專利名稱：通過涉及電子附著的無助焊劑方法去除表面氧化物的裝置和方法
通過涉及電子附著的無助焊劑方法去除表面氧化物的裝置和方法

相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求以下美國臨時申請?zhí)柕膬?yōu)先權(quán)2011年8月3日提交的61/514，615 ;和2011年11月23日提交的61/563，112。本申請是2012年2月2日提交的美國申請?zhí)?3/364, 925的繼續(xù)申請，該申請要求2011年2月9日提交的美國臨時申請?zhí)?1/441，053的優(yōu)先權(quán)。所有上述申請通過全文引用并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及用于去除表面氧化物的無助焊劑工藝。更特別的，本發(fā)明涉及一種包括上述工藝的裝置和方法，其用于在環(huán)境(如非真空)壓力下涉及電子附著和場發(fā)射的無助 焊劑回流和釬焊。在電子部件裝配中，回流和釬焊對于制造焊接點(diǎn)是重要的工藝步驟。本文使用的術(shù)語“回流”是指利用能源如熱能后使預(yù)先涂覆在基片上的焊料熔化并流動的工藝。本文使用的術(shù)語“釬焊”是指讓熔化的焊料連接至少兩個金屬基片的工藝。電子設(shè)備裝配中，會使用許多不同的回流和釬焊工藝，例如但不限于，用于晶片凸點(diǎn)形成(wafer bumping)的焊料凸點(diǎn)回流，用于表面安裝電子部件的裝配中的回流釬焊，和用于插入安裝部件的裝配中的波動釬焊?；亓麾F焊是一種用于表面安裝部件的外部引線接合的工藝，其中將具有在適當(dāng)位置的引線的芯片傳遞給下一級表面安裝封裝?；亓麾F焊工藝中，部件安裝在電路板的相應(yīng)痕跡區(qū)域上，電路板上預(yù)先印制焊膏。這樣形成的釬焊零件隨后放入回流爐中，并通過加熱區(qū)和冷卻區(qū)。焊膏經(jīng)過熔化、潤濕和凝固，形成電路板上部件引線和焊區(qū)之間的焊接點(diǎn)。為確保連接表面上熔融焊料良好的潤濕性，焊膏中通常含有有機(jī)助焊劑，用來去除焊料和基底金屬二者的最初表面氧化物，并保持凝固前表面處于清潔狀態(tài)。助焊劑大部分在釬焊時蒸發(fā)為氣相；但是，助焊劑的揮發(fā)物會引發(fā)一些問題，如在焊接點(diǎn)中形成氣孔和污染回流爐。釬焊后，助焊劑殘余物仍留在電路板上，會引起腐蝕和短路。波動釬焊也用于外部引線接合，如用于裝配傳統(tǒng)插入安裝部件。它也可以通過在釬焊前用粘合劑將部件臨時接合在電路板上而用于表面安裝部件。對于這兩種情況，具有插入或臨時接合的部件的電路板，都必須使用液態(tài)助焊劑清潔，以去除部件引線和焊區(qū)上的氧化物，而后通過高溫熔融的焊料浴。熔融焊料自動潤濕待釬焊的金屬表面，由此形成焊接點(diǎn)。浴中的熔融焊料極易被氧化，形成焊料渣。因此，焊料浴表面必須經(jīng)常通過機(jī)械除渣來清潔，這增加操作成本和焊料消耗。釬焊后，助焊劑殘余物留在電路板上，帶來本文對回流釬焊所述的同樣的問題。晶片凸點(diǎn)形成是在芯片接合焊盤(pad)上制造用于內(nèi)部引線接合的厚金屬凸點(diǎn)的工藝。凸點(diǎn)通常是通過在焊盤上沉積焊料而形成，然后回流(本文指第一次回流)以進(jìn)行合金化，并改變焊料凸點(diǎn)形狀，將其從蘑菇形變?yōu)榘肭蛐?。將具有第一次回流凸點(diǎn)的芯片“倒裝”以對應(yīng)基片上焊料可潤濕端子的印跡，然后進(jìn)行第二次回流以形成焊接點(diǎn)。這些焊接點(diǎn)在本文中指內(nèi)部引線接合。高熔點(diǎn)焊料(如> 300°C)通常用在晶片凸點(diǎn)形成工藝中，這是因?yàn)槠涫沟媒酉聛淼难b配步驟，如外部引線接合，得以使用低熔點(diǎn)焊料(如< 230°C)進(jìn)行，而不破壞內(nèi)部引線接合。第一次回流后的焊料凸點(diǎn)形狀是關(guān)鍵的。例如，優(yōu)選凸點(diǎn)高度大，以便更好的接合和更高的抗疲勞性。此外，形成的凸點(diǎn)應(yīng)優(yōu)選基本一致以確保平面性?；疽恢碌木哂邢鄬^大凸點(diǎn)高度的焊料凸點(diǎn)，被認(rèn)為與在第一次回流期間無氧化物的凸點(diǎn)表面有關(guān)。在第一次回流期間去除形成焊料凸點(diǎn)的晶片的焊料氧化物的一種方式是在沉積的焊料凸點(diǎn)上或在已經(jīng)印制在晶片上形成凸點(diǎn)的焊膏混合物中施加有機(jī)助焊劑，然后在惰性環(huán)境中將凸點(diǎn)回流，因此，助焊劑可有效去除焊料表面上最初的氧化物。但這種方式有它的缺點(diǎn)。由于助焊劑的分解，在釬焊凸點(diǎn)內(nèi)會形成小氣孔。這些氣孔不僅會降低形成的焊接點(diǎn)的電性能和機(jī)械性能，而且會破壞形成焊料凸點(diǎn)的晶片的共平面性，影響接下來的芯片接合過程。分解的助焊劑揮發(fā)物還會污染回流爐，這可增加維護(hù)成本。另外，助焊劑殘余物經(jīng)常遺留在晶片上，這可引起腐蝕并降低組裝件性能。
為從上述回流和釬焊工藝去除助焊劑殘余物，可采用使用含氯氟烴(CFC)作為清潔劑的后清潔工藝。但是，后清潔增加了額外的工藝步驟，并增加了制造加工時間。此外，由于對地球的保護(hù)性臭氧層的潛在破壞，含氯氟烴(CFC)用作清潔劑是禁止的。盡管已經(jīng)開發(fā)了通過使用少量活化劑降低殘余物的免清潔助焊劑，但在助焊劑的殘余物量和助焊劑的活性的損益之間有折衷。對于全部上述問題，包括氣孔形成、助焊劑揮發(fā)物、助焊劑殘余物及渣形成，一種好的解決方式是代替有機(jī)助焊劑使用還原氣體作為回流和釬焊環(huán)境，用于去除金屬氧化物。這種回流和釬焊技術(shù)被稱為“無助焊劑回流”和“無助焊劑釬焊”。在各種無助焊劑回流和釬焊方法中，使用氫氣作為活性氣體來降低基底金屬和焊料上的氧化物尤其引人注意，因?yàn)檫@是一種非常潔凈的工藝(唯一的副產(chǎn)品是水，可以很容易將其通風(fēng)出爐)，并且可與開放和連續(xù)的釬焊生產(chǎn)線兼容(H2無毒并且具有4-75%的可燃范圍)。因此，氫氣無助焊劑釬焊很長一段時間都是技術(shù)目標(biāo)。一種先前使用的用于內(nèi)部引線接合的氫氣無助焊劑方法，已經(jīng)采用純氫氣在400-450°C范圍的溫度下回流形成焊料凸點(diǎn)的晶片。但是，純氫氣的可燃性質(zhì)大大限制了其應(yīng)用。對于用在外部引線接合中的釬焊過程，如回流釬焊和波動釬焊，使用氫氣減少表面氧化物的主要局限是，在正常加工溫度范圍內(nèi)(< 250°C )，金屬氧化物去除效率低、速度慢，尤其對于焊料氧化物，其具有比待釬焊的基底金屬上的氧化物更高的金屬-氧結(jié)合強(qiáng)度。這種氫氣的低效率歸因于低溫下氫氣分子缺乏活性。諸如單原子氫的高活性基團(tuán)，是在比普通回流釬焊和波動釬焊溫度范圍高得多的溫度下形成的。例如，純H2去除錫基焊料上的氧化錫的有效溫度范圍高于350°C。這樣的高溫可能對封裝的電子部件造成損害或引起可靠性問題。因此，工業(yè)上尋找一種催化方法，以幫助生成高活性H2基團(tuán)，從而降低了去除表面氧化物的氫濃度和加工溫度的有效范圍。無助焊劑(干法)釬焊在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)使用數(shù)種技術(shù)進(jìn)行。一種技術(shù)是采用激光將金屬氧化物熔化或加熱到其蒸發(fā)溫度。這種工藝典型地在惰性或還原性氣氛中進(jìn)行，防止被排放的污染物重新氧化。但是，氧化物和基底金屬的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)可能相似，且可能并不希望熔化或蒸發(fā)基底金屬。因此，這種激光工藝難以實(shí)施。激光一般操作成本昂貴、效率低，并且需要對氧化物層的直接視線。這些因素限制了激光技術(shù)對大部分釬焊應(yīng)用的有效性。表面氧化物可通過在升高的溫度下暴露于活性氣體(如H2)中以化學(xué)方法還原(如生成H20)。一般使用惰性載體(如N2)中含有5%或更高的還原氣體的混合物。反應(yīng)產(chǎn)物(如H2O)隨后在升高的溫度下通過解吸作用從表面排放，并被氣流場帶走。一般的工藝溫度超過350°C。但是，該工藝即使在升高的溫度下也速度慢、效率低。還原過程的速度和效率可通過使用活性更好的還原物類提高。這樣的還原物類可以使用傳統(tǒng)等離子體技術(shù)制造。音頻、射頻或微波頻率的氣體等離子體可用來制造用于表面脫氧的活性基團(tuán)。這
種工藝中，高強(qiáng)度電磁輻射用來離子化并離解H2、O2、SF6或其它物類，包括含氟化合物，形成
高活性基團(tuán)。表面處理可在低于300°C的溫度下進(jìn)行。但是，為獲得等離子體形成的最優(yōu)
條件，這種工藝通常在真空條件下進(jìn)行。真空操作需要昂貴的設(shè)備，并且必須作為緩慢的分
批工藝進(jìn)行，而不是較快速的連續(xù)工藝。此外，等離子體在加工室中通常廣泛地散布，并很
難對準(zhǔn)特定區(qū)域。因此，活性物類無法在該工藝中有效利用。等離子體通過濺射過程還會
損害加工室，并可造成電介質(zhì)表面空間電荷的累積，導(dǎo)致可能的微型電路損壞。微波本身也
會引起微型電路損壞，并且基片或部件溫度在處理中可能難于控制。等離子體還會釋放潛
在危險的紫外線。該工藝還需要昂貴的電子設(shè)備，并消耗大量電力，因此降低了其總成本效.、
Mo美國專利5409543號公開了一種制造活性氫物類(即原子氫)的工藝，它在真空條件下使用熱燈絲將分子氫熱離解。經(jīng)供能的氫化學(xué)還原基片表面。熱燈絲的溫度范圍可為50(TC-220(TC。電偏壓柵極(electrically biased grid)用來偏移或捕捉熱燈絲發(fā)射的過量自由電子。活性物類或原子氫在惰性載體氣體中由含有2%-100%氫的混合物制成。美國專利6203637號公開了一種利用熱電子陰極的放電激活氫的工藝。熱電子陰極發(fā)射的電子引起氣相放電，其產(chǎn)生了活性物類。發(fā)射過程在含有加熱燈絲的獨(dú)立室或遠(yuǎn)程室中進(jìn)行。離子和活化的中性粒子(neutral)流入處理室，以化學(xué)還原氧化的金屬表面。但是，這種熱陰極工藝需要真空條件用于最優(yōu)的有效性和燈絲壽命。真空操作需要昂貴的設(shè)備，該設(shè)備必須并入釬焊傳送帶系統(tǒng)，因此降低了總成本效益。Potier 等的 “Fluxless Soldering Under Activated Atmosphere at AmbientPressure (環(huán)境壓力下活性氣氛中的無助焊劑釬焊)”，Surface Mount InternationalConference (表面安裝國際會議)，1995年，加州圣何塞，以及美國專利6146503、6089445、6021940、6007637、5941448、5858312和5722581號描述了使用放電制造活性H2 (或其它還原氣體，如CH4或NH3)的工藝。所述還原氣體在惰性載體氣體(N2)中通常以“百分比水平”表示。所述放電利用“幾千伏”交流電壓源產(chǎn)生。遠(yuǎn)程室中電極發(fā)射的電子產(chǎn)生激發(fā)物類或不穩(wěn)定物類，基本上不含帶電物類，而后流向基片。由此產(chǎn)生的工藝在接近150°C的溫度還原待釬焊基底金屬上的氧化物。但是，該遠(yuǎn)程放電室需要非常高的設(shè)備成本，且不易于改裝至現(xiàn)有的釬焊傳送帶系統(tǒng)。此外，這些工藝通常用于在釬焊前對金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，而不是去除焊料氧化物。美國專利5433820號描述了一種表面處理工藝，其利用大氣壓下來自高電壓(lkV-50kV)電極的放電或等離子體。電極接近基片放置而不是在遠(yuǎn)程室中。電極發(fā)射的自由電子產(chǎn)生的活性氫基團(tuán)-含有原子氫的等離子體-其隨后穿過置于氧化基片上的介電屏蔽中的開口。介電屏蔽將活性氫聚集到需要脫氧的特定表面位置。但是，這種介電屏蔽會累積表面電荷，這可能改變電場并抑制精確工藝控制。所述工藝僅用于熔化(flux)基底金屬表面。因此，本領(lǐng)域中的一個問題是，提供一種經(jīng)濟(jì)、有效的工藝，用于在相對低溫下從至少一個部件和/或焊料表面去除金屬氧化物，以避免損害電子部件。本領(lǐng)域中的一個問題是，提供用于在接近環(huán)境壓力或大氣壓條件下無助焊劑釬焊的工藝和設(shè)備，其避免購置和維護(hù)真空設(shè)備的花費(fèi)，所述設(shè)備例如基于等離子體的工藝和設(shè)備所需要的。在提供用于基片內(nèi)部或非暴露表面的無助焊劑釬焊工藝和裝置中存在問題。此外，本領(lǐng)域中存在的另外的問題是，提供不涉及一種或多種可燃?xì)怏w的無助焊劑釬焊工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供用于從至少一個部件和/或焊料表面去除金屬氧化物的方法和裝置來解決一些(若非全部)現(xiàn)有技術(shù)問題，所述方法和裝置不需助焊劑、昂貴的真空設(shè)備和/或可燃?xì)怏w環(huán)境。一方面，提供了一種通過電子附著在環(huán)境壓力或非真空壓力氣氛中·發(fā)射電子從而去除部件表面金屬氧化物的裝置，所述部件包括選自焊料、金屬及其組合中的至少一種，該裝置包括場發(fā)射裝置，其包括陰極，具有一個或多個突起，并包括傳導(dǎo)材料，其中該材料的逸出功范圍為2-5 eV ;介電材料，其圍繞至少一部分陰極；和包括傳導(dǎo)材料的陽極，其圍繞至少一部分介電材料，其中，陰極和陽極各自連接電壓源，和其中陰極和陽極之間的介電材料被極化，因此限制電場分布并增強(qiáng)陰極的一個或多個突起附近的電場強(qiáng)度，從而從陰極發(fā)射電子。在這個或其它實(shí)施方案中，至少一部分電子由場發(fā)射、熱-場發(fā)射或它們的組合產(chǎn)生。由于通過介電材料分隔的陰極和陽極也可認(rèn)為是電容器，和兩個電極接觸的介電材料的厚度可在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中薄到使得陰極可累積更多電子。相信陰極電子累積的增大促進(jìn)它在給定電壓供應(yīng)下的場發(fā)射。另一方面，提供用于去除部件的至少一個表面上的金屬氧化物的裝置，所述部件包括在其上的焊料和金屬氧化物，該裝置包括場發(fā)射裝置，其包括陰極，具有一個或多個具有成角度邊緣或大曲率表面的突起，并包括傳導(dǎo)材料，其中該材料的逸出功范圍為2-5eV ;介電材料,其圍繞至少一部分陰極；和包括傳導(dǎo)材料的陽極，其圍繞至少一部分介電材料，其中，陰極和陽極各自連接電壓源，和其中，陰極和陽極之間的介電材料被極化，因此增強(qiáng)電場強(qiáng)度并在陰極的一個或多個突起累積電子，從而從陰極產(chǎn)生電子；還原氣體，其中電子附著于至少一部分還原氣體以形成原子陰離子；和傳導(dǎo)表面，其電勢比陽極更正性，其中部件設(shè)置于傳導(dǎo)表面上，其中原子陰離子接觸部件的至少一個表面并除去至少一部分金屬氧化物。在其它方面，本文描述的場發(fā)射裝置可用于需要在環(huán)境或非真空氣氛中形成自由電子的其它應(yīng)用，包括但不限于通過電子附著去除灰塵或雜質(zhì)的氣體凈化、靜電噴涂和涂布。本發(fā)明還可用于活化不同于還原氣體的氣體，用于不同于去除金屬氧化物的應(yīng)用或除了去除金屬氧化物之外的應(yīng)用。例如，本發(fā)明的裝置還可用于表面清潔、表面氧化、刻蝕、沉積和涉及氣體和固體界面反應(yīng)的其它應(yīng)用。
通過以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它方面將變得顯而易見。附圖
簡述
圖I提供本文所述場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案的一個實(shí)例和測試布置(arrangement)；
圖2提供本文所述的場發(fā)射裝置一個實(shí)施方案的一個實(shí)例，其中場發(fā)射器包括具有多個針的陰極。圖3提供所述場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案的另一實(shí)例和用于觀察樣品上金屬氧化物還原的測試布置。圖4提供本文所述場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案的另一實(shí)例。圖5提供本文所述場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案的一個實(shí)例，用于處理非暴露和非接地的釬焊表面。圖6提供本文所述場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案的一個實(shí)例，其中場發(fā)射器包括具有尖緣的陰極。發(fā)明詳述
本文公開了通過暴露于還原氣體的帶負(fù)電的原子離子，去除部件至少一個表面上的金屬氧化物的方法和裝置，所述部件包括選自焊料、金屬和其組合中的至少一種，所述原子離·子通過電子附著工藝形成。在某些實(shí)施方案中，暴露可在回流和釬焊過程之前和/或期間發(fā)生。還原氣體的帶負(fù)電的原子離子與部件的至少一個表面上的金屬氧化物反應(yīng)并將其還原。本文所述的方法和裝置可通過修改傳統(tǒng)回流和釬焊設(shè)備而使用，所述設(shè)備如用于內(nèi)部引線接合的回流機(jī)和用于外部引線接合的回流釬焊機(jī)或波動釬焊機(jī)。本文所述的方法和裝置還可用于其中期望去除表面金屬氧化物的其它工藝，比如，但不局限于，金屬電鍍(即，釬焊電鍍部分印刷電路板或金屬表面，使其更適合隨后的釬焊)、表面清潔、銅焊、焊接和去除金屬表面氧化物，如硅晶片加工過程中產(chǎn)生的氧化銅。使用本發(fā)明的方法和裝置去除金屬氧化物，同樣適用于前述工藝或其它任何渴望去除氧化物而無需有機(jī)助焊劑、昂貴的真空設(shè)備(如基于等離子體的工藝)和/或可燃?xì)怏w環(huán)境的工藝。一個實(shí)施方案中，本文所述場發(fā)射裝置包括陰極，由低逸出功的導(dǎo)電材料制造，并包含一個或多個具有成角度邊緣或大曲率表面的突起，如尖端(sharp tip)、針形、指形、刃形、脊形、翼形等，其中，陰極被介電材料圍繞；介電材料，其中該介電材料圍繞至少一部分陰極；和陽極，其中陽極圍繞至少一部分介電材料，并且，其中陰極和陽極各自連接到電壓源，陰極和陽極之間的介電材料被極化，這促進(jìn)電子從陰極的發(fā)射。所公開的場發(fā)射裝置還可用于涉及需要在環(huán)境或非真空氣氛條件下形成自由電子的其它應(yīng)用，比如，但不局限于，通過電子附著去除灰塵或雜質(zhì)顆粒的氣體凈化、靜電噴涂或涂布。本文使用的術(shù)語“環(huán)境氣氛條件”指具有一定壓力范圍的氣氛，該范圍具有以下一個或多個端點(diǎn)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 或 20. Opsigo 一個特定實(shí)施方案中，環(huán)境氣氛條件范圍為14psig-20psig。一個備選實(shí)施方案中，爐氣氛加壓。本文公開的場發(fā)射裝置可尤其適用于某些實(shí)施方案，例如，包括BGA、倒裝芯片和模片固定(die attachment)組合件的表面安裝部件的無助焊劑釬焊。這些實(shí)施方案中,釬焊表面沒有完全或均勻地暴露給陰極發(fā)射器，并且不起陽極作用。本文公開的場發(fā)射裝置包括陰極和陽極，其可遞送電子并通過電子附著過程產(chǎn)生帶負(fù)電的原子離子，如氫陰離子。
本文使用的術(shù)語“部件”主要指含有某種材料的部件，所述材料如硅、涂有二氧化硅的硅、鋁-氧化鋁、砷化鎵、陶瓷、石英、銅、玻璃、環(huán)氧樹脂或任何適于用在電子設(shè)備中的材料。在某些實(shí)施方案中，部件具有置于其至少一個表面之上的焊料。示例性的焊料組合物包括，但不局限于，無助焊劑錫-銀、無助焊劑錫-銀-銅、無助焊劑錫-鉛、或無助焊劑錫-銅。但是，本發(fā)明方法適于多種不同部件和/或焊料組合物。某些優(yōu)選實(shí)施方案中，其中氧化物待去除和/或待釬焊的部件，置于接地或正偏壓基片上，并設(shè)置為緊密接近于場發(fā)射裝置。部件、基片和場發(fā)射裝置都處于同一加熱室中，該加熱室由含有還原氣體和任選的載體氣體的氣體混合物吹洗。不希望被理論束縛,但相信，當(dāng)能源如直流(DC)電壓施加到包含在場發(fā)射裝置中的兩個電極中的至少一個上(如，陰極、陽極或其組合)由此產(chǎn)生電勢時，電子由負(fù)偏壓電極產(chǎn)生，并漂移至具有待釬焊部件的接地或正偏壓基片。電子主要由陰極材料的固相產(chǎn)生。但在某些實(shí)施方案中，當(dāng)施加的電壓電平比較高(例如，高于5 eV)時，額外部分電子會從氣相產(chǎn)生。場發(fā)射裝置產(chǎn)生的一些電子會碰撞還原氣體分子，從而離解氣體分子，并通過電子附著形成還原氣體的帶負(fù)電原子離子。還原氣體的帶負(fù)電原子離子可沿電場向具有待釬焊部件的基片漂移，從而還原基底金屬和/或焊料上的已有金屬氧化物，而無需傳統(tǒng)助焊劑。 本文所述的裝置的一個實(shí)施方案中，裝置包括具有一對電極——陰極和陽極的設(shè)備或結(jié)構(gòu)。該設(shè)備在環(huán)境壓力下可有效地將電子發(fā)射出設(shè)備。如果該設(shè)備處于包含H2和N2的還原氣體環(huán)境中，通過電子附著，發(fā)射出的電子會附著在H2氣體分子上，形成帶負(fù)電的原子氫離子或氫負(fù)離子(見式I和2)。氫負(fù)離子可在較低的溫度下附著在釬焊表面以還原表面氧化物(見下式3)。射出到處理表面的或作為氧化物還原副產(chǎn)品生成的自由電子可通過各種方式放電。尚解附著H2 + e — H2* — IT + H式 I 直接附著 H + e — H* +hY 式2 氧化物還原2K + MO — M + H2O + 2e 式3。能量供應(yīng)給至少一個電極，如陰極、陽極或其組合，足夠促使電子從陰極產(chǎn)生。某些實(shí)施方案中，能量源可以是電能源，如直流(DC)電壓源。其它能量源比如，但不局限于，熱能、電磁能或光能源，也可單獨(dú)使用或組合使用。DC電壓源可以是恒壓或交流、脈沖電源。本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，陰極連接第一電壓水平的電壓源，而陽極連接第二電壓水平的電壓源。電壓水平差產(chǎn)生電勢偏壓。第一或第二電壓水平中的一個可以為0，表示陰極或陽極中任一接地。不希望被理論束縛，電子的場發(fā)射的一種建議機(jī)理可解釋如下。當(dāng)場發(fā)射裝置的陰極和陽極適當(dāng)連接一個或多個電壓源時，圍繞至少一部分陰極的介電材料(例如，絕緣材料如陶瓷管)被極化，這可限制電場分布，由此增強(qiáng)該至少一個突起的成角度邊緣或大曲率表面頂點(diǎn)附近的電場強(qiáng)度，所述突起如尖針、尖端、指形、脊形、刃形、翼形等。通過介電材料分隔的陰極和陽極也可認(rèn)為是電容器。在這點(diǎn)上，在一些實(shí)施方案中可優(yōu)選和兩個電極接觸的介電材料的厚度薄到使得陰極可累積更多電子。相信陰極電子累積的增大可促進(jìn)它在給定電壓供應(yīng)下的場發(fā)射。由于極化與介電材料的介電常數(shù)成比例，因而具有較高介電常數(shù)如1000或更高些的介電材料尤為優(yōu)選，如鈦酸鋇和其它壓電陶瓷如PZT (鋯鈦酸鉛)。施加在兩個電極上用于啟動電子發(fā)射的電壓電勢，取決于場發(fā)射器結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料和布置。本文描述的場發(fā)射器尤其利于這樣的實(shí)施方案，其涉及激活H2氣和還原非暴露或非平坦或具有金屬跡線的絕緣基片上的金屬氧化物，如，用于倒裝芯片、模片固定設(shè)備、3D堆疊芯片、表面安裝部件和通孔部件的電子組裝。這些實(shí)施方案中，處理表面不再適合起陽極作用。當(dāng)場發(fā)射裝置用來去除電絕緣基片上金屬跡線上的金屬氧化物時，可利用各種放電方式去除累積在基片上的電荷。例如，各種市售的電荷中和劑均可與本文所述的裝置和方法結(jié)合使用。備選的實(shí)例是，包含用高正電壓勢供能的尖端、尖緣、針形、指形、脊形、翼形等的電荷接收器設(shè)備，也可與本設(shè)計結(jié)合使用以去除累積電荷。某些實(shí)施方案中，本文描述的裝置用來還原在未暴露于陰極電子發(fā)射器的表面(如非暴露或內(nèi)表面)上的金屬氧化物，如用于倒裝芯片、3D堆疊芯片、模片固定的回流釬焊。這些實(shí)施方案中，可以使用各種方式直接將還原氣體的帶負(fù)電的原子離子導(dǎo)至釬焊表面。一個實(shí)施方案中，場發(fā)射裝置的陰極，如尖端、尖緣、針形、指形、脊形、刃形、翼形等，可 直接面向部件的兩個釬焊表面之間的間隙，部件可直接接地或設(shè)在接地表面上以排出電荷。備選實(shí)施方案中，電子發(fā)射可運(yùn)用于待裝配的部件上，部件可設(shè)在多孔絕緣板上，然后將該板置于導(dǎo)電板如導(dǎo)電金屬板上。多孔絕緣板使帶負(fù)電的原子離子或負(fù)離子在整個絕緣表面上散開，從而使得負(fù)離子到達(dá)部件的非暴露釬焊表面以還原金屬氧化物。多孔絕緣板還使得帶負(fù)電的原子離子經(jīng)由開孔到達(dá)設(shè)在下面的導(dǎo)電板而放電。優(yōu)選的是，置于多孔絕緣板下面的導(dǎo)電板具有比場發(fā)射裝置的陽極的電勢稍微更正性(如電壓高10V-1KV)，以幫助至少一部分帶負(fù)電的原子離子、負(fù)離子和/或電子漂移或吸引至部件的釬焊表面。這個或其它實(shí)施方案的一個實(shí)例中，多孔絕緣板可以是多孔陶瓷板，厚度為O. 5-2毫米(mm)，具有直徑為O. 1-0. 6mm、間距為l-5mm (或2-5mm)的孔。但是,可以預(yù)期其它幾何形狀也能適合，這取決于待釬焊部件的幾何形狀。作為釬焊模片固定設(shè)備的一個備選實(shí)施方案，其中模片的尺寸比待釬焊的基片的尺寸小很多，多孔絕緣板可以是具有孔徑尺寸范圍10納米(nm)-100微米(ym)的多孔板，以在將帶負(fù)電的還原氣散開至非暴露釬焊表面上獲得等價結(jié)果。如上所述，優(yōu)選的是，多孔絕緣板下的導(dǎo)電板的電勢相比場發(fā)射裝置的陽極的電勢稍微更正性(more positive)。一種簡單的獲取方式是將導(dǎo)電板電接地,使用電阻器或變阻器連接接地板和場發(fā)射裝置的陽極。接地板和陽極之間的凈電勢差通過提高施加在二者之間的電阻值而增加。但是，預(yù)期除變阻器外，也可使用其它方法，使導(dǎo)電板比場發(fā)射裝置陽極的電勢稍微更正性，以將還原氣體內(nèi)的帶負(fù)電原子離子流、負(fù)離子流和/或電子流導(dǎo)至基片的處理表面。為通過電子附著使用場發(fā)射裝置制造帶負(fù)電的原子離子，需要從陰極表面產(chǎn)生大量電子。就此而論，電子可通過純場發(fā)射或熱場發(fā)射產(chǎn)生。在這些電子產(chǎn)生方法中，方法的選擇主要取決于產(chǎn)生的電子的效率和能級。對于其中還原氣體包含氫的實(shí)施方案來說，電子具有接近4eV的能級可能為優(yōu)選。在此或其它實(shí)施方案中，至少一部分電子通過以下工藝中的一種或多種產(chǎn)生場發(fā)射、熱-場發(fā)射或其組合。此實(shí)施方案或其它實(shí)施方案中，當(dāng)陰極和陽極之間的電壓水平較高時(如兩電極之間Icm的距離高于5KV), —部分電子可通過陰極的該至少一個突起的大曲率表面附近的電暈放電產(chǎn)生。場發(fā)射是通過施加強(qiáng)電場，經(jīng)由穿過表面勢壘的通道從固體中提取電子。通常，提取電子需要高達(dá)106-107V/cm的電場。如此高的電場通常產(chǎn)生于陰極尖端的頂點(diǎn)。某些實(shí)施方案中，本文描述的場發(fā)射器采用雙電極的特殊布置并使用介電材料的極化性能來增強(qiáng)陰極突起(如尖端、針形、指形、刃形、翼形、脊形等)頂點(diǎn)或邊緣附近的電場，在陰極突起累積電子，從而降低了電子發(fā)射的初始電壓。本文所述某些優(yōu)選實(shí)施方案中，恒壓或脈沖DC電壓施加在陽極和具有大表面曲率的陰極之間，電壓范圍為
O.5-5KV。對于某些實(shí)施方案,將熱能用來輔助場發(fā)射，即所謂熱-場發(fā)射。熱-場發(fā)射中，施加電場和高溫二者。因此，相比純場發(fā)射，產(chǎn)生相同數(shù)量的電子，熱場發(fā)射需要更少的電場。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，陰極溫度范圍可為150°C-1000°C。這些實(shí)施方案中，電場范圍可為O. 1-3 KV0陰極可通過多種方法加熱至和/或維持在高溫，這些方法例如，但不局限 于，通過將能源如AC或DC電流通過陰極而直接加熱、比如將陰極表面與具有電絕緣熱表面相接觸而間接加熱，所述電絕緣熱表面通過加熱元件、IR輻射、感應(yīng)加熱、熱氣環(huán)境或其組合而加熱。本文描述的裝置的某些實(shí)施方案中，除了由場發(fā)射器的陰極場發(fā)射而產(chǎn)生的主要部分電子，一部分電子是通過在陰極所述至少一個突起的大曲率表面附近的電暈放電產(chǎn)生。電暈放電優(yōu)選最小化，以增加由電子附著形成帶負(fù)電氫離子的效率，和提高陰極尖端的壽命。更特別的，當(dāng)兩電極之間施加的電壓高于形成電暈放電的特定水平時，氣體分子被電離成帶正電離子和帶負(fù)電電子，它們會相互吸引并很快恢復(fù)成初始的原子和分子，尤其在其中氣體分子的密度大大高于真空中密度的環(huán)境壓力下，更是如此。另外，電暈中帶正電離子會沿電場漂移至陰極尖端，這不僅對處理表面的氧化物還原沒有積極效果，還會因離子轟擊降低陰極尖端的壽命。相反的，電子附著工藝中的氣相單獨(dú)充電，帶負(fù)電離子相互排斥，因此即使在環(huán)境壓力下也具有較長的壽命。電子附著工藝中產(chǎn)生的帶負(fù)電離子可導(dǎo)離陰極和朝向處理表面，從而最小化尖端的損害并促進(jìn)處理表面的氧化物還原。在上述陰極發(fā)射機(jī)制的某些優(yōu)選實(shí)施方案中，跨兩電極施加的電壓可以是恒壓或脈沖。電壓脈沖頻率范圍為0-100 kHz，優(yōu)選0-20 kHz。這些實(shí)施方案中，相信對于降低氣相擊穿或起弧的趨勢，尤其當(dāng)施加的電壓較高時，脈沖電壓優(yōu)于恒壓。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明還可用于活化不同于還原氣體的氣體，用于不同于去除金屬氧化物的應(yīng)用或除了去除金屬氧化物之外的應(yīng)用。例如，本發(fā)明的裝置還可用于表面清潔、表面氧化、刻蝕、沉積和涉及氣體和固體界面反應(yīng)的其它應(yīng)用。圖I所示為本文所述場發(fā)射裝置10的一個實(shí)施方案。具有尖端的針作為陰極20，其緊密地插入用作介電材料的絕緣管30，如，氧化鋁管。金屬絲40旋繞管，用作陽極。陰極針20和陽極絲40與電壓源60和接地源50電連接。當(dāng)陰極針和陽極金屬絲適當(dāng)連接到脈沖或恒壓DC電壓源60和接地源50時，電子從針尖端20發(fā)射。如果電接地金屬件80置于場發(fā)射裝置10之前，并與串聯(lián)電流計70連接，電流計會指示金屬件80接收負(fù)電荷。然而，當(dāng)陽極絲40電浮(electrically floated)或與對應(yīng)電壓源60斷開時，即使施加給陰極的負(fù)電壓電勢大幅增高，針狀尖端20的電子發(fā)射也會消失。圖2給出了具有一排陰極針120的場發(fā)射裝置100的另一實(shí)施方案。每個陰極針120緊密地插入氧化鋁管130，氧化鋁管進(jìn)一步被陽極絲140環(huán)繞。陰極針120和陽極絲140與電壓源160和接地源150電連接。圖2中的實(shí)施方案還包括絕緣板如陶瓷板170，它以期望的位置支撐陰極針120、氧化鋁管130和陽極絲140組件。圖3提供了使用兩個本文描述的場發(fā)射裝置200的布置的實(shí)例。每個場發(fā)射裝置200都具有陰極針220，至少一部分針220被介電材料如氧化鋁管230圍繞。介電材料230進(jìn)一步被陽極如所描繪的陽極絲240圍繞。陰極針220和陽極絲240都與電壓源260和接地源250電連接。圖3還包括模片固定樣品280，其具有無助焊劑金/錫焊料壓片283 (熔點(diǎn)280°C )，該壓片夾在金/鎳涂布陶瓷281和金/鎳涂布銅層282之間。連接在模片固定樣品280和接地源250之間的電流計270進(jìn)一步在本文實(shí)施例2和4中描述。圖4提供了另外一種使用了本文描述的兩個場發(fā)射裝置300的布置的實(shí)例。每個場發(fā)射裝置300都具有多個陰極針320，至少一部分陰極針320被介電材料如氧化鋁管330圍繞。陰極針320和氧化鋁管330用陶瓷塊390包住。介電材料330進(jìn)一步被陽極如所描繪的銀陽極340 (其是置于陶瓷塊390上的銀箔表面)圍繞。陰極針320和銀陽極340都與電壓源360、變阻器395和接地源350電連接。圖4還描繪了由銅基底383支撐的模片固定樣品380，和連接在銅基底383和接地源350之間并用于本文描述的實(shí)施例5中的電流計 370。圖5提供了另一種布置的實(shí)施方案，其中將本文描述的場發(fā)射裝置400用于處理模片固定部件480的非暴露、非平坦或非導(dǎo)電表面483。場發(fā)射裝置400具有多個陰極針420，至少一部分針420被介電材料如氧化鋁管430圍繞。陰極針420和氧化鋁管430插入穿過陽極板如不銹鋼板440，其圍繞至少一部分介電材料430，如所描繪的。至少一部分陽極440被絕緣屏蔽物(insulating shield)如所示的陶瓷屏蔽物470覆蓋。陰極針420和不銹鋼陽極440均與電壓源460、變阻器495和接地源450電連接。具有內(nèi)表面或非暴露表面483的模片固定樣品被支撐在具有多個開口的絕緣板如所示多孔陶瓷板490上，絕緣板被進(jìn)一步支撐在導(dǎo)電表面如所示金屬板485之上。圖6顯示場發(fā)射裝置500的另一實(shí)例。起陰極作用的尖緣520夾在兩個介電板530之間。兩個陽極表面540豎直位于介電板530的外側(cè)表面并鄰近由陶瓷材料制成的絕緣塊570。尖緣520連接電源560，且陽極表面540通過連接接地源550而接地。如上所述，對于陰極發(fā)射，電子從可起陰極作用的電極發(fā)射。電極可具有多種幾何形狀并可形成一個或多個突起，比如一個或多個尖端、尖緣、鋸緣、尖脊、翼形等。在某些實(shí)施方案中，起陰極作用的電極材料由具有相對低電子發(fā)射能或逸出功的導(dǎo)電材料構(gòu)成。本文使用的術(shù)語“逸出功”是將固體(如陰極的導(dǎo)電材料)的電子剛好遷移至固體表面外的點(diǎn)處所需的最小測得能量，以電子伏特(eV)計。這些實(shí)施方案中，陰極的逸出功范圍為2_5eV。材料優(yōu)選還具有高熔點(diǎn)和加工條件下相對高的化學(xué)穩(wěn)定性。合適材料的實(shí)例包括金屬、合金、半導(dǎo)體，和涂布或沉積在導(dǎo)電基片上的氧化物。進(jìn)一步的實(shí)例包括，但不局限于，鎢、石墨和高溫合金如鎳鉻合金。陰極材料或基底金屬覆層的另外實(shí)例為耐火陶瓷材料如六硼化鑭(LaB6)和六硼化鈰(CeB6),以及耐火金屬碳化物和氮化物如ZrC、HfC 和 TaN。如上所述，至少一部分場發(fā)射器的陰極被電絕緣材料或介電材料圍繞或直接接觸，其中至少一部分絕緣或介電材料被導(dǎo)電陽極圍繞和/或直接接觸。一個實(shí)施方案中，介電材料包括絕緣陶瓷材料，其能承受高溫，在標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下化學(xué)穩(wěn)定。其它實(shí)施方案中，優(yōu)選的介電材料具有高介電常數(shù)(如1000-10000)，如鈦酸鋇。高介電材料的其它實(shí)例是壓電陶瓷，如各種鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷。在一個或多個實(shí)施方案中，介電材料可比較薄，以使更多電子在陰極累積。對于較薄的介電材料，材料的擊穿強(qiáng)度應(yīng)較高以維持陽極和陰極之間的電壓差。如上所述，至少一部分介電材料被導(dǎo)電陽極圍繞和/或直接接觸。導(dǎo)電陽極優(yōu)選為金屬或任何本質(zhì)上具有導(dǎo)電性的其它材料。根據(jù)應(yīng)用，陽極可以具有多種不同幾何形狀來加強(qiáng)對介電材料的極化效果，并將陰極的大曲率表面附近的電場強(qiáng)度最大化。陽極可接地或連接至具有相對陰極的正偏壓的電壓水平。一個特定實(shí)施方案中，陽極是導(dǎo)電金屬絲，其可圍繞于包封陰極的介電材料上。其它實(shí)施方案中，陽極是金屬板，其中陰極和介電材料可突出穿過。如上所述，將含有還原氣體的氣體混合物引入到本文所述場發(fā)射裝置所處的氣氛中。包含在氣體混合物中的還原氣體可屬于以下種類的一種或多種1)本質(zhì)上的還原劑氣體，2)能夠產(chǎn)生活性碎片的氣體，該活性碎片在活性物類與金屬氧化物反應(yīng)后形成氣態(tài)氧化物，或3)能夠產(chǎn)生活性碎片的氣體，該活性碎片在活性物類與金屬氧化物反應(yīng)后會形成 液態(tài)或含水氧化物。第一類氣體，或本質(zhì)上的還原劑氣體，包括任何以熱力學(xué)方式起待去除氧化物的還原劑作用的氣體。本質(zhì)上的還原劑氣體的實(shí)例包括H2、CO、SiH4, Si2H6、甲酸、醇類，如甲醇、乙醇等，和具有下式(III)的一些酸性蒸氣
O
(!!I) R—fc-OH
式(III)中，取代基R可以是烴基、取代烴基、芳基或取代芳基。本文使用的術(shù)語“烴基”包括直鏈、支化或環(huán)狀烴基，優(yōu)選含有1-20個碳原子，或更優(yōu)選含有1-10個碳原子。這還適用于包含在其它基團(tuán)如鹵代烴基、烴芳基或芳烴基中的烴基部分。術(shù)語“取代烴基”用于具有取代基的烴基部分，所述取代基包括如O、N、S的雜原子，或鹵素原子；0CH3 ；0R (R=C1,烴基或C6_1Q芳基)Α_1(Ι烴基或C6_1Q芳基；N02 ；S03R (R=C1,烴基或C6_1Q芳基);或NR2 (R=H,C1,烴基或C6_1(l芳基)。本文使用的術(shù)語“鹵素”包括氟、氯、溴和碘。本文使用的術(shù)語“芳基”包括具有芳族特征的6-12元碳環(huán)。本文使用的術(shù)語“取代芳基”包括具有取代基的芳環(huán)，所述取代基包括如O、N、S的雜原子，或鹵素原子；0CH3 ；0R (R=C1,烴基或C6,芳基)；C1,烴基或C6_1Q芳基；N02 ；S03R (R=C1,烴基或C6,芳基);或NR2 (R=HX1,烴基或C6,芳基)。某些優(yōu)選實(shí)施方案中，氣體混合物含有氫。第二類還原氣體包括本質(zhì)上不是還原性、但可以通過電子離解附著在氣體分子上產(chǎn)生活性物類(如H、C、S、H’、C’和S’ )的任何氣體，并通過活性物類與待去除的金屬氧化物反應(yīng)形成氣態(tài)氧化物。這類氣體的實(shí)例包括NHpH2SX1-Cici烴類，如，但不限于，CH4、C2H4，具有式(III)的酸性蒸氣，和具有下式(IV)的有機(jī)蒸氣
O
(IV)R^c-H
式(III)和式(IV)中，取代基R可以是烴基、取代烴基、芳基或取代芳基。第三類氣體包括本質(zhì)上不是還原性、但能通過電子離解附著在氣體分子上形成活性物類(如F、Cl、F’和Cl’ )的任何氣體，并通過活性物類與金屬氧化物反應(yīng)形成液態(tài)或含水氧化物。這種類型氣體的實(shí)例包括含氟和氯的氣體，如CF4、SF6、CF2C12、HC1、BF3、WF6、UF6、SiF3、NF3、CClF3 和 HF。
除包含一種或多種上述種類的還原氣體，氣體混合物可進(jìn)一步包含一種或多種載體氣體。載體氣體可以用來例如稀釋還原氣體或稀釋活性氣體或提供碰撞穩(wěn)定性。用在氣體混合物中的載體氣體可以是任何具有比氣體混合物中還原氣體低的電子親和性的氣體。某些優(yōu)選實(shí)施方案中，載體氣體是惰性氣體。適合的惰性氣體實(shí)例包括,但不局限于，N2,Ar、He、Ne、Kr、Xe 和 Rn。某些優(yōu)選實(shí)施方案中，由于氮?dú)獾某杀鞠鄬Φ土蛷U氣排放的環(huán)境友好性，氣體混合物包括用作還原氣體的氫氣和用作載體氣體的氮?dú)狻＿@些實(shí)施方案中，氣體混合物包含為O. 1-100%體積,優(yōu)選1-50%體積或更優(yōu)選為O. 1-4%體積的氫氣。優(yōu)選低于4%的氫氣量，這使氣體混合物不可燃。如前所述，待去除氧化物和/或待釬焊的部件或工件，優(yōu)選極為接近場發(fā)射器地設(shè)置。陰極發(fā)射器尖端和部件頂表面的距離范圍可為O. l-5cm或0.5-lcm。某些實(shí)施方案中，場發(fā)射器和/或部件(或目標(biāo)組件)可移動。在這一方面，場發(fā)射器可處于固定位置而部件可移動，或場發(fā)射器可移動而部件處于固定位置，或場發(fā)射器和部件都可移動。移動可以是垂直的、水平的、旋轉(zhuǎn)的或沿弧線的。 除在電子裝配中釬焊之外，本文公開的方法還可用于多種領(lǐng)域，如表面清潔、金屬電鍍、銅焊、焊接、形成焊料凸點(diǎn)的晶片的回流。一個特殊實(shí)施方案中，該方法可用于還原金屬表面氧化物，如硅晶片加工中產(chǎn)生的氧化銅。這樣的氧化物可由各種濕法加工步驟而產(chǎn)生，如化學(xué)機(jī)械整平，其用于在晶片上形成微電子設(shè)備。這些表面氧化物降低了設(shè)備產(chǎn)量和設(shè)備可靠性。該方法可以完全干燥、環(huán)境友好的方式去除表面氧化物，不需使用含水的還原齊U。此外，由于該方法能在較低溫度下進(jìn)行，因此不會明顯影響加工中設(shè)備的熱衡算。相比之下，較高的溫度由于引起摻雜物和氧化物的擴(kuò)散而往往降低設(shè)備產(chǎn)量和可靠性，從而降低設(shè)備性能。由于該方法也可在單晶片上進(jìn)行，該方法可與其它單晶片工藝集成，從而提供與其它制造步驟的更好相容性。本文公開的場發(fā)射裝置也可用于產(chǎn)生自由電子，以用于環(huán)境條件或非真空條件下的電子附著，用于氣體凈化和靜電噴涂。對于氣體凈化，由于大多數(shù)顆粒具有正電子親合性，陰極產(chǎn)生的電子可附著到待凈化氣體中的至少一部分顆粒上。通過電子附著帶負(fù)電的顆粒可沿電場漂移至陽極，從而將氣相凈化。對于涉及靜電噴涂的實(shí)施方案，陰極發(fā)射的自由電子可附著于至少一部分噴涂材料，帶負(fù)電的噴涂材料可被導(dǎo)至待噴涂表面，該表面直接接地或連接至接地金屬表面。本發(fā)明還可用于活化不同于還原氣體的氣體，用于不同于去除金屬氧化物的應(yīng)用或除了去除金屬氧化物之外的應(yīng)用。例如，本發(fā)明的裝置還可用于表面清潔、表面氧化、刻蝕、沉積和涉及氣體和固體界面反應(yīng)的其它應(yīng)用。本發(fā)明將會參考以下實(shí)施例更詳細(xì)地說明，應(yīng)理解的是本發(fā)明并不認(rèn)為限制于此。實(shí)施例I
用于本實(shí)施例的場發(fā)射裝置，比如圖2所示，含有5個不銹鋼陰極針，每一個都緊密地插入介電材料中，介電材料構(gòu)成氧化鋁陶瓷管(內(nèi)徑(I. D. ) O. 46 mm，外徑(O. D) I. 2 mm),其安裝在陶瓷板上。陰極針之間的間距為5mm。每個陰極針的尖端突出于相應(yīng)氧化鋁陶瓷管外約I. 0mm。陽極金屬絲圍繞在5個管的每一個上并電接地。圍繞的陽極絲距朝向陰極針尖端側(cè)的管端部10_。將這樣準(zhǔn)備好的結(jié)構(gòu)在室溫下置于用含4體積％H2的N2吹洗過的石英管爐中。當(dāng)施加在5個陰極針上的脈沖(10KV)負(fù)電壓電勢增加到-3. 7KV時，所有5個針尖端都開始發(fā)射電子。當(dāng)電子發(fā)射在針上開始時，由于電子附著過程中圍繞尖端的氣體激發(fā)，相應(yīng)針尖端在H2和N2氣體混合物中點(diǎn)亮成藍(lán)色。當(dāng)陽極絲從地面斷開時，即使當(dāng)陰極電壓電勢增加到-4. 3KV，5個陰極針也不會點(diǎn)亮。進(jìn)一步增加的負(fù)電壓電勢會造成起弧或氣相放電。當(dāng)切換陰極和陽極之間的電壓電勢時，如將針連接地面而繞在每個陶瓷管上的絲連接負(fù)電壓電勢，則即使當(dāng)陰極電壓電勢高達(dá)-4. 8KV時，尖端也不會點(diǎn)亮。這個結(jié)果證明了本文所述的場發(fā)射裝置的基本概念。更特別的，電子可從本文所述的場發(fā)射裝置中射出。實(shí)施例2
測試如圖3所示構(gòu)造的場發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)，所述場發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)含有兩個不銹鋼陰極針，每一個都插入到陶瓷(氧化鋁)管或介電材料中，并安裝在置于銅板之上的模片固定樣品的兩側(cè)。模片固定樣品可導(dǎo)電并接地。每個針尖端與樣品邊緣的間距都是5. 5_。每個陰極針的尖端延伸出相應(yīng)介電管外1.0mm。陽極金屬絲圍繞在兩個介電材料或管的每一個 之上，并電接地。圍繞的陽極絲距朝向針尖端側(cè)的管端部10mm。將這樣準(zhǔn)備好的結(jié)構(gòu)在室溫下置于用含4體積％ H2的N2吹洗過的石英管爐中。當(dāng)施加在2個針上的脈沖(10KV)負(fù)電壓電勢增加到-I. 9KV時，2個針尖端點(diǎn)亮成藍(lán)色，表明電子發(fā)射。當(dāng)樣品接地并串聯(lián)連接電流計時，發(fā)現(xiàn)樣品上接收到的電流為-O. 24 mA。當(dāng)2個針上的負(fù)電壓電勢增加到-2. 2KV時，接收到的電流為O. 4 mA。這個結(jié)果證明了陰極尖端發(fā)射的電子可被處理表面接收。實(shí)施例3
與圖2和圖3中描述的同樣的場發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)和樣品布置再次在用含15體積％H2的N2吹洗過的石英管爐中測試。模片固定樣品包含無助焊劑金/錫焊料壓片(熔點(diǎn)280°C)，該壓片夾在金/鎳涂布陶瓷和金/鎳涂布銅之間，用于模擬模片固定設(shè)備。3件模片固定樣品各自具有相同尺寸3 mm X 6 mm。為證明電子附著(EA)激活的在N2中的H2用于無助焊劑模片固定的可行性，室溫下將脈沖(10KV)負(fù)電壓電勢施加給2個針。當(dāng)施加的電壓增加到-I. 8KV時，2個針尖端點(diǎn)亮成藍(lán)色，表明電子發(fā)射。樣品上接收到的電流為-O. 45 mA。樣品隨后以2分鐘的斜線上升時間(ramp time)加熱到290°C,在290°C保溫(soak) I分鐘，然后冷卻。在溫度斜線上升和保溫過程中維持電子附著(EA)。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品溫度增加到290°C時，對陰極針施加相同電壓(-1. 8KV)接收到的電流為-I. 8 mA。加熱循環(huán)后，從爐中取出處理的樣品并應(yīng)用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析。分析結(jié)果推斷焊料潤濕良好。該結(jié)果證明增加溫度和氫氣濃度都有助于電子發(fā)射，與先前實(shí)施例相比，在給定的施加電壓下具有更高的發(fā)射電流，或降低了用于啟動發(fā)射的初始電壓。這也確實(shí)證明了無助焊劑釬焊可以在僅稍高于焊料熔點(diǎn)的溫度下，在H2和N2氣體混合物中通過使用本文所述的場發(fā)射裝置完成。實(shí)施例4:比較實(shí)施例
另一個具有同樣材料構(gòu)造和尺寸的模片固定樣品，除不施加EA外，以實(shí)施例3所述的相同的溫度加熱循環(huán)和氣體環(huán)境進(jìn)行處理。發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)后的焊料潤濕差。更特別的，圍繞模片固定樣品邊緣還有很多焊料未潤濕點(diǎn)。該結(jié)果表明不施加EA，氣態(tài)H2不能在相同的焊料回流溫度下有效還原焊料氧化物。實(shí)施例5圖4顯示了場發(fā)射裝置的另一實(shí)例，其包含兩組不銹鋼陰極針，安裝在一列模片固定樣品的兩側(cè)。每組含有五個陰極針，每個陰極針都插入到介電材料如陶瓷(氧化鋁)管中。每個陰極針的尖端延伸出相應(yīng)陶瓷管外1.0mm。每2個相鄰針的間距都是I. 2cm。每組中的5個陰極針和相應(yīng)陶瓷管都突出穿過起陽極作用的銀箔表面。換句話說，陽極表面垂直于陰極針長度方向地放置。每個陶瓷管或介電管突出于陽極表面的長度為2_。銀陽極連接變阻器，然后接地。改變變阻器的電阻，以調(diào)節(jié)銀陽極的電勢。當(dāng)負(fù)DC電壓施加到兩組針上時，即使模片固定樣品沒有電接地(電浮)，所有針在H2和N2氣體混合物中都點(diǎn)亮成藍(lán)色。為將更多原子氫離子吸引至處理表面，位于兩組針中間的5個模片固定樣品用串聯(lián)連接的電流計電接地，電流計監(jiān)測接收到的電流。每組針尖端與模片固定樣品邊緣的間距都為I. 6cm。從DC電源供應(yīng)給兩組針的總電流被監(jiān)測。表I和表2提供了由該測試布置獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)。通過增加銀陽極下游的電阻，更多電流被導(dǎo)至模片固定樣品(表I)。再次發(fā)現(xiàn)，增加溫度和氫氣濃度都有助于電子發(fā)射，如在給定的施加電壓下具有更高的發(fā)射電流，或降低了用于啟動發(fā)射的初始電壓(表2)。該實(shí)施例證明使用改進(jìn)的場發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)，如使用陽極表面代替圍繞介電管的陽極絲，與先前實(shí)施例相比，所需的場發(fā)射電壓可大大降低，甚至可消除使起弧最小化的電壓脈沖。 表I增加陽極下游電阻的影響。
溫度(°C) I氣體(^在 中的體積％)|電阻(Ω ) I電壓(KV) I活化尖端(#)|總發(fā)射(mA)|樣品處電流(mA)25 —4O ——1.35 ~ 10一4.94 ——1.70
25 —4IXlO6 —-1.59 ~ 10-4. 47 —-2.99
25 — 42X106 ——1.59 ~ 10—4.19 ——3.32
25 — 43X106 —-1.59 ~ 10-4.06 —-3.70
25|4KXlO6 1-1.59 |l01-4.06 |-3. 76表2溫度的影響。
溫度(°C) I氣體( 在Na中的體積％) I電阻(Ω) I電壓(KV) I活化尖端(#) I總發(fā)射(mA)
2515O1.21"l0-3.80
2515IXlO51.28 " 10-3.34
2515IXlO6_-1. 70 " 10-5.04
15015IXlO5.-1.28 " 10-4.02
150|l5IlXlO61-1.70|l0|-7· 12實(shí)施例6
圖5提供了用于處理模片固定部件非暴露釬焊表面的場發(fā)射裝置的一個實(shí)施方案。該場發(fā)射裝置具有不銹鋼制成的多孔陽極板(440)，陽極板下I. 5_厚的多孔陶瓷板作為發(fā)射電子的屏蔽物(470)，不銹鋼制成的陰極針(430)的陣列，每個陰極針緊密插入氧化鋁管430，每個管都插入兩層多孔板(如440和470)的孔中。每個氧化鋁管的端部都具有突出陽極表面外4mm的尖針尖端，每個針尖端突出氧化鋁管外1mm。此外，多孔陽極板上每個孔的直徑與每個氧化鋁管的外徑(O. D.)相同，為I. 2mm;多孔陶瓷板上每個孔的直徑為1.6mm。陰極陣列上每兩個針之間的距離為9mm。變阻器設(shè)在多孔陽極和地面之間。這種結(jié)構(gòu)的場發(fā)射器裝置設(shè)在待裝配部件之上Icm處。待裝配的部件被設(shè)在Imm厚的多孔陶瓷板上，陶瓷板設(shè)在接地金屬板上。該多孔陶瓷板的孔徑為O. 4mm,多孔陶瓷板上每兩個孔之間的距離為2mm。當(dāng)非暴露釬焊表面(483)上含有低共熔錫-鉛焊料的模片固定部件，通過施加_2. 4KV的IOKHz脈沖DC電壓(脈沖從OKV到-2. 4KV)給陰極針，在電子附著環(huán)境下在含15體積％H2的N2中被加熱到225°C時，獲得良好的焊料回流。實(shí)施例7 比較實(shí)施例
除了待裝配的部件直接設(shè)置在接地板(如將多孔陶瓷板490移除)外，重復(fù)實(shí)施例6。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)非暴露釬焊表面(483)上含有低共熔錫-鉛焊料的模片固定部件，通過施加-2. 4KV的IOKHz脈沖DC電壓給陰極針，在電子附著下在含15體積％H2的N2中被加熱到225°C時，無法獲得良好的焊料回流。該實(shí)施例確認(rèn)了需要將多孔陶瓷板設(shè)在接地板之上(正如實(shí)施例6所證實(shí)的)，以將帶負(fù)電的 原子氫離子流導(dǎo)至非暴露釬焊表面。實(shí)施例8 比較實(shí)施例
除了待裝配的部件設(shè)置在相同厚度(Imm)的實(shí)心(如非多孔)陶瓷板上，該陶瓷板設(shè)在接地金屬板之上，重復(fù)實(shí)施例6的布置。再次，非暴露釬焊表面(483)上含有低共熔錫-鉛焊料的模片固定部件，在含15體積％H2的N2中被加熱到225°C。當(dāng)如實(shí)施例6中將脈沖DC施加到陰極時，由于沒有排放電荷的路徑，因此無法獲得所希望的電子發(fā)射。作為備選，施加到陰極針上的電壓以IOKHz的頻率在-2. 5KV到+2. 5KV之間脈沖，在每個針尖端與實(shí)心陶瓷板之間形成流光型(streamer-type)電暈放電。但在電暈放電下無法獲得良好的焊料回流。該結(jié)果證明電暈放電對于無助焊劑釬焊無法有效激活氫。實(shí)施例9
試驗(yàn)具有比如圖6所示構(gòu)造的場發(fā)射裝置。不銹鋼剃刀刃夾在兩個PZT (鋯鈦酸鉛)板之間。PZT板起介電材料的作用，且剃刀刃的長度和寬度小于PZT板的長度和寬度。每個PZT板的厚度為2. 5 mm。PZT材料的介電常數(shù)和居里溫度分別為1700和350°C。剃刀的尖緣延伸出兩個PZT板表面1.0 mm，因此形成尖緣。兩個陶瓷塊(每個的厚度為5 mm且包裹在銀箔中)放置于兩個PZT板的外側(cè)。每個暴露的銀表面和相應(yīng)PZT板接近具有尖緣的一側(cè)的邊緣之間的距離為2 mm。包裹在陶瓷塊上的銀箔電接地并起陽極作用。不銹鋼剃刀連接至恒壓DC電源并起陰極作用。得到的所述布置的場發(fā)射器置于用N2中的4體積％H2吹洗過的石英管爐中。當(dāng)室溫下施加在剃刀上的電壓增大到-3 KV時，從剃刀邊緣發(fā)射電流。電流發(fā)射的性質(zhì)不穩(wěn)定，類似于閃光。實(shí)施例10 比較實(shí)施例(溫度影響)
將具有如實(shí)施例9所述相同電連接的相同場發(fā)射器裝置置于用N2中的4體積％H2吹洗的石英管熔中。將爐加熱至250°C。當(dāng)施加在剃刀上的恒壓DC電壓增大到-2. 45 KV時，存在從剃刀邊緣的電流發(fā)射，不過發(fā)射不穩(wěn)定，類似于實(shí)施例9中的發(fā)射。與實(shí)施例9相比，邊緣發(fā)射的閾值電壓降低可能是由于溫度升高。實(shí)施例11 :比較實(shí)施例(脈沖電壓的影響)
重復(fù)實(shí)施例10所述的場發(fā)射裝置和試驗(yàn)條件，除了不銹鋼剃刀連接至脈沖而不是恒壓DC電源，且脈沖頻率為10 KHz0當(dāng)施加在剃刀陰極上的電壓水平增大到-I. O KV時，觀察到穩(wěn)定的邊緣發(fā)射。剃刀邊緣照亮成藍(lán)色，且發(fā)射的電流達(dá)到65 mA，這在電源上設(shè)定為電流供應(yīng)的極限。與實(shí)施例10相比，脈沖電壓似乎幫助實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的邊緣發(fā)射。另外，當(dāng)10 KHz脈沖直流施加在剃刀陰極上時，PZT的溫度增大，因此進(jìn)一步促進(jìn)熱場發(fā)射。實(shí)施例12 比較實(shí)施例(電介質(zhì)厚度的影響)
重復(fù)實(shí)施例9所述的場發(fā)射器布置和試驗(yàn)條件，除了每個PZT板的厚度為I mm代替2.5 mm。當(dāng)室溫下施加在剃刀上的電壓增大到_2. 3 KV時，存在從剃刀邊緣的電流發(fā)射，不過發(fā)射不穩(wěn)定，類似于實(shí)施例9的發(fā)射。與實(shí)施例9相比，介電材料(PZT)的厚度減小可降低邊緣發(fā)射的閾值電壓。發(fā)生該結(jié)果是因?yàn)?，?dāng)陰極和陽極之間加入介電層時，剃刀上存在電子累積。該電子累積在從陰極場發(fā)射中起作用，且更薄的介電層在陰極上產(chǎn)生更多累積電子，因此導(dǎo)致邊緣發(fā)射閾值降低。實(shí)施例13 比較實(shí)施例(介電常數(shù)的影響)
重復(fù)實(shí)施例9所述的場發(fā)射器布置和試驗(yàn)條件，除了兩個PZT板替換為兩個氧化鋁板作為介電材料。發(fā)現(xiàn)當(dāng)將施加于剃刀的負(fù)電壓連續(xù)增大到-3. 5 KV時沒有電子發(fā)射。該結(jié)果證實(shí)陰極和陽極之間的PZT的極化在增強(qiáng)電場和陰極累積電子中起作用，因此促進(jìn)電子的場發(fā)射。盡管本發(fā)明已被詳細(xì)地描述并參照了其具體實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，能夠在其中作出各種變化與修改是顯而易見的?！?br> 權(quán)利要求
1.用于在環(huán)境壓力條件下發(fā)射電子的裝置，該裝置包括 具有成角度邊緣并包括傳導(dǎo)材料的陰極，其中所述材料的逸出功范圍為2-5 eV ； 介電材料，其圍繞至少一部分陰極；和 包括傳導(dǎo)材料的陽極，其圍繞至少一部分介電材料， 其中，陰極和陽極各自連接電壓源；和 其中，陰極和陽極之間的介電材料被極化，以提供增強(qiáng)的電場，并在陰極邊緣累積電子，從而從陰極產(chǎn)生電子。
2.權(quán)利要求I的裝置，其中陰極和陽極起電容器作用，且介電材料足夠薄以使電子在陰極累積。
3.權(quán)利要求I的裝置，其中還原氣體為選自以下的氣體H2、CO、SiH4,Si2H6, CF4, SF6,CF2Cl2, HCl,BF3^ffF6, UF6, SiF3、NF3> CC1F3、HF、NH3> H2S、直鏈、支化或環(huán)狀 C1-Cltl 烴類、甲酸、醇類、具有下式(III)的酸性蒸氣 O (III) R..........C-OH' 具有下式(IV)的有機(jī)蒸氣 P|!V) R^C-H 和它們的混合物，其中式(III)和式(IV)中的取代基R是烴基、取代烴基、芳基或取代芳基。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中還原氣體包括H2。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中還原氣體中H2的濃度為O.1-100體積％。
6.權(quán)利要求I的裝置，其中氣體混合物進(jìn)一步包括載體氣體，其選自氮、氦、氖、氬、氪、氙、氡和它們的混合物。
7.權(quán)利要求I的裝置，其中通過使陽極和陰極與介電材料接觸，陰極邊緣的電場分布受限且電場強(qiáng)度增強(qiáng)。
8.權(quán)利要求I的裝置，其中邊緣包括刃形、脊形或翼形。
9.權(quán)利要求8的裝置，其中邊緣包括傳導(dǎo)材料。
10.權(quán)利要求9的裝置，其中邊緣包括金屬。
11.用于去除部件至少一個表面上的金屬氧化物的裝置，所述部件上包括焊料和金屬表面，該裝置包括 電子發(fā)射裝置，其包括 具有一個或多個突起并包括傳導(dǎo)材料的陰極，所述突起具有成角度邊緣，其中該材料的逸出功范圍為2-5 eV ； 介電材料，其圍繞至少一部分陰極；和 包括傳導(dǎo)材料的陽極，其圍繞至少一部分介電材料，其中陰極和陽極各自連接電壓源；和其中陰極和陽極之間的介電材料被極化，以提供增強(qiáng)的電場和在陰極的一個或多個突起累積電子，從而從陰極產(chǎn)生電子； 還原氣體，其中電子附著于至少一部分還原氣體分子，以形成還原氣體的帶負(fù)電的原子離子；和傳導(dǎo)表面，其電勢比陽極更正性，其中絕緣板設(shè)置于傳導(dǎo)表面上，且其中原子陰離子接觸部件的至少一個表面并去除至少一部分金屬氧化物。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中陰極和陽極起電容器作用，且介電材料足夠薄以使電子在陰極累積。
13.權(quán)利要求11的裝置，其中還原氣體為選自以下的氣體H2、CO、SiH4、Si2H6、CF4、SF6、CF2Cl2, HCl,BF3^ffF6, UF6, SiF3、NF3> CC1F3、HF、NH3> H2S、直鏈、支化或環(huán)狀 C1-Cltl 烴類、甲酸、醇類、具有下式(III)的酸性蒸氣
14.權(quán)利要求13的裝置，其中還原氣體包括H2。
15.權(quán)利要求14的裝置，其中還原氣體中H2的濃度為O.1-100體積％。
16.權(quán)利要求11的裝置，其中通過使陽極和陰極與介電材料接觸，陰極的一個或多個突起附近的電場分布受限且電場增強(qiáng)。
17.權(quán)利要求11的裝置，其中陰極包括導(dǎo)電材料。
18.權(quán)利要求17的裝置，其中陰極包括金屬、石墨或半導(dǎo)體。
19.權(quán)利要求11的裝置，其中邊緣包括尖端、針形、指形、刃形、脊形或翼形。
20.權(quán)利要求17的裝置，其中邊緣包括金屬刃形。
21.權(quán)利要求11的裝置，其中介電材料包括陶瓷材料、聚合物或它們的組合。
22.權(quán)利要求11的裝置，其中陽極包括導(dǎo)電材料。
23.權(quán)利要求11的裝置，其中傳導(dǎo)板電勢的電壓比陽極電壓高10V-1KV。
24.根據(jù)權(quán)利要求I的裝置用于金屬氧化物去除、氣體凈化、靜電噴涂、涂布、表面清潔、表面氧化、刻蝕、沉積或前述組合的用途。
25.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置用于金屬氧化物去除、氣體凈化、靜電噴涂、涂布、表面清潔、表面氧化、刻蝕、沉積或前述組合的用途。
全文摘要
本文描述了通過電子附著去除部件表面上金屬氧化物的方法和裝置。一個實(shí)施方案中，提供了一種場發(fā)射裝置，其中電子附著于至少一部分還原氣體，形成帶負(fù)電的原子離子，這些離子去除金屬氧化物，該場發(fā)射裝置包括陰極，所述陰極包括導(dǎo)電材料并包括至少一個或多個具有成角度邊緣或大曲率表面的突起，其中陰極被介電材料圍繞，介電材料則被導(dǎo)電陽極圍繞，其中陰極和陽極各自連接電壓源，且陰極和陽極之間的介電材料被極化，增強(qiáng)電場強(qiáng)度并在陰極頂點(diǎn)累積電子以促進(jìn)電子從陰極的場發(fā)射。
文檔編號H01J37/32GK102915903SQ20121027466
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者董春, R.A.西明斯基 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司