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氧等離子活化時間和功率對晶圓接觸角和粗糙度的影響

Nov. 17, 2025

通常用Ar、O2和N2等等離子體來清洗或活化晶圓表面。Ar是惰性氣體,其主要依靠濺射作用清洗晶圓并與需要活化的晶圓表面之間不存在氧化反應,但是Ar選擇性差而且容易對晶圓表面產生嚴重的刻蝕。N2的作用和O2類似,活化過程中會與晶圓表面發生物理化學反應,達到表面清洗及活化的目的。一般情況下,N2的粒子相比O2偏輕,主要用于和其它氣體結合來處理一些特殊材料,因而相比之下,氧等離子體活化具有刻蝕效果顯著、易于調控等優點。

氧等離子活化設備的工藝過程如圖1所示。首先為機器設置好相應的活化參數,將晶圓放入活化腔室中,機器抽真空至30mTorr以下并通入活化氣體氧氣,開啟射頻電源后就會產生等離子體,通過觀測窗口可觀察到明顯的輝光。當達到設定時間后,活化完成,抽真空排除殘余氣體,充入氮氣平衡腔室內外壓力,取出晶圓。

圖1 等離子體活化晶圓流程

氧等離子活化參數對晶圓接觸角和粗糙度的影響

為了更清楚的了解等離子體活化的效果,通過對晶圓表面接觸角和粗糙度的測試來評估評估活化效果。一般情況下,未活化的晶圓表面進行接觸角測試時,由于表面呈疏水性,是等離子體活化后的5~10倍。不同的活化參數使得晶圓表面接觸角變化明顯,而親水性晶圓表面的接觸角又稱為親水角,代表著經過等離子體活化后晶圓表面親水基團的數量,活化效果越好,接觸角也就越小。

(1) 等離子活化功率對晶圓表面接觸角和粗糙度的影響

首先分析了等離子活化功率對晶圓表面的影響,表1為等離子體活化功率為50W、150W、250W晶圓的親水角和粗糙度。圖1給出了對應的接觸角測試圖。可見,未活化時,晶圓的接觸角為51.1°,當經過等離子活化后,接觸角迅速降低,說明等離子活化可以顯著改善表面狀態。活化功率為50W時,氧等離子體具有較弱的物理轟擊能力,它無法去除硅晶圓表面較小的顆粒污染物,并且由于活化強度不夠,因而懸掛鍵與吸附的羥基較少,導致表面能較低。當活化功率為150W時,接觸角最小,說明活化功率增大,表面吸附的羥基增多,脫水縮合正向反應增強,相比于50W的活化功率,活化更加充分,親水基更多。當活化功率為250W時,接觸角相比150W時無明顯變化,說明在同樣的氣體流量下,150W的活化功率基本使表面吸附的羥基達到飽和,繼續增加刻蝕功率,對接觸角的影響不大。

表1 不同等離子活化時間下晶圓表面的親水角和粗糙度

圖1 不同等離子活化功率下晶圓表面的接觸角(a)50W(b) 150W(c)250W

圖2為不同等離子活化功率下晶圓表面的粗糙度。晶圓未活化時,表面粗糙度Ra最好,為0.274nm;50W活化120s后,表面粗糙度Ra增加至0.301nm,且表面有明顯高峰值起伏,最大粗糙度Rmax為5.87nm;當活化功率增加至150W時,表面粗糙度開始降低,此時Ra為0.279nm,在整個測試區域峰值相對平滑,此時的峰值粗糙度也降低,Rmax為4.1nm;當活化功率為250W時,表面粗糙度反而上升,此時Ra為0.337nm,相比于150W活化功率,其峰值粗糙度有所增加,Rmax為4.86nm。

圖2 不同等離子活化功率下晶圓的表面形貌(a)未活化(b) 50W(c) 150W(d)250W

（2）等離子活化時間對晶圓表面接觸角和粗糙度的影響

等離子活化時間對晶圓表面也有顯著影響,圖3為不同活化時間下晶圓表面的接觸角。可見,活化時間為30s時,接觸角為6.93°,此時活化時間較短,氧等離子體活化不充分,產生的懸掛鍵較少,表面能較低,進而表面吸附的羥基較少,所以親水角較大;當活化時間為60s時,接觸角為3.33°,說明隨著活化時間的增加,反應正向進行,表面形成的懸掛鍵數量增多,可以吸附更多的水分子;當活化時間為90s時,接觸角為2.61°,說明硅片表面完全活化,晶圓表面富含羥基基團;當活化時間繼續增加至120s時,接觸角變為4.18°,接觸角的增加可能是由表面形貌的變化引起,將會在接下來的表面粗糙度分析中討論;當活化時間增加至180s時,接觸角又迅速降低。可見,隨著活化時間的增加,晶圓表面的活化反應越充分,接觸角越小,親水性越好。

圖3 (a)未活化、(b)30s、(c)60s、(d)90s、(e)120s、(f)180s活化時間下的接觸角

圖4為不同活化時間下晶圓表面粗糙度的變化情況。由圖4可知,當活化時間為30s時,表面粗糙度Ra為0.353nm,表面微觀起伏不明顯,最大粗糙度Rmax為3.5nm。當氧等離子體活化時間增加至60s時,盡管表面粗糙度Ra無明顯變化,但晶圓表面出現規律的微觀起伏,最大粗糙度Rmax增加至7.5nm,這可能是由于長時間的粒子轟擊引起晶圓表面的損傷;當活化時間進一步增加至90s時,部分波峰合并,粗糙度Ra降低至0.329nm,Rmax為3.24nm;當活化時間為120s時,表面又恢復至比較平滑的狀態,此時的表面粗糙度Ra為0.279nm,Rmax為4.1nm,這是因為粒子轟擊時,波峰暴露的面積較大,因此刻蝕速率較快,長時間的刻蝕會導致波峰的合并甚至消失,表面狀態變好;當等離子體活化時間增加到180s時,表面又會出現規律的微觀起伏,導致表面粗糙度增加。此外,這種規律的微觀起伏更容易存貯水分子,使接觸角變小。