摘要：介紹了一種新型的常壓射頻低溫冷等離子體放電設(shè)備，用該設(shè)備進(jìn)行了清洗光刻膠的工藝實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在100mm硅片表面涂上9912光刻膠，用等離子體進(jìn)行清洗的速率可達(dá)500nm/min，測量了清洗速率與放電功率、氧氣流量和襯底溫度之間的變化關(guān)系；并對離子注入（B+,5×1015cm-2）后的光刻膠進(jìn)行了清洗實(shí)驗(yàn)，得到清洗速率為300nm/min。清洗后的電鏡分析證明，經(jīng)等離子體清洗后，硅片表面無損傷、無殘膠。

關(guān)鍵詞：常壓；射頻；等離子體；光刻膠；清洗

中圖分類號：TN405.982;TN305.97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-353X(2004)12-0026-04

在微電子工業(yè)中光刻膠的清洗是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，清洗工序占整個(gè)制造工序的30%~35%。傳統(tǒng)上都是采用濕化學(xué)方法來進(jìn)行光刻膠的清洗的。它具有不可控制、清洗不徹底、需要反復(fù)清洗等缺點(diǎn)，而且會造成環(huán)境污染，需要建立專門的回收處理站。隨著新材料的使用和微器件特征尺寸的進(jìn)一步減小，要求有一種更具選擇性、更環(huán)保、也更能人為控制的清洗技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來，等離子體干法刻蝕被應(yīng)用于光刻膠的清洗中[1-3]。這種技術(shù)不但可以清洗化學(xué)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的光刻膠而且不會產(chǎn)生化學(xué)廢物，有利于環(huán)境保護(hù)。
干法清洗主要是利用氧在等離子體中產(chǎn)生的活性氧與光刻膠發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳和水，以達(dá)到去除光刻膠的目的。它能對高溫烘烤過的膠、顯影后的底膠以及鋁電極和大劑量離子注入過的膠進(jìn)行清洗。目前，普遍采用的干法清洗光刻膠工藝都是在真空室里利用低氣壓氧等離子體來進(jìn)行清洗。在使用中存在設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用高、被處理物體的尺度受真空室腔體限制，操作不方便和時(shí)間長等缺點(diǎn)。1995年，H. Koinuma[4]等人開始在大氣壓下進(jìn)行光刻膠清洗的實(shí)驗(yàn)研究，清洗速率可達(dá)到每分鐘幾個(gè)微米，但是他們所采用的等離子體設(shè)備只能對直徑為5mm的小面積進(jìn)行清洗，而且清洗后仍有殘膠存在。1997年美國 LOS Alamos[5~9]國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了常壓射頻冷等離子體噴槍設(shè)備，并利用該設(shè)備產(chǎn)生的更大面積的等離子體對光刻膠進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn)研究。但到目前為止，仍沒有看到有關(guān)用常壓等離子體清洗100mm以上面積的硅片的報(bào)道。

中國科學(xué)院微電子研究所近研制出的常壓射頻電容耦合冷等離子體噴槍設(shè)備[10,11]，能產(chǎn)生直徑為150mm的大面積均勻冷等離子體。利用該設(shè)備對100mm硅片進(jìn)行了干法清洗的工藝實(shí)驗(yàn)，當(dāng)放電輸入功率為300W，氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，襯底溫度為118℃時(shí)，得到對光刻膠9912 的清洗速率為500nm/min；對離子注入（B+注入，注入劑量為5×1015cm-2）后的光刻膠，當(dāng)放電功率為350W，氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，襯底溫度為130℃時(shí)，得到清洗速率為 300nm/min。

2 設(shè)備介紹

如所示，常壓射頻冷等離子體噴槍設(shè)備由射頻電源、等離子體發(fā)生器、進(jìn)氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等組成。射頻電源的頻率為 13.56MHz，工作范圍為0~600W。等離子體發(fā)生器是由射頻電極和地電極構(gòu)成。被引入的氣體在電極之間擊穿電離后形成冷等離子體并均勻向下噴出，形成直徑為150mm的放電區(qū)間，如所示（放電參數(shù)為：氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，射頻輸入功率為300W，反射功率為0）。

3 氧原子產(chǎn)生原理

在清洗光刻膠的過程中，清洗速率主要取決于活性氧原子[11~13]。氧原子主要是通過電荷之間的轉(zhuǎn)換和再結(jié)合[14]產(chǎn)生的，如方程（1）所示

產(chǎn)生的氧原子運(yùn)動到硅片表面與光刻膠發(fā)生反應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

用甩膠機(jī)在干凈的100mm硅片上旋涂，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為3000r/min，然后放入烘箱在100℃下烘10min，光刻膠厚度為1.4 mm。本實(shí)驗(yàn)通過測量清洗前后硅片的質(zhì)量差來計(jì)算清洗速率。

為清洗速率與功率之間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，輸入功率是影響清洗速率的一個(gè)重要因素。當(dāng)輸入功率為150W時(shí)，清洗速率很小，只有28nm/min，隨著輸入功率的增加，等離子體中的電子溫度、電子密度和活性基團(tuán)的密度會隨之增加，因此所產(chǎn)生的活性氧原子數(shù)量增多，反應(yīng)速率加快，當(dāng)輸入功率增加到400W時(shí)，清洗速率達(dá)到429nm/min，這已遠(yuǎn)大于真空等離子體的清洗速率。

為清洗速率和氧氣流量之間的變化關(guān)系。增加氧氣流量會增加氧原子，因而增加清洗速率。但是由于通入氬氣流量是一定的，即能夠電離出來的氬離子是一定的，根據(jù)方程（1），當(dāng)氬離子全部與氧分子反應(yīng)時(shí)，氧原子的數(shù)量會達(dá)到一個(gè)值，即清洗速率達(dá)到值。如所示，當(dāng)氧氣的流量接近總流量的1%時(shí)，得到的清洗速率444nm/min，進(jìn)一步增加氧氣的流量，出現(xiàn)放電減弱的現(xiàn)象，有關(guān)這種放電機(jī)理目前還不是很清楚。對于清洗速率隨著氧氣流量的進(jìn)一步增加會減小的初步解釋是

（1）臭氧的生成：O+ O2+ O2→O3+ O2 ；

（2）氧原子之間結(jié)合生成氧氣：O+ O+ O2→2 O2 ；

（3）因?yàn)檠踉拥臄U(kuò)散速率比氬離子的擴(kuò)散速率大，而且因?yàn)樵诖髿鈮合拢肿?、離子之間的碰撞十分頻繁，所以氬離子的濃度隨著離開噴槍噴口距離的增加迅速減小，氧原子主要在噴口處生成。在這種情況下，氧原子在到達(dá)硅片前有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到空氣中，從而使終到達(dá)硅片表面的氧原子數(shù)目減小。

為清洗速率與襯底溫度的變化關(guān)系。由圖可以看出，襯底溫度可以加速反應(yīng)的發(fā)生。在氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，輸入功率為 300W時(shí)，溫度從87℃升到118℃，清洗速率從196nm/min增加到500nm/min，增加了約300nm/min。此外，由圖可以看出，隨著溫度的進(jìn)一步增加，清洗速率會進(jìn)一步增大。但是為了避免對器件造成熱損傷，襯底溫度應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。

對經(jīng)過離子注入（B+, 5×1015）的光刻膠的實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)功率為350W，氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm時(shí)，清洗速率可以達(dá)到300nm/min。

在干凈的硅片上涂一層AZ9918光刻膠，甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，涂膠厚度為1.2mm，然后在90℃下烘20min，光刻并刻蝕出如（a）所示的圖形，這時(shí)剩膠的厚度為500nm，然后把刻蝕好的硅片放到等離子中清洗（放電功率為300W，反射功率為0W，氬氣流量為5L/min,氧氣流量為25sccm），經(jīng)過2min的清洗，光刻膠全部去除干凈。（b）是清洗后的電鏡照片，可以看出利用該設(shè)備清洗光刻膠沒有殘膠存在。

為對100mm涂膠硅片進(jìn)行清洗前、清洗中和清洗后的照片比較。照片左邊的硅片為涂膠清洗前的形貌；中間硅片為清洗1min后，未清洗干凈時(shí)的相貌；右邊硅片為光刻膠被徹底清洗干凈后的照片。

5 結(jié)論

文章介紹了一種新的可用于光刻膠清洗的常壓射頻冷等離子體設(shè)備。用該設(shè)備進(jìn)行的工藝實(shí)驗(yàn)表明：清洗速率與輸入功率幾乎成線性正比關(guān)系；在氧氣流量達(dá)到總流量的1%之前，清洗速率隨著氧氣流量的增加而增加，在1%時(shí)達(dá)到值，再繼續(xù)增大氧氣流量清洗速率開始減??；清洗速率與襯底溫度基本呈線性增加的關(guān)系。當(dāng)入射功率為 300W，氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，襯底溫度為130℃時(shí)，得到對光刻膠的清洗速率為 500nm/min。

對離子注入的光刻膠的清洗結(jié)果表明，當(dāng)入射功率為350W，氬氣流量為5L/min，氧氣流量為25sccm，襯底溫度為130℃時(shí)，清洗速率達(dá)到 300nm/min。用電鏡分析了光刻膠清洗前后的表面形貌，可以看出該設(shè)備對光刻膠有良好的清洗效果。

采用常壓射頻冷等離子體清洗光刻膠，由于是在大氣中進(jìn)行，等離子體中粒子之間的碰撞自由程很小，所以等離子體中幾乎沒有高能離子存在，不會像真空等離子體那樣對硅片表面造成損傷。 而且操作十分簡便、沒有任何環(huán)境污染，是一種十分理想的清洗手段，具有實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。