KR101086149B1 - 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법 및 그 방법에 의하여 세정된 금속 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공가능한 처리용기 내에서 상부전극과 대향하여 배치되는 하부전극 상에 상기 피처리 금속을 위치시키고, 상기 상부전극과 상기 하부전극의 사이에 위치하는 가열 플레이트의 온도를 100 내지 250℃로 가열하고, 수소 가스를 유입하여 수소 분위기를 형성하고, 상기 하부전극에 주파수 10 KHz 내지 500 KHz의 범위 내로 설정된 저주파를 인가하여 금속 산화막을 제거하는 것을 포함하는 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 발전기 중 가장 가격이 저렴하고, 실 공정장치에 제작이 용이한 저주파 플라즈마를 사용하여 수소 라디칼을 발생시켜 금속을 세정하는 방법이므로, 기존 RF(Radio Frequency) 및 마이크로웨이브 등의 플라즈마 처리 공정에 비해 경제적 측면 및 효율 면에서 뛰어나며, 산화환원 반응에 기초하여 금속 산화막을 순수 금속으로 환원시킨다.

플라즈마, 세정, 저주파, 금속, 기판

Description

저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법 및 그 방법에 의하여 세정된 금속 {Method of plasma cleaning of metal surface using low frequency and the substrate cleaned by the method}

본 발명은 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법 및 그 방법에 의하여 세정된 금속에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립칩 패키징에서 사용되는 범프를 세정하기 위한 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법 및 그 방법에 의하여 세정된 금속에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북 PC, PDA 디지털 캠코더 등과 같은 각종 휴대형 전자제품들을 중심으로 소형화된 반도체의 수요가 급증함에 있어서 플립칩 기술은 초소형의 반도체 칩셋 구성과 함께 고성능 전자 제품의 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

특히 정보통신 분야에 있어서 요구되는 이동통신기기의 소형화, 고주파화, 고집적화로 인해서 기존 부품의 패키지형태는 삽입형(DIP), 표면실장형(SOP), 볼 그리드 배열 (BGA)로부터 FCBGA(Flip Chip Ball Grade Array)로 점차 발전해 나아가고 있는 실정이다.

이러한 플립칩 패키징은 다이와 기판에 금속 범프를 형성하여 접합시킴으로써 전기 신호 전달 경로를 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 금속이 가지는 산화막에 의해 접합 시 강도가 저하하고, 결함 등이 발생하며, 나아가 전자제품의 신뢰성에 영향을 끼치며, 이를 제거하는 공정이 필수적이다. 금속을 세정하는 데 있어서 사용되는 방법은 습식, 건식법으로 분류할 수 있는데, 습식세정은 화학용액을 사용하는 방법이고, 건식세정은 레이저, 플라즈마 등의 방법을 사용한다.

기존 화학용액을 사용하는 습식세정공정은 인체에 유해하고, 금속 외에 기판의 손상, 환경적 요인에 의한 문제점을 가지고 있어 사용이 제한되는 실정이며, 이에 플라즈마 세정이 많이 사용되고 있다. 가장 많이 사용되는 RF(Radio Frequency: 무선 주파수)와 마이크로웨이브를 사용한 플라즈마 세정의 경우 가격이 비싸 실제 공정 적용에 어려움을 가지고 있으며, Ar, N₂ 등의 불활성 가스를 이용하여 플라즈마 발생시 처리 후 산화막의 재생성 및 이물질 흡착 등의 문제점이 있어 전 처리 공정 적용에 어려움이 있었다.

이러한 방법 중에서 가장 가격이 저렴한 저주파수 플라즈마 경우에도 Ar, N₂, O₂ 가스를 이용한 세정 방법이 이용된 적이 있지만, 플라즈마 발생량 및 생존 시간이 짧아 효율면에서 많은 어려움을 가지고 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 화학용액을 사용하지 않으면서 비용이 저렴한 저주파 플라즈마를 이용하여 경제적, 실용적이며 효율적인 플라즈마 세정방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 화학용액을 사용하지 않으면서 비용이 저렴한 저주파 플라즈마를 이용하여 경제적, 실용적이며 효율적인 플라즈마 세정방법에 의하여 세정된 금속을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

진공가능한 처리용기 내에서 상부전극과 대향하여 배치되는 하부전극 상에 상기 피처리 금속을 위치시키고,

상기 상부전극과 상기 하부전극의 사이에 위치하는 가열 플레이트의 온도를 100 내지 250℃로 가열하고, 수소 가스를 유입하여 수소 분위기를 형성하고,

상기 하부전극에 주파수 10 KHz 내지 500 KHz의 범위 내로 설정된 저주파를 인가하여 금속 산화막을 제거하는 것을 포함하는 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법을 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

진공가능한 처리용기 내에서 상부전극과 대향하여 배치되는 하부전극 상에 상기 피처리 금속을 위치시키고, 상기 상부전극과 상기 하부전극의 사이에 위치하 는 가열 플레이트의 온도를 100 내지 250℃로 가열하고, 수소 가스를 유입하여 수소 분위기를 형성하고, 상기 하부전극에 주파수 10 KHz 내지 500 KHz의 범위 내로 설정된 저주파를 인가하여 금속 산화막을 제거하는 것을 포함하는 저주파를 이용한 플라즈마 세정방법에 의하여 세정된 금속을 제공한다.

본 발명은 플라즈마 발전기 중 가장 가격이 저렴하고, 실 공정장치에 제작이 용이한 저주파 플라즈마를 사용하여 수소 라디칼을 발생시켜 금속을 세정하는 방법이므로, 기존 RF(Radio Frequency) 및 마이크로웨이브 등의 플라즈마 처리 공정에 비해 경제적 측면 및 효율면에서 뛰어나며, 산화환원 반응에 기초하여 금속 산화막을 순수 금속으로 환원시킬 수 있다.

이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서의 플라즈마 세정장치의 주요부의 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 세정장치는 평판형 플라즈마 세정장치로서 구성되어 있고, 예컨대 알루미늄 또는 스테인레스강 등의 금속제 진공 챔버(처리용기)(10)를 갖고 있다. 챔버(10) 내의 저면에는 세라믹 등의 절연판을 통해서 예를 들어 알루미늄으로 이루어지는 하부전극(16)이 마련되어 있다. 이 하부전극(16)은 피처리 금속을 위치시키기 위한 탑재대를 겸하고 있다.

하부전극(16)의 상방에는 이 전극(16)과 평행하게 대향하여 상부전극(17)이 배치되어 있다. 이 상부전극(17)에는 샤워 헤드를 구성하기 위한 다수의 관통 구멍 또는 가스 토출구(18)가 형성되어 있다. 상부전극(17)의 배후에 마련되어 있는 가스 도입구(24)에는 처리가스 공급원(22)으로부터의 가스 공급관(24)이 접속되어 있다. 이 가스 공급관(24)의 도중에는 유량 조정기(MFC)(26) 및 개폐 밸브(28)가 마련되어 있다.

챔버(10)의 바닥부에는 배기구(31)가 마련되고, 이 배기구(31)에 배기관을 통해서 배기 장치(32)가 접속되어 있다. 배기 장치(32)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있고, 챔버(10) 내의 플라즈마 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있게 되어 있다. 챔버(10)의 측벽에는 기판 반입 출구(도시하지 않음)가 마련되어 있다.

이 플라즈마 세정장치에서는 하부전극(16)에 전기적으로 열을 공급할 수 있는 열선(21)이 내장되어 있으며, 또한 하부전극(16)의 상부에 별도로 열선이 내장된 가열 플레이트를 설치할 수 있다. 열선의 다른 한편에는 하부전극(16) 또는 가열플레이트의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(23)가 구비된다. 저주파 발전기(15)는 상부전극(17)을 통하여 저주파 전원을 챔버 내부에 전달한다. 진공펌프(25)는 챔버 내부의 압력을 진공 상태로 만드는 데에 기여한다.

본 발명은 진공가능한 처리용기 내에서 상부전극과 대향하여 배치되는 하부전극 상에 상기 피처리 금속을 위치시키고, 상기 상부전극과 상기 하부전극의 사이에 위치하는 가열 플레이트의 온도를 100 내지 250℃로 가열하고, 수소 가스를 유입하여 수소 분위기를 형성하고, 상기 하부전극에 주파수 10 KHz 내지 500 KHz의 범위 내로 설정된 저주파를 인가하여 금속 산화막을 제거하는 것을 포함하는 저주 파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법을 제공한다.

본 발명에서는 수소 라디칼이 금속 산화막과 반응하고, 수소 라디칼이 금속산화막의 산소와 결합되면서 물(H₂O)이 생성되고 금속이 세정될 수 있다. 생성된 물은 챔버 내부의 가열 플레이트와 같은 가열장치를 통하여 고온으로 가열되면서 증발된다.

저주파 발전기(15)를 통하여 DC 펄스를 생성하고 발생되는 저주파 전원은 플라즈마 세정장치에 따라 약간의 차이가 있으나, 대체로 100 내지 300W인 것이 바람직하다. 저주파 전원이 100W 미만인 경우에는 전원이 약하여 금속의 세정효과가 미미하므로 바람직하지 못하고, 300W를 초과하는 경우에는 수소 라디칼의 발생이 안정적이지 못하여 바람직하지 못하다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 저주파수 세정공정에 관한 계략도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 초기 진공(압력)에 상관없이 저진공의 조건에서 수소 라디칼 처리와 가열을 동시에 진행하는 본 발명의 세정공정을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 세정장치의 처리용기 내에 수소 가스 주입시 내부 압력은 1.0×10^-2 내지 1.0×10^-1 torr인 것이 바람직하다. 챔버 내부의 압력이 너무 낮거나 너무 높은 경우에는 수소 라디칼의 충돌에 의한 스파크가 발생하여 바람직하지 못하다.

챔버 내에서의 세정시간은 1 내지 15분인 것이 바람직하고, 3 내지 9분인 것이 더욱 바람직하다. 처리시간이 1분 미만인 경우에는 세정효과가 미미하여 바람직 하지 못하고, 15분을 초과하는 경우에는 금속 표면의 계면에서 파단 형상이 발생하여 바람직하지 못하다.

본 발명에 따른 세정을 실시하기 위해서는 가스주입구를 위쪽에 배치하고 배기구를 아래쪽으로 향하여 쇼우타입(Show type)으로 생성된 수소 라디칼이 피처리 금속을 더욱 균일하게 세정처리할 수 있다.

저주파 발전기(15)는 통상의 플라즈마 발전기 중에서 가격이 저렴하고 균일성이 우수하다. 본 발명은 이러한 저주파 발전기(LF generator)를 이용하여 DC 펄스를 생성하고, 수직형(Vertical) 챔버에 인가하여 수소 라디칼을 발생시킬 수 있다. 이때 가스 주입구를 위쪽에 배기구를 아래에 향하도록 하여 생성된 수소 라디칼이 더욱 균일하게 세정할 수 있도록 한다.

금속산화물과 수소 라디칼이 반응하게 되면 환원이 일어나게 되고, 금속표면에 잔류하는 H₂O는 가열공정에 의하여 탈착됨으로 표면에는 순수금속만 남게 된다. H₂O 탈착반응과 동시에 수소 라디칼 흡착반응이 일어나며 이로 인하여 처리 후에도 재산화가 방지되는 효과가 발생된다. 또한 본 발명의 반응에서는 수소 라디칼의 흡착반응으로 인하여 세정된 금속표면이 재산화되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면 AES를 이용하여 금속산화막(예: CuO) 두께를 측정하였을 때 소정의 온도로 가열과 동시에 수소 라디칼로 세정을 실시하였을 경우 1 내지 2nm로 산화막 두께가 가장 얇았다. 이러한 세정방법은 기존에 존재하였던 화학적 세정방법보다 수배 정도 더 얇고, ENIG 기판을 상기 공정에 적용하여 세정 후 Reflow 공정을 실시하고 접합강도를 평가하였을 때 처리 시 처리하지 않은 경우와 비교하여 접합 강도가 약 50% 이상 증가함을 볼 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하나, 본 발명이 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1

반응챔버의 상부전극과 하부전극 사이에 구리를 배치하고 대기압에서 로타리펌프를 이용하여 약 1.3 X 10^-2 torr 약 0.13Pa로 챔버 내의 압력을 조절하였다. 핫 플레이트를 가열시켜 200℃로 가열하였다. 그 후 수소 가스를 주입하여 7.19 X 10^-1 torr 약 95Pa의 압력과 수소분위기로 만든 후 저주파 발전기(LF generator)를 작동시켜 수소 라디칼 세정을 5분간 행한 후, 저주파 발전기를 끄고 수소가스 배출을 중지시킨 후 25℃까지 챔버 내에서 서냉시켰다.

비교예 1

반응챔버에 피처리 금속을 투입하였고 폴리싱으로 금속을 세정하였다. 수소가스를 투입하지 않고, 가열하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

비교예 2

반응챔버에 피처리 금속을 투입하였고, 실온(18℃)에서 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

비교예 3

반응챔버에 피처리 금속을 투입하였고, 화학물질 H₂SO₄를 투입하여 화학적 세정을 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

비교예 4

실온에서 수소가스를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.

평가 및 결과

산소 및 구리원자에 관하여 AES를 이용하여 Depth profiling을 해 본 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 폴리싱을 한 비교예 1의 경우에는 산화막이 0.07nm/s×340s = 24nm의 두께로 형성되었고, 실온에서 라디칼 처리를 한 비교예 2의 경우에는 산화막이 0.05nm/s×320s = 16nm으로 형성되었다. 화학용액(H₂SO₄)을 사용한 비교예 3의 경우 산화막은 0.35nm/min × 15min = 5nm으로 형성되었고, 150 ℃에서 라디칼 처리를 한 실시예 1의 경우에는 0.2nm/min × 6min = 1.2nm로 가장 산화막 두께가 얇았다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 처리방법에 따른 접합강도를 평가한 결과를 도시한다. 구체적으로 플립칩 공정 중 305솔더((96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu)wt%의 조성을 가지는 무연솔더) 리플로우 솔더링 공정에 적용하였을 때, ENIG 기판의 접합강도를 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 수소 라디칼 세정을 하지 않고 리플로우를 실시한 비교예 4의 경우에는 계면에 의한 파괴가 일어나 잔류 솔더 부분이 존재하지 않은 반면, 수소 라디칼 세정을 실시하고 리플로우를 실시한 실시예 1의 경우에는 시간의 흐름에 따라 계면에 잔류 솔더가 존재하였으며, 5분일 때는 잔류 솔더의 양이 가장 많았다.

실시예 1 및 비교예 4를 비교하면, 수소 라디칼 세정을 실시하지 않고 실장한 비교예 4의 경우에는 접합강도가 약 680g으로 나타났으며, 세정 후 실장한 경우(처리시간의 평균값)는 약 950g으로 접합강도가 25% 이상 상승한 것을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 접합강도 평가 후 파단면을 SEM을 통해 관찰한 사진이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수소 라디칼 세정을 실시하지 않은 비교예 4와 비교하여, 수소 라디칼 세정을 하고 처리한 실시예 1의 경우 계면에 잔류 솔더가 존재함을 알 수 있으며, 5분일 때 잔류 솔더가 가장 많은 양을 차지함을 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도 록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 세정방법에 이용되는 세정장치를 간략하게 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 세정공정에 대한 개략도를 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따라 실시된 금속표면의 산화막 두께를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따라 리플로우 공정에 적용하여 접합강도를 평가한 결과를 도시한다.

도 5는 본 발명에 따라 실시하여 얻어진 금속표면의 파단면의 SEM사진을 도시한다.

Claims (6)

1. 진공가능한 처리용기 내에서 상부전극과 대향하여 배치되는 하부전극 상에 피처리 금속을 위치시키고,

   상기 상부전극과 상기 하부전극의 사이에 위치하는 가열 플레이트의 온도를 100 내지 250℃로 가열하고, 수소 가스를 유입하여 수소 분위기를 형성하되 상기 처리용기 내에 수소 가스 주입시 내부 압력이 1.0×10^-2 내지 1.0×10^-1 torr이도록 하고,

   상기 하부전극에 인가 전원이 100 내지 300W으로 설정되고 주파수가 10 KHz 내지 500 KHz의 범위 내로 설정된 DC 펄스로 생성되는 저주파를 인가하되,

   처리가스 공급원에 가스 공급관을 통해 접속하게 되는 가스 도입구와 연결되는 가스 토출구를 위쪽으로 배치하고 배기구를 아래쪽으로 배치하는 쇼우타입(show type)으로 수소 라디칼이 생성되고,

   상기 수소 라디칼이 피처리 금속의 금속 산화막과 반응하여 수소 라디칼이 금속 산화막의 산소와 결합되면서 물(H₂O)이 생성되며,

   금속표면에 잔류하는 물의 가열공정에 의해 탈착과 수소 라디칼 흡착반응이 동시에 일어나면서 세정된 금속표면이 재산화되는 것이 방지되도록 하되,

   세정시간은 3 내지 9분인 것을 특징으로 하는 저주파를 이용한 금속표면의 플라즈마 세정방법.
2. 제1항에 따른 플라즈마 세정방법에 의하여 세정된 금속.
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