等离子清洗晶圆表面光刻胶原理

为了实现集成电路行业的高速且稳健的发展,获取高性能的硅晶圆材料成为首要任务。这就要求硅晶圆材料不仅要具备极高的平面度,同时还需保持硅晶圆材料表面的洁净度,做到无污染、光滑、无痕迹、完整性。但是,在实际的硅晶圆半导体生产过程中,不可避免造成晶圆表面污染,进而导致半导体器件的良品率下降。研究表明,在集成电路制造过程中,大约50%的损失率由制造过程中存在的污染杂质造成。晶圆表面主要的污染物来源包括颗粒污染物、金属离子污染物以及有机污染物等。其中,表面有机污染物主要来源于光刻工艺中的光刻胶残留。早在上世纪九十年代,人们认识到了洁净的硅晶圆表面在半导体器件制造工艺中的重要性。为了提高良品率,在重要工艺之后都会设置清洗工艺,占到了整个工艺流程的30%,也是整个芯片制造过程中出现最多的工艺。因此,为了提升半导体产品中的良品率,就要在生产过程中引入清洗技术。

晶圆表面清洗根据污染物的性质,选择不同的清洗方法,可以进一步的提升晶圆的性能,并且降低对硅晶圆的损害。根据清洗作用的过程分类,可以分为物理清洗法以及化学清洗法;根据使用的清洗手段不同进行分类,分为湿法清洗和干法清洗。湿法清洗因溶液浸泡而无法精确控制,会影响材料的性能,并可能导致表面微米级的分层缺陷。此外,湿法清洗所用溶液一般为化学溶剂,清洗后会产生大量废液,可能对环境造成污染,并增加处理成本。近年来,干法清洗技术备受关注,它一般通过机械或等离子体清洗实现。其中,机械清洗适用于表面硬度较高的材料,但易造成表面磨损或划痕。因而等离子体清洗技术则成为最为广泛采用的干法清洗技术,因其具有操作简便、成本低等优点而得到广泛应用。并且随着技术水平的不断提高和对晶圆表面清洁度要求的增加,等离子体清洗技术的研究日益受到重视。

等离子清洗技术

等离子体(plasma)是除了气态、液态、固态之外的物质第四态,由大量高能电子、原子及离子组成,由于其电子、负离子带的负电荷与正离子带的正电荷相等,整体上呈现出电中性的状态。根据热力学平衡规律等离子体又可以被划分为低温等离子体(Non-Thermal Plasma,NTP)与高温等离子体(Thermal Plasma)。低温等离子体中电子温度要远高于离子温度与中性粒子温度,在热力学上是不平衡的也称为非热平衡等离子体。低温等离子体的性质活泼,在常温常压下,激发与亚激发态的物种、高能电子与活性自由基可与有机物分子发生碰撞电离、解离和激发反应,最终将有机物大分子转化为二氧化碳和水。并且,低温等离子体反应速度快、效率高,相对于高温等离子体具有更高的安全性和可操作性,目前被广泛应用在各个领域,如杀菌消毒、污染物去除、材料表面改性。

材料表面有机物等离子体清洗主要是通过气体发生电离后产生活性物质与材料表面污染物发生物理化学反应,从而达到将污染物去除的目的。等离子体清洗主要分为两个反应过程,在化学反应过程中,活性物质与有机物分子结合,发生解链,最终分解成CO2和H2O。在物理反应过程中,活性粒子以一定速度撞击被清洗物表面,克服分子与表面结合力,使表面污染物分子分解,达到清洗目的。等离子体清洗技术基本原理过程如图1.1所示。

等离子体清洗技术基本原理过程

等离子清洗晶圆表面光刻胶原理

等离子体对晶圆表面光刻胶的清洗主要包括以下过程,首先光刻胶中的有机物大分子能够与原子氧或者臭氧分子反应,使有机物大分子物质转化为有机物自由基,如表1中反应式所示。其次,生成的有机物自由基可以进一步与激发态氧分子发生结合,生成含氧有机物自由基。在等离子体放电过程中,反应器温度的升高对含氧有机物自由基的稳定性产生了显著影响。当温度超过40℃时,这些自由基由于其内在的不稳定性,开始发生分解反应,如表1中反应式(15-16)所示。小分子自由基通常具有更高的反应活性,可以进一步参与其他化学反应,从而改变或影响整个反应体系的性质。而CO2作为分解产物之一,是稳定的化合物,不会继续参与自由基反应。最终,小分子自由基可以被进一步氧化分解,生成CO2和H2O,如表1中反应式(17)所示。在这一过程中,等离子体中的含氧活性粒子通过连续不断的链式反应逐步分解有机物大分子,直至有机物大分子被完全降解。等离子体清洗光刻胶反应过程如表1所示。

​等离子体清洗主要反应过程