為了實現(xiàn)集成電路行業(yè)的高速且穩(wěn)健的發(fā)展,獲取高性能的硅晶圓材料成為首要任務(wù)。這就要求硅晶圓材料不僅要具備極高的平面度,同時還需保持硅晶圓材料表面的潔凈度,做到無污染、光滑、無痕跡、完整性。但是,在實際的硅晶圓半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中,不可避免造成晶圓表面污染,進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的良品率下降。研究表明,在集成電路制造過程中,大約50%的損失率由制造過程中存在的污染雜質(zhì)造成。晶圓表面主要的污染物來源包括顆粒污染物、金屬離子污染物以及有機(jī)污染物等。其中,表面有機(jī)污染物主要來源于光刻工藝中的光刻膠殘留。早在上世紀(jì)九十年代,人們認(rèn)識到了潔凈的硅晶圓表面在半導(dǎo)體器件制造工藝中的重要性。為了提高良品率,在重要工藝之后都會設(shè)置清洗工藝,占到了整個工藝流程的30%,也是整個芯片制造過程中出現(xiàn)最多的工藝。因此,為了提升半導(dǎo)體產(chǎn)品中的良品率,就要在生產(chǎn)過程中引入清洗技術(shù)。

晶圓表面清洗根據(jù)污染物的性質(zhì),選擇不同的清洗方法,可以進(jìn)一步的提升晶圓的性能,并且降低對硅晶圓的損害。根據(jù)清洗作用的過程分類,可以分為物理清洗法以及化學(xué)清洗法;根據(jù)使用的清洗手段不同進(jìn)行分類,分為濕法清洗和干法清洗。濕法清洗因溶液浸泡而無法精確控制,會影響材料的性能,并可能導(dǎo)致表面微米級的分層缺陷。此外,濕法清洗所用溶液一般為化學(xué)溶劑,清洗后會產(chǎn)生大量廢液,可能對環(huán)境造成污染,并增加處理成本。近年來,干法清洗技術(shù)備受關(guān)注,它一般通過機(jī)械或等離子體清洗實現(xiàn)。其中,機(jī)械清洗適用于表面硬度較高的材料,但易造成表面磨損或劃痕。因而等離子體清洗技術(shù)則成為最為廣泛采用的干法清洗技術(shù),因其具有操作簡便、成本低等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。并且隨著技術(shù)水平的不斷提高和對晶圓表面清潔度要求的增加,等離子體清洗技術(shù)的研究日益受到重視。

等離子清洗技術(shù)

等離子體(plasma)是除了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài),由大量高能電子、原子及離子組成,由于其電子、負(fù)離子帶的負(fù)電荷與正離子帶的正電荷相等,整體上呈現(xiàn)出電中性的狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)平衡規(guī)律等離子體又可以被劃分為低溫等離子體(Non-Thermal Plasma,NTP)與高溫等離子體(Thermal Plasma)。低溫等離子體中電子溫度要遠(yuǎn)高于離子溫度與中性粒子溫度,在熱力學(xué)上是不平衡的也稱為非熱平衡等離子體。低溫等離子體的性質(zhì)活潑,在常溫常壓下,激發(fā)與亞激發(fā)態(tài)的物種、高能電子與活性自由基可與有機(jī)物分子發(fā)生碰撞電離、解離和激發(fā)反應(yīng),最終將有機(jī)物大分子轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。并且,低溫等離子體反應(yīng)速度快、效率高,相對于高溫等離子體具有更高的安全性和可操作性,目前被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域,如殺菌消毒、污染物去除、材料表面改性。

材料表面有機(jī)物等離子體清洗主要是通過氣體發(fā)生電離后產(chǎn)生活性物質(zhì)與材料表面污染物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),從而達(dá)到將污染物去除的目的。等離子體清洗主要分為兩個反應(yīng)過程,在化學(xué)反應(yīng)過程中,活性物質(zhì)與有機(jī)物分子結(jié)合,發(fā)生解鏈,最終分解成CO2和H2O。在物理反應(yīng)過程中,活性粒子以一定速度撞擊被清洗物表面,克服分子與表面結(jié)合力,使表面污染物分子分解,達(dá)到清洗目的。等離子體清洗技術(shù)基本原理過程如圖1.1所示。

等離子體清洗技術(shù)基本原理過程

等離子清洗晶圓表面光刻膠原理

等離子體對晶圓表面光刻膠的清洗主要包括以下過程,首先光刻膠中的有機(jī)物大分子能夠與原子氧或者臭氧分子反應(yīng),使有機(jī)物大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物自由基,如表1中反應(yīng)式所示。其次,生成的有機(jī)物自由基可以進(jìn)一步與激發(fā)態(tài)氧分子發(fā)生結(jié)合,生成含氧有機(jī)物自由基。在等離子體放電過程中,反應(yīng)器溫度的升高對含氧有機(jī)物自由基的穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)溫度超過40℃時,這些自由基由于其內(nèi)在的不穩(wěn)定性,開始發(fā)生分解反應(yīng),如表1中反應(yīng)式(15-16)所示。小分子自由基通常具有更高的反應(yīng)活性,可以進(jìn)一步參與其他化學(xué)反應(yīng),從而改變或影響整個反應(yīng)體系的性質(zhì)。而CO2作為分解產(chǎn)物之一,是穩(wěn)定的化合物,不會繼續(xù)參與自由基反應(yīng)。最終,小分子自由基可以被進(jìn)一步氧化分解,生成CO2和H2O,如表1中反應(yīng)式(17)所示。在這一過程中,等離子體中的含氧活性粒子通過連續(xù)不斷的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)逐步分解有機(jī)物大分子,直至有機(jī)物大分子被完全降解。等離子體清洗光刻膠反應(yīng)過程如表1所示。

?等離子體清洗主要反應(yīng)過程