋Ｈ_２Ｏ

また、このとき、超音波振動子２４によって、連結棒２２および支持台１４を介して、被処理物１８，１８，…に振動が与えられる。すると、被処理物１８，１８，…の表面に形成されている酸化膜ＭＯと上述の水素ラジカルＨ^＊との反応が、活性化される。さらに、被処理物１８，１８，…の隅々にわたって、水素ラジカルＨ^＊が行き届き易くなる。この結果、当該水素ラジカルＨ^＊による酸化膜ＭＯの除去作用が、より効率的になる。

そして、酸化膜ＭＯが十分に除去された後、マイクロ波発生器５０，水素ガス源４４，抵抗加熱ヒータ２０および超音波振動子２４の動作が停止されると共に、真空ポンプ３４によってチャンバ１２内の圧力が徐々に大気圧に戻される。併せて、上述した冷却装置によって、被処理物１８，１８，…の温度が常温に戻された後、一定の安定化期間を経て、チャンバ１２内から当該被処理物１８，１８，…が取り出される。これで、一連のクリーニング処理が終了する。

以上のように、この実施形態のクリーニング装置１０によれば、被処理物１８，１８，…に振動が与えられることで、当該被処理物１８，１８，…の表面に形成されている酸化膜ＭＯと水素ラジカルＨ^＊との反応が活性化される。また、被処理物１８，１８，…の表面の隅々にまで水素ラジカルＨ^＊が行き届き易くなる。従って、従来よりも効率よく酸化膜ＭＯを除去することができ、当該酸化膜ＭＯのクリーニング処理時に被処理物１８，１８，…に掛かるダメージや熱的ストレスが軽減される。

また、この実施形態では、中性粒子である水素ラジカルＨ^＊のみによって酸化膜ＭＯが還元され、荷電粒子である水素イオンＨ^＋および電子ｅ⁻は排除される。従って、これら荷電粒子である水素イオンＨ^＋および電子ｅ⁻が被処理物１８，１８，…の表面に衝突することによる当該被処理物１８，１８，…へのダメージが抑制される。

なお、この実施形態においては、被処理物１８，１８，…を含む支持台１４を垂直方向に沿って振動させることとしたが、これに限らない。例えば、当該支持台１４を水平方向に沿って振動させてもよいし、或いは、図２に矢印１００および１００で示すように、言わばローリング的に振動させ、つまり揺動させてもよい。

さらに、１回のクリーニング処理中に、支持台１４の振動方向や振動周波数、振動幅等を変えることによって、水素ラジカルＨ^＊による酸化膜ＭＯの還元反応に変化（インパクト）を与えてもよい。また、各被処理物１８，１８，…に対するクリーニング処理の均一化を図るために、例えば連結棒２２を軸として支持台１４を回転させてもよい。

そして、超音波振動子２４については、これをチャンバ１２の外部に設けたが、チャンバ１２内に設けてもよく、極端には、支持台１４に内蔵させてもよい。また、超音波振動子２４以外の高周波振動装置（特に圧電素子を備えるもの）を、振動付与手段として採用してもよい。

さらにまた、支持台１４上から被処理物１８，１８，…が落下するのを防止するべく、落下防止手段として、上述の壁１６を設けたが、これに限らない。例えば、支持台１４の上面に凹状の窪みを設けたり、或いは当該支持台１４の上面に凹状の容器を固定したりすることで、落下防止手段を構成してもよい。

そして、加熱手段として抵抗加熱ヒータ２０を用いたが、これに代えて、熱輻射ランプ等の別の手段を用いてもよい。併せて、上述した冷却装置については、これを必要としない場合には省いてもよい。

さらに、この実施形態においては、マイクロ波によって、還元用ガスとしての水素ガスをプラズマ化したが、これに限らない。例えば、周波数が１３．５６［ＭＨｚ］の高周波によって、当該水素ガスをプラズマ化してもよい。

そしてさらに、被処理物１８，１８，…として、はんだボールを例に挙げたが、これに限らない。例えば、はんだボール以外のはんだ材についても、被処理物１８，１８，…として適用することができる。また、はんだ材以外の部材、例えば電極部品等の被はんだ付け部材やその他の金属部材についても、被処理物１８，１８，…として適用することができる。ただし、被処理物１８，１８，…の形状や寸法，種類，特性等に応じて、加熱手段による加熱温度、或いは振動付与手段による振動周波数や振幅等を、適宜調整するのが肝要である。

また、還元用ガスとして、水素ガスを採用したが、これに限らない。例えば、水素ガスとアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスとの混合ガス、或いは当該水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを、採用してもよい。また、蟻酸等の有機酸ガスを採用してもよい。さらに、一酸化炭素（ＣＯ）等の炭素系ガスを採用してもよい。ただし、この場合は、クリーニング処理に影響を及ぼすような不要な化合物が生成されないよう、注意する必要がある。

さらに、還元用ガスについては、これをプラズマ化しなくてもよい。ただし、この場合、当該還元用ガスによる還元力を向上させるべく、被処理物１８，１８，…をさらに高温に加熱する必要がある。

以上、この実施形態で説明した内容は、飽くまでこの発明を実現するための一例であり、この発明を限定するものではない。

この発明の一実施形態の概略構成を示す図である。同実施形態の別の例を示す図である。

符号の説明

１０クリーニング装置
１２チャンバ
１４支持台
１８被処理物
２０抵抗加熱ヒータ
２４超音波振動子
３４真空ポンプ
４４水素ガス源

Claims

内部が排気される真空槽と、
上記真空槽の内部に設けられ被処理物を支持する支持手段と、
上記被処理物を加熱する加熱手段と、
上記被処理物の表面に形成されている酸化膜を還元するための還元用ガスを上記真空槽の内部に供給する還元用ガス供給手段と、
上記支持手段に振動を付与する振動付与手段と、
を具備し、
上記被処理物ははんだ材または被はんだ付け部材である、
クリーニング装置。
内部が排気される真空槽と、
上記真空槽の内部に設けられ被処理物を支持する支持手段と、
上記被処理物を加熱する加熱手段と、
上記被処理物の表面に形成されている酸化膜を還元するための還元用ガスを上記真空槽の内部に供給する還元用ガス供給手段と、
上記支持手段に振動を付与する振動付与手段と、
上記支持手段から上記被処理物が落下するのを防止する落下防止手段と、
を具備する、クリーニング装置。
上記還元用ガスは水素ガスである、請求項１または２に記載のクリーニング装置。
上記還元用ガスを放電させる放電手段をさらに備え、
上記還元用ガスが放電することによって生成される粒子により上記酸化膜の還元が行われる、
請求項１ないし３のいずれかに記載のクリーニング装置。
上記粒子のうち遊離基を抽出する抽出手段をさらに備え、
上記抽出手段によって抽出された上記遊離基により上記酸化膜の還元が行われる、
請求項４に記載のクリーニング装置。
上記加熱手段は上記被処理物の加熱温度を任意に変更可能である、請求項１ないし５のいずれかに記載のクリーニング装置。
上記振動付与手段は上記振動の周波数を任意に変更可能である、請求項１ないし６のいずれかに記載のクリーニング装置。
上記振動付与手段は上記振動の振幅を任意に変更可能である、請求項１ないし７のいずれかに記載のクリーニング装置。