（凝聚态物理专业论文）常压射频冷等离子体系统及其在光刻胶去除技术中的应用.pdf

型堕燮笙塞1 2 7 5 8 3 s 常压射频冷等离子体系统及其在光刻胶去除技术 中的应用 凝聚态物理专, i k 研究生：李海江指导教师：石瑞英 光刻胶去除技术在微电子工业中占有非常重要的地位，约占集成电路 制造工艺的3 03 5 ，去胶的好坏直接影响产品的成品率及器件和电路的制 造成本。 常压射频冷等离子体去除光刻胶是近年新兴起的技术，已经成为国际 j i 研究的热点之一。它不仅可以克服湿化学方法去除光刻胶存在的反应不 能精确控制，清洗不彻底，容易引入杂质，污染环境，尤其对高温烘烤过 的胶很难去除等缺点，而且可以避免真空等离子体去除光刻胶时高能离 子轰击对器件造成的损伤，尤其是它具有成本低的特点。对常压射频冷等 离子体去除光刻胶的研究具有重要的学术意义和实用价值。 常压射频冷等离子体是指在常压下通过电容耦合的方法使气体电离 放电的等离子体源。国际上一般都是采用价格比较高的氦气做为携带气 体，而我们则使用价格便宜的多的氩气作为携带气体，并首次成功地实现 了放电。通过对氦氧等离子体和氩氧等离子体光刻胶去除的对比实验，发 i 见氩氧等离子体和氦氧等离子体具有相似的去胶速率和效果。 本课题研制了常压射频喷枪式冷等离子体和浸入式冷等离子体两种 设备，后者的直径为1 5 0 m m ，是曰前世界上已报道的能达到的最大放电面 积。文章对该等离子体的放电特性和温度特性做了详细的研究。通过控制 输入功率、气体组分和极板间距离，得到了大面积均匀稳定的等离子体。 温度分布结果表明氩等离子体的温度很低，小于1 5 0 ，不会对半导体器 件造成热损伤。对以上物理特性的研究表明，常压射频低温冷等离子体满 四川大学硕士学位论文 足光刻胶去除技术对等离子体的要求，可以用来进行光刻胶去除实验研 究。 用自行研制的直径为1 5 0 m m 的浸入式等离子体设备分别对光刻胶 $ 9 9 1 2 和聚酰亚胺进行了实验研究。结果表明功率、氧气的流量百分比、 以及衬底温度对光刻胶去除速率有着非常重要的影响。去胶速率随着功率 和衬底温度的增加而迅速增加。在功率和衬底温度一定时，去胶速率随着 氧气与氩气比例的增加而增加，在氧气氧气流量比达到1 时，去胶速率 达到最大值。工业上一般的去胶速率可达每分钟几百纳米，我们在输入功 率为3 0 0 w ，氩气的流量为5 l m i n ，氧气氩气比例为1 时，可以得到 5 0 0 n m m i n 的去胶速率，此结果说明通过改变输入功率和气体流量，去胶 速率可以满足实际的工业需要。最后，通过扫描电子显微镜照片，可以看 到光刻胶己经被彻底清洗干净。 关键词：干法刻蚀射频冷离子体光刻胶去除技术 四j i i 大学硕士学位论文 a t m o s p h e r i cp r e s s u r er f p l a s m as y s t e ma n di t s a p p l i c a t i o ni np h o t o r e s i s ts t r i p p i n g p o s t g r a d u a t e ：l it l a i j i a n g a d v i s o r ：s h ir u i y i n g p h o t o r e s i s ts t r i p p i n gp l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l e i nm i c r o e l e c t r o n i c s i n d u s t r y i t o c c u p i e sa b o u t3 0 3 5 o ft h es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g p r o c e d u r e s ，a n dw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ey i e l da n dt h ec o s to fi cp r o d u c t r e c e n t l y ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oan o v e lp h o t o r e s i s ts t r i p p i n g t e c h n o l o g yb a s e do na t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m a t h i sm e t h o dc a no v e r c o m e t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ew e tc h e m i c a lm e t h o d ：t h er e a c t i o n sc a n n o tb e c o n t r o l l e d a c c u r a r e l y ，t h ep h o t o r e s i s tc a n n o tb es t r i p p e dc o m p l e t e l y ，t h e e n v i r o n m e n tc a nb ep o l l u t e d ，a n dt h e p h o t o r e s i s ta f t e rh i g ht e m p e r a t u r e p r o c e s s e sc a n n o tb es t r i p p e de a s i l y t h ed a m a g ec a u s e db yt h ei o nb o m b i n g w i t hh i g he n e r g yc a na l s ob ea v o i d e db yu s i n gt h i sm e t h o d t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo fp h o t o r e s i s ts t r i p p i n gb yu s i n ga t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m ai sv e r y i m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ha n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n a t m o s p h e r i cp r e s s u r er f p l a s m aw a sg e n e r a t e db yc a p a c i t o rc o u p l e t h e e x p e r i m e n t s ，i nw h i c hh e l i u ma n da r g o nw a su s e da sc a r r i e rg a s ，r e s p e c t i v e l y ， s h o w e dt h es t r i p p i n gr a t eb ya r 0 2p l a s m aw a ss i m i l a rw i t ht h a tb yh e 0 2 p l a s m a i tw a st h ef i r s tt i m et h a ta r g o nr e p l a c e de x p e n s i v eh e l i u ma sc a r r i e r g a st h a tw a sg e n e r a l l yu s e d a ni m m e r s i o np l a s m aa p p a r a t u sw i t had i a m e t e ro fl5 0 r a m ，ap l a t ew i t h t h el a r g e s td i s c h a r g ea r e ai nt h er e p o r t e dw o r k s ，w a sd e v e l o p e di nt h i sw o r k d i s c h a r g ea n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sh a v e b e e ns t u d i e di nd e t a i l a u n i f o r ms t a b l ep l a s m ah a sb e e ng e n e r a t e db yc o n t r o l l i n gt h ei n p u tp o w e r ，t h e g a sc o m p o s i t i o n ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d e s t h et e m p e r a t u r e d is t r i b u t i o ns h o w e dt h a tt h ep l a s m a t e m p e r a t u r ew a sb e l o w15 0 。cw h i c h w o u l dn o tc a u s ed a m a g e a l lt h e s er e s u l t ss h o w e dt h i sa t m o s p h e r i cp r e s s u r e 婴型查堂堡主兰垡堕苎 一 一 p l a s m ac o u l db ea p p l i e d t op h o t o r e s i s ts t r i p p i n g t h ep h o t o r e s i s t s $ 9 9 12a n d k a p t o n h a v e b e e ns t r i p p e du s i n g t h e i m m e r s i o np l a s m a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t r i p p i n gr a t ew a sd e p e n d e n t o n t h ei n p u tp o w e r t h em i x e dr a t i oo f0 2 a r ，a n dt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，t h e s t r i p p i n gr a t ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gi n p u tp o w e ra n dt h ei n c r e a s i n g s u b s t r a t et e m p e r a t u r e u n d e rac o n s t a n ti n p u tp o w e ra n ds u b s t r a t et e m p e r a t u r e ， t h es t r i p p i n gr a t er e a c h e dt h el a r g e s tw h e nt h el 0 2w a sa d d e d t h e s t r i p p i n gr a t ew a s5 0 0 n m m i na tt h ec o n d i t i o no fi n p u tp o w e r3 0 0 w ，a rg a s f l o wr a t e5 l r a i na n d1 0 2 t h i sh a sb e e nq u a l i f i e df o ra p p l i c a t i o ni nt h e i n d u s t r yw h i c hr e q u i r e sas t r i p p i n gr a t eo fs e v e r a lh u n d r e do fn a n o m e t e re v e r y m i n u t e t h es e mp i c t u r e ss h o w e dt h a tt h ep h o t o r e s i s th a sb e e nc o m p l e t e d l y r e m o v e da n dn or e s i d u e sr e m a i n e d k e y w o r d s ：c h e m i c a ld r ye t c h i n g ，r a d i of r e q u e n c y ，c o l dp l a s m a ，p h o t o r e s i s t s t r i p p i n g 四川大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题的研究背景及其意义 光刻胶去除技术在微电子工业中占有非常重要的地位，约占集成电路制造 工艺的3 0 3 5 。去除光刻胶时不应损伤和污染它下面的物质( 如硅、多晶硅、 铝、氧化硅或二氧化硅) ，如果这个过程不能被很好的控制或者操作不正确，很 可能会对器件造成污染和损伤，从而影响产品的成品率。例如：典型的制造过 程大约有2 5 0 多个步骤，成品率为8 5 9 0 ，平均每个步骤损失0 1 5 ，其中光 刻胶去除步骤的损失能使每片芯片的价格从$ o 5 上升到$ 1 _ 3 。而把产量从每小时 5 0 片增加到每小时1 0 0 片，只能把每片芯片的价格从$ 0 5 降至f j $ o 2 6 。由此可见， 光刻胶的去除对提高集成电路成品率及性能，降低制造成本是非常关键的，发 展光刻胶去胶技术是非常必要也是非常重要的。 传统的化学湿法去胶技术，主要包括有机溶剂( 如丙酮) 浸泡溶解、s p m 清沈( 即三号液加热) 以及使用专用的光刻胶刻蚀胶液( r e l l l o v e r ) 和其它一些 有机溶剂清洗等。它的缺点是：不能精确控制，清洗不彻底，需反复清洗，容 易引入新的杂质；此外，这种方法污染环境，需对废料进行处理“1 。尤其是这种 方法并不能被用来去除高温烘烤过的胶，显影后的底胶，以及铝电极上的光刻 胶胶膜。 随着新材料的使用和微器件特征尺寸的进一步减小，污染和损伤成为制约 集成电路产量的主要因素。自2 0 世纪八十年代，等离予体被应用于光刻胶的去 除中，这种技术不但可以克服湿法化学的缺点，而且可以减小器件污染。等离 子体去胶主要是利用氧在等离子体中产生的活性氧与光刻胶发生反应生成二氧 化碳和水，以达到去除光刻胶的目的。 目前普遍采用的等离子体去胶技术工艺都是在真空室里进行的。在反应系 统中通入少量的氧气，在强电场作用下，使低压氧气产生等离子体，其中活化 气( 或称活泼的原子态气) 占有适当比例，可以迅速地使光刻胶氧化成可挥发 性气体状态被机械泵抽走，从而把硅片上的光刻胶膜去除掉【2 1 。在晶圆制造工 艺中，使用氧等离子体去除光刻胶。这种方法具有操作方便，去胶效率高，表 面干净，无划伤，硅片温度低等优点，但是离子轰击可能会对一些器件表面造 成损害，而且设备及维护费用很高。 四川太学硕士学位论文 1 9 9 5 年，h k o i n u m a 等人开始在大气压下进行光刻胶去胶实验研究，1 9 9 7 年美国i 。o sa l a m o s 国家实验室研制出了常压射频冷等离子体设备，采用常压射 频冷等离子体束流去胶，产物只是c o s 和h 2 0 。”，不会对环境造成危害i 等离子 体温度低，不会对硅片造成热损伤；离子与大气中的分子频繁碰撞，不会因为 离子轰击对硅片造成损伤，而且不存在真空等离子体由于真空设备造成的费用 昂贵的问题，是一种目前为止认为是最理想的绿色的清洗方法。 1 2 常压低温等离子体去胶技术的研究现状 常压低温等离子体主要包括冷等离予体炬、电晕放电和常压射频冷等离子 体。前面两种放电主要适用于小面积的光刻胶去除，而后一种则可以根据需要 做成喷枪式或者圆板式两种，分别用于小面积和大面积的光刻胶去除。 12 1 等离子体炬去胶技术” 日本的k i y o t oi n o m a t a 等人1 9 9 5 年利用冷等离子体炬进行了去除光刻胶 的研究。实验装置如图卜l 所示，放电功率为6 0 8 0 w ，氩气流量为3 0 0 s c c m ， 氧气流量为0 9 o s c c m ，喷出的等离子体的直径为4 m m ，长度为卜5 m m ，长度主 要取决于气体流量和射频电源的功率。 图1 - 1 冷等离子体炬 用此装置对光刻胶a z 一1 4 0 0 进行清洗，样品的厚度为2 1 “m ，在1 0 0 。c 烘 烤3 0 m i n ，放在距离喷口3 m m 的地方，当功率在7 0 w ，氧气比例为1 5 时，得 到最大的去胶速率1 2um m i n ，这时样品表面温度为2 2 0 。此外，该实验还 四川大学硕士学位论文 发现氧气的加入有助于改善硅片表面的粗糙状况。但是这种方法只适合于小面 积的表面清洗，并不能应用于大面积光刻胶的清洗。 1 22 电晕放电( c o r o n ad i $ c h a r g e ) 等离子体去胶技术”。” 2 0 0 2 年曰本的h i r o y u k iy o s h i k i 等人利用射频( 1 3 5 6 m h z ) 电晕放电研制 了常压微弧等离子体喷枪( 卜p j ) ，如图卜2 所示，它可以对局部的光刻胶进行 去除。他们用流量为l o o s c c m 的0 ：( 9 9 9 9 ) 作输入气体，输入功率为1 2 w ， 样品离喷口距离为2 - 3 m m ，对局部的光刻胶进行去除，去胶速率为卜2 0 m m s 。 此外，它还可以对材料进行局部刻蚀和镀膜，在微机械( m e m s ) ，如微传感器和 m i c r o a c t u a t o r 的制造中有着可观的应用前景”。”。 图卜2 常压微弧等离子体喷枪( - - p j ) 与冷等离子体炬相似，这种方法同样只适合于小面积的表面清洗，并不能 应用于大面积光刻胶的清洗 1 2 3 常压射频冷等离子体去胶现状 均匀大面积冷等离子体过去只能在真空中产生，在使用中存在设备及维护 费用高、被处理物体的尺度受真空室腔体限制和操作不方便等缺点。1 9 9 7 年美 因l o sa l o s m a s 国家实验室s e l w y n 博士所领导的课题组，在常压下成功地实 现了射频电容耦合冷等离子体的稳定放电。1 ( a t m o s p h e r i cp r e s s u r ep l a s m a j e t ，简称a p p j ，结构如图卜9 所示) ，这一重大突破意味着过去我们只能在真 四川大学硕士学位沧文 空室中进行的很多工作，现在可以直接在常压下进行。这不但降低了设备成本， 而且操作方便，不受空间的限制，更易于实现大规模的工业化生产。s e l w y n 博 士所领导的课题组已经利用常压射频冷等离子体喷枪在薄膜制各、表面清洗、 刻蚀和灭菌等方面丌展了很多研究工作“”“”。并于1 9 9 9 获得了美国的r & d1 0 0 奖。与电晕放电和介质阻挡放电比较，常压射频冷等离子体放电具有以下特点： ( 1 ) 非高压气体击穿，气体被击穿放电时的均方根电压在2 0 0 伏以内；( 2 ) 在 放电空间所形成的等离子体是均匀稳定的；( 3 ) 等离子体放电是以电容形式耦 合产生的；( 4 ) 在电极之间无电介质材料。 常压射频冷等离子体去胶“”是利用等离子激活的化学活性物质与材料表面 污物反应生成无毒气体或易挥发的气体( 经过小型过滤装置) 达到清洗的目的。 使用h e 和其他活性气体的混合气作为输入气体，通过等离子体使该气体化学激 活，把有机残余物转变为水蒸气，二氧化碳和其它无毒气体。其中电子浓度为 1 0 ”c m ，电子温度为2 - 4 e v ，氧原子浓度为5 1 0 “c m3 ) ”。 据l o sa l a m o s 国家实验室和加州大学的实验，对聚酰亚胺薄膜的刻蚀速 率随温度、r f 功率和氧流量的增大而增大。在r f 功率为5 5 0 w ，温度为2 5 0 ， 通入h e 和1 2 的o 。时，达到最大刻蚀速率8 0 u m m i n ，经测量到达表面的有 臭氧，氧原子和氧团分子，其中氧原子和氧团分子是化学活性物质。若加入c f 4 ， 刻蚀s i 0 2 ，速率可达1 s u m m i n i 刻蚀钽的速率可达2 u m m i n ；刻蚀钨的速率可 达l u m m i n 。与低压等离子体相比，刻蚀金属的速率为低压刻蚀速率的2 3 倍， 刻蚀s i 0 2 的速率为低压的l o 倍，刻蚀聚酰亚胺薄膜的速率为低压的2 6 倍，对 光刻胶的刻蚀速率为低压时的4 1 0 倍。 图卜3a p p j 的结构图 四川大学硕士学位论文 图卜4 为a p p j 喷射到手指上的照片，我们可以看到喷出的等离子体柬流温 度很低，人的皮肤可以承受该温度。所以不会对热敏感的器件造成损伤。 图1 4a p p j 喷出的等离子体束流喷射手指的照片 1 3 本文的主要工作 因为常压射频低温冷等离子体有温度低、损伤小、成本低和没有环境污染 等特点，在许多领域，如去除光刻胶、刻蚀、镀膜、表面改性以及杀菌消毒等， 具有巨大的应用前景，近年来己成为国际上的热点研究之一。1 9 9 7 年美国报道 研制出第一台常压射频冷等离子体设备( a p p j ) ，并给出了一些关于去胶、刻蚀 以及镀膜实验的实验结果但是并未见到具体的实验分析。因此，掌握常压射 频冷等离子体设备的研制，了解它的放电和温度特性，并进行相关方面的实验 性研究是具有重要的实际意义。本文的主要工作包括： 第一章介绍了常压射频低温冷等离子体去除光刻胶的研究背景和意义。 第二章介绍了等离子体的生成方法，并对影响放电稳定性的因素进行了讨 论。 第三章分析研究了该等离子体设备的物理特性，给出了放电特性和温度特 性，并作了初步的理论解释。通过控制功率、极板距离以及氧气流量百分比， 四川大学硕士学位论文 得到大面积均匀稳定的等离子体。 第四章分别对光刻胶s 9 9 1 2 、聚酰亚胺和经过离子注入后的胶进行了去胶实 验研究，得到了去胶速率与输入功率、衬底温度和气体流量的变化关系；并且 分别以氦气和氩气作为携带气体，比较了去胶效果。由结果知道，氩气可以替 代氦气作为携带气体。 第五章对论文的工作做了总结，并对下一步将要的工作进行了介绍。 四川大学硕士学位论文 第二章等离子体生成方法 等离子体的产生是一个比较复杂的过程，本章对等离子体发生的机理进行 了讨论，研究了影响等离子体放电的几个重要因素( 如电源匹配、电极材料、 极板乎整度、进气口的位置以及密封性等) 。在此基础上，对常压射频冷等离子 体设备进行了调试，使其能够满足去胶的要求。 2 1 等离子体简介 1 8 3 5 年，以发现电磁感应而知名的法拉第( m f a r a d y ) 最早发现在低压气 体中放电可以分别观测到相当大的发光区域和不发光的暗区，实现在低压气体 中放电产生“等离子体”。1 8 7 9 年，w c r o o k s 详细地研究了这种放电的性质， 称之为“第四种物质状态”。i l a n g m u i r 又进一步对低压气体放电形成的发光 区，即阳光柱进行了深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多相等 是电中性的。他在1 9 2 8 年发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态为“等离子 体1 。 所谓等离子体是指包含足够多的电荷数目近于相等的正负带电粒子的物质 聚集状态4 13 。等离子体是具有化学反应性的，表现出与固体、液体和气体三种 物质状态不同的特异性能的准中性气体，因此称为物质的第四态。 等离子体过程可能既包括化学过程也包括物理过程，如果简单地用“等离 子体物理”或“等离子体化学”来划分似乎欠妥o 。因此，按其中带电粒子温 度的相对高低，将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。但一般习惯将 等离子体在化学领域的应用称之为“等离子体化学”。 低温等离子体是由完全电离的导电气体组成，其中包括电子、正离子、负 离子、基态的原子或分子和游离基等六种类型的粒子。低温等离子体中不同粒 子问的碰撞过程可分为两类：( 1 ) 弹性碰撞，粒子碰撞前后的动能、动量产生 变化，但没有新的粒子产生，粒子内部能量状态也不会发生变化：( 2 ) 非弹性 碰撞，碰撞过程中产生了新的粒子并改变了粒子内部能量状态。由于低温等离 子体中包括电子、正离子、负离子、自由基、激发态原子或分子等多种化学活 性粒子，所以低温等离子体可引发多种化学反应。 对于低温等离子体，根据热力学状态的不同和中性气体温度的相对高低， 又可分为热等离子体( t h e r m a l p l a s m a ) 和冷等离子体( c o l dp l a s m a ) o 。热等 四川大学硕士学位论文 离子体为局域热力学平衡( l t e ) 等离子体，其特点是电子温度t 。与离子温度t i 中性粒子温度7 r g 相接近；冷等离子体是非平衡等离子体( n o n t h e r m a l e q u i l i b r i u m p l a s m a ) ，其特点是t e t i ，即电子温度高达数万度，而其离子 和中性粒子温度却只有3 0 0 5 0 0 k 。所以对物质表面不会造成热损伤。一般温度 与压强的关系如图2 - i ”7 1 所示。 1 0 5 一1 0 曾 1 8 3 1 0 2 i 0 4 1 8 。31 0 ji 口。1 li 0 1 0 2 1 0 3 p r e s s u r e ( t o r r ) 图2 - i 随压强的变化曲线 等离子体在化学领域的应用起源可归因于t a n d r e w s 通过静放电产生臭氧 ( 1 8 5 6 年) 的实验。在这种静放电中形成温度很高的等离子体。因此，主要观察 了有机物气体的分解和氮化物的合成。此外，由于其它诸如真空技术放电控制 等技术的发展，等离子体技术在化学领域也随之取得了更大的进展。低温等离 子体技术仅涉及材料的浅表面( 塑 。 图3 - 6 常压射频冷等离子体放电均方根伏安特性曲线 放电参数：氦迸气量为2 0 l m i n 图3 6 为输入气体为纯氦时的伏安特性曲线图。当输入功率大于2 3 0 w ，突 然出现拉弧现象( 有氧气加入时，在3 0 0 w 内不会出现拉弧现象，如图3 - 4 所示) ， 电压电流值从a 点降到b 点。若减小输入功率，则i v 曲线从b 点到c 点，这 个过程既有辉光放电又伴随着拉弧现象。继续减小输入功率到l o o w ，回到正常 放电状态。 四川大学硕士学位论文 图3 - - 7 氦气放电电流( a ) 和放电电压( b ) 与氧气流量的关系图 放电参数：气体流量为2 m 3 h 输入功率2 6 0 w 图3 - - 7 为氦气放电电流和放电电压与氧气流量的关系图。由图可以看出 均方根电流随着氧气流量的增加单调减小，均方根电压随着氧气流量的增加而 单调增加。从图中可以看出，氧气所占的比例对放电电流的影响更显著一些。 图3 - - 8 氮气反射功率随氧气流量的变化 放电参数为：气体流量为2 m 3 h ，极板间距1 2 5 m ，输入功率2 6 0 w 图3 一s 为当气体流量一定时，反射功率随着氧气流量的增加的变化关系图。 主l!)od口m絮c叱 四川大学硕士学位论文 当氧气流量小于气体流量的1 时，反射功率随着氧气流量的增加略有减小，当 氧气流量达到1 时，反射功率达到最小。但是，如果继续增大氧气流量，反射 功将随着氧气流量的增加而迅速增加，事实上，当氧气流量超过气体流量的3 时，反射功率对氧气流量变得非常敏感，同时放电变得非常不稳定，直到放 电消失。这种现象可以我们之前用喷枪式等离子体所做的一些实验加以说明。 图3 - 9 不同氧气氦气比例下，放电电压和电流曲线图( v ，1 ，：1 v 2 i2 ：2 8 ，v 4 13 ：3 ， 讥，i 。：32 ) 放电参数：气体流量2 m 3 h 极板闻距1 2 5 m m 输入功率2 5 0 w 图3 - 9 为不同氧气氦气比例( 1 ，2 8 ，3 和3 2 ) 下，放电电压和 电流曲线图，相应的电压和电流分别为v l 和i l v 2 和1 2 ，v 3 和1 3 ，v 4 和1 4 。 随着氧气比例的增加，放电电压豹大小只有很小的改变，但是电流却迅速的减 小，尤其当氧气比例增加到3 2 时，电流迅速减小到没放电以前的数值。同时， 电压电流的相位差也随之消失，说明负载变成无限大的电阻，放电电流为0 ，反 射功率迅速增加，放电在不出现拉弧的情况下完全消失。我们称这种放电失败 为“p h a s e s h i f t f o r w o r d ”【3 ”这种现象可能是由于以下原因：当氧气比例增加到 一定值时，两极板间的电容值变化太快，以致于能量不能被耦合到输入气体中， 从而导致放电的失败。相比较真空等离子体，大气压等离子体由于电子的迁移 率比较低，所以要形成电流需要有一个较大的电场，如下式所示： 盯二d = 一n 。e , u 。a e 6 。* ，和，二。分别为射频放电电流和电子的传导电流，n 。为电子密度，为电子 (vluajjn。l 一百牙暑mg云凸 四川大学硕 + 学位论文 迂移率，a 为放电区域面积，e 。为放电区域的电场，这里假设在放电区间， 电子的漂移电流较之传导电流很小。 叉因为电流和电容以及放电电压之间的关系： fr f = 0 文m h l y m m 。角频率， ( 1 。，壳层电容，。为降在壳层上的电压。由j 二我们得到下 断的方程： cs * h = i n ：e , a ：a e | 洲s h m 由卜式可知，壳层电容很大程度上取决于电子密度。考虑到氧分子比氦原予有 更高的能级，当氧气加大到定比例时，每单位体积内更多更高的能级可以吸 收大量的电子，从而导致电予密度的显著减小，直到最后放电失败。另一方面， 电子浓度的变化使两个壳层电容也随之有很大的变化，从而使能量不能被耦合 到输入气体中。对这种放电失败模式，我们需要进一步的研究。 如果增加气体流量，并没有出现以上现象，这是因为等离子体周围的压强 并不会有很大的改变，增加气体流量只会改变气体的的流动速度，而不会对放 电区域单位体积的气体密度有很大改变这些结果进步说明，在大气压下， 。i 体组成比气体流量对等离子体的放电特性影响更大。 此实验说明，在一定的功率下，当氧气与氩气为定比例( 1 ) 时，去胶速 率最大，超过此比例，去胶速率丌始减小直至出现拉弧现象。 3 ，1 2 温度特性 用热电偶计测量了喷出的氩氧等离子体束流中的温度，以离开喷口中心5 m m 的点为开始测量的坐标原点，考虑到温度分布的对称性，只对一个平面内的温 度分布进行了测量，分别在坐标纵向和横向上每间隔5 m m 做一下测量，得到喷 口外温度的分布曲线，如图3 1 0 所示”3 。放电时参数为：氩气进气流量为2 0 ， m i n ，氧气迸气流量为5 0 s e e m ，调节射频电源匹配器，使放电时入射功率为1 5 0 w ， 反射功率为0 w 。等离子体的束流温度分布的大小主要是取决于放电入射功率的 大小，在放电功率为3 0 0 w 时，氦氮等离子体在喷口处的束流温度是小于2 5 0 。c 。 四川大学硕士学位论文 图3 1 0 等离子体束流在喷口外的变化曲线图 实验气体为氩和氧的混合气体，其中氩气流量2 0 l m i n ，氧气流量5 0 s c cr n ，放电功率1 5 0 w 图3 1 1 等离子体束流在喷口外的变化曲线图。 实验气体为氦和氧的混台气体，其中氦气流量2 0 l m i n ，氧气流量5 0 s c c m ，放电功率1 5 0 w - 2 3 - 四川大学硕士学位沦文 图3 - 1 0 表明，沿着等离子体束流喷出的方向，在离开喷口中心位置为5 m m 的点，温度为1 5 0 。c ，是在该测量区域的最高值，随着离开喷口距离的增加，束 流温度迅速减小，在离喷口为3 0 r a m 时，温度已下降到5 0 。c 左右，这是由于在常 压下气体分子之问有较高的碰撞频率，因此温度损失很快。氦氧等离子体具有 和氩氧等离子体相似的温度特性，如图3 一1 1 所示，但是温度更低一些。 s e l w y n 博士的实验表明喷出的束流中几乎不合有离子成份，只含有亚稳态 的活性原子或基团，以及少量的电子，显然用该等离子体束流进行微电子材料 的表面清洗是不会造成有离子的存在而产生的元器件破坏和任何热损伤。 3 2 浸入式常压射频冷等离子体设备的物理特性 图3 1 2 为浸入式常压射频低温等离子体设备的结构图，它也是由射频电 源、等离子体发生器、进气系统、水冷系统以及加热系统组成。射频电源的频 率为1 3 5 6 m i t z ，工作范围为o - 6 0 0 w 。所不同的是等离子体发生器是由航空铝制 成的原板形射频电极和与它平行的原板形地电极构成，被引入气体在电极之间 击穿电离后形成直径为1 5 0 r a m 高为2 - 5 r a m 的圆柱形放电区间( ，同时使活性气体 在此区间内被激发生成活性物质( 如o 原子) ，图3 1 3 为常压射频低温冷等离 子体清洗光刻胶的照片 图3 - 12 常压射频低温冷等离子体清洗光刻胶的原理示意图 四川大学硕士学位论文 图3 - 13 常压射频低温冷等离子体清洗光刻胶的照片 3 2 1 放电特性 同样采用电压探针( t e k t r o n i xp 6 0 1 5 a ，带宽为7 5 m d z ) 、电流探针 ( t e k t r o n i x 叭卜0 1 0 6 一0 0 ，带宽为2 0 m d z ) 、数字示波器( t e k t r o n i xt d s 2 1 0 ， 采样频率1 g s ，带宽6 0 m d z ) 和计算机数据采集系统测量了等离子体的放电特 性，原位下载了放电时的电流和电压波形。 图3 - 1 4 氦氩放电曲线比较 图3 1 4 给出的是h e 0 2 和a r 0 2 等离子体放电的电压和电流曲线。放电 参数为：氦气氩气进气量为5 l m i n ，氧进气量为3 0 s c c m ，射频输入功率为3 0 0 w ， 四川大学硕士学位论文 反射功率为0 。由图3 1 4 可以看出，电压和电流随时间的变化基本上都呈正弦 波形。h e 0 ：的峰值电压大约有有1 7 0 v ，大约为a f r 0 2 峰值电压的两倍，a r 0 2 的峰值电压只有8 0 v 。从放电电流看，a r 0 2 放电的峰值电流为5 a ，大约是h e 0 2 的放电电流的两倍，h e 0 ：放电的峰值电流大约有2 5 a 。从该图我们还可以计 算出各放电电压和放电电流的相位差。通过计算，我们得出 l e 0 ：的电压电流相 位差为7 3 ，a r 0 2 相位差为5 9 ，这说明有更多的能量耦合到a r 0 ：放电中。 可m ( n 曲 图3 1 5 不同距离氦气放电电压波形比较 图3 1 5 为极板距离分别为2 m m 、3 m m 、4 m m 和5 m m 时的氦气放电电压波 形比较。从图中可以看出，随着极板距离的增加，放电电压会相应增大。 图3 1 6 不同距离氦气放电电流波形比较 四川大学硕士学位论文 图3 1 6 为极板距离分别为2 m m 、3 m m 、4 m m 和5 r a m 时的氦气放电电流波 形比较。从图中可以看出，随着极板距离的增加，放电电流会相应减小。 图3 17 不同距离氩气放电电压波形比较 图3 1 7 为极板距离分别为2 m m 、3 m m 、4 r m r l 5 m m 时的氩气放电电压波形 比较。从图中可以看出，随着极板距离的增加，放电电压会相应增大。当距离 增大到5 5 m m 时，开始出现拉弧现象，我们可以看到电压会突然大幅下降。 图3 1 8 不同距离氢气放电电流波形比较 2 7 四川大学硕士学位论文 图3 1 8 为极板距离分别为2 m m 、3 r a m 、4 r a m 和5 m m 时的氩气放电电流波 形比较。从图中可以看出，随着极板距离的增加，放电电流会相应减小。当距 离增加到5 5 r a m 时，电流也大幅减小，而且波形出现变形，此外相位也发生了 位移。 ( a )( b ) 图3 - 1 9 电压电流随着功率的变化关系：( a ) a r o z ，( 2 ) h e o z 图3 ，1 9 为h e 0 2 和a d 0 2 的的电压电流随功率变化曲线。从图中我们可以 看出，两种等离子体的电压电流有着相同的变化趋势，即都随着功率的增大而 增大。所不同的是，氩等离子体的电压和电流在某一很小的功率刚会突然减小， 然后随着功率的迸一步增大，继续按照各自原来的速率增大。氦等离子体则不 会发生这种现象，它会按着相同的速率变化。通过实验，我们发现在氩等离子 体的电流电压突然减小时，它的放电面积会突然增大，然后随着功率的继续增 加，放电面积不会有太大的改变，电压电流继续按照原来的速率增加。而对于 氦等离子体，因为从开始放电直到拉弧，放电面积一直没有显著的变化。所以， 我们推测这个现象可能与放电面积的大小有关，放电面积突然增大，导致相应 的电容突然增大，从而电压和电流的突然减小。关于上述现象还有待进一步研 究。 四川大学硕士学位沦文 3 3 小结 本章通过对等离子体的放电特性的研究，确定了能使等离子体稳定放电的 功率范围、极板距离、以及氧气和氩气的混合比例，并且对两种放电失效模式 进行了讨论。通过对等离子体温度特性的研究，知道等离子体的温度小于15 0 ，不会对器件造成热损伤。通过以上分析，说明能够产生一种大面积均匀稳 定的冷等离子体，可以用于光刻胶去除实验研究。 四川大学硕士学位论文 第四章常压射频冷等离子体去除光刻胶实验研究 在对常压射频冷等离子体物理特性研究的基础上，本章利用该常压射频冷 等离子体设备，分别对光刻胶$ 9 9 1 2 、聚酰距胺咀及经过离子注入后的胶进行了 实验研究，确定了输入功率、衬底温度以及气体流量对去胶速率的影响关系， 并对去胶结果进行了分析。最后做了氩氧等离子体和氦氧等离子体去胶的对比 实验。 4 1 光刻胶去胶原理 在本实验及以后的实验中，我们采用第二章描述的浸入式的等离子体设备 为实验设备。样品制备：用甩胶机在4 ”的硅片上涂光刻胶，转速为3 0 0 0 转m i n 。 然后放入烘箱在1 0 0 烘烤l o m i l l 。 在清洗光刻胶过程中，去胶速率主要取决于活性氧原子的数量 3 2 - 3 4 1 。氧原 子是主要通过电荷之问的转换和再结合来产生的，如以下方程所示： e + a r a r 十+ 2 e 一 ( 4 1 ) a r + + 0 2 ，a r + o + 一- 一一 ( 4 2 ) 0 2 十+ e 一0 + 0 4 一一一 ( 4 3 ) 氧气的电离能为1 2 0 6 e v ，氩气的电离能为1 5 6 e v ，产生的氧原子运动到硅片 表面与光刻胶发生反应。电离率为1 0 。1 6 m 3 。s1 ，而再结合的几率为1 0 。1 3m 3 s ，由 此可以看出，氧原子数量取决于产生的氩离子的数量。 等离子体中电场与气体分子相互作用产生多种活性成分：电子、离子、中 性原子以及处于激发态的分子。因此等离子体中发生的反应比常规条件下发生 的反应复杂的多。通常在高温下才起化合作用的气体，在辉光放电时在室温下 就能发生反应。如果把固体表面曝露在辉光放电中，具有较高能量的组元轰击 嘲体表面，使它溅射出来，也可能固体表面材料与有能量的组元起反应形成新 单体。等离子体条件卜的反应在微电子工业f j - 的应用已经变得越来越广泛。 目前，等离子体技术主要应用于去除光刻胶( 等离子体清洗p l a s m a a s h i n g ) ， 硅化合物的刻蚀( 等离子体刻蚀p l a s m a - e t c h i n g ) ，以及无机( 或有机) 膜的沉 积( 常称辉光放电沉积g l o w d i s c h a r g ed e p o s i t i o n ) 。 光刻胶只要是饱和的碳氢聚合物，如果用一般常规的化学方法处理，在低 于6 0 0 时，它不与分子氧发生反应，但是辉光放电时产生原子氧，只要4 0 四j | 大学硕士学位论文 时它就能与原子氧迅速反应，等离子体条件下聚合物的氧化如下： 0 2 一一o 十o ( 3 1 ) r h + o r + r o 或r + 0 h 一( 3 2 ) r + o 一一r o ( 3 3 ) r + 0 2 r o o ( 3 4 ) 这些链式反应的最终产物是c 0 2 和h 0 2 。 图4 - 1 常压等离子体去除光刻胶原理 图4 1 为常压射频冷等离子体清沈光刻胶的原理示意图。在电场的作用下， 氧分子分解成化学活性氧原子，这些氧原子和光刻胶反应，生成二氧化碳和水。 4 2 实验数据的分析方法 b e f o r ee t c h a ：f l e re l c h 酗一半( n ) 涮2 如- ( 如括t h i z k n e s s d l , t n g e t a c t i s e t c h f i r n e ( n l i n ) 图4 - 2 数据分析方法 3 1 四川大学硕士学位论文 因为清洗光刻胶并不均匀，随着距离硅片中心半径的增大去胶速率有所减 小，而薄