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氧等離子活化時(shí)間和功率對(duì)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(lái)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(yīng),但是Ar選擇性差而且容易對(duì)晶圓表面產(chǎn)生嚴(yán)重的刻蝕。N2的作用和O2類似,活化過(guò)程中會(huì)與晶圓表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),達(dá)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(jié)合來(lái)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(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。

氧等離子活化設(shè)備的工藝過(guò)程如圖1所示。首先為機(jī)器設(shè)置好相應(yīng)的活化參數(shù),將晶圓放入活化腔室中,機(jī)器抽真空至30mTorr以下并通入活化氣體氧氣,開(kāi)啟射頻電源后就會(huì)產(chǎn)生等離子體,通過(guò)觀測(cè)窗口可觀察到明顯的輝光。當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后,活化完成,抽真空排除殘余氣體,充入氮?dú)馄胶馇皇覂?nèi)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(shù)對(duì)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(guò)對(duì)晶圓表面接觸角和粗糙度的測(cè)試來(lái)評(píng)估評(píng)估活化效果。一般情況下,未活化的晶圓表面進(jìn)行接觸角測(cè)試時(shí),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(shù)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(jīng)過(guò)等離子體活化后晶圓表面親水基團(tuán)的數(shù)量,活化效果越好,接觸角也就越小。

(1) 等離子活化功率對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的接觸角測(cè)試圖。可見(jiàn),未活化時(shí),晶圓的接觸角為51.1°,當(dāng)經(jīng)過(guò)等離子活化后,接觸角迅速降低,說(shuō)明等離子活化可以顯著改善表面狀態(tài)。活化功率為50W時(shí),氧等離子體具有較弱的物理轟擊能力,它無(wú)法去除硅晶圓表面較小的顆粒污染物,并且由于活化強(qiáng)度不夠,因而懸掛鍵與吸附的羥基較少,導(dǎo)致表面能較低。當(dāng)活化功率為150W時(shí),接觸角最小,說(shuō)明活化功率增大,表面吸附的羥基增多,脫水縮合正向反應(yīng)增強(qiáng),相比于50W的活化功率,活化更加充分,親水基更多。當(dāng)活化功率為250W時(shí),接觸角相比150W時(shí)無(wú)明顯變化,說(shuō)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(dá)到飽和,繼續(xù)增加刻蝕功率,對(duì)接觸角的影響不大。

表1 不同等離子活化時(shí)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(shí),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(dāng)活化功率增加至150W時(shí),表面粗糙度開(kāi)始降低,此時(shí)Ra為0.279nm,在整個(gè)測(cè)試區(qū)域峰值相對(duì)平滑,此時(shí)的峰值粗糙度也降低,Rmax為4.1nm;當(dāng)活化功率為250W時(shí),表面粗糙度反而上升,此時(shí)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(shí)間對(duì)晶圓表面接觸角和粗糙度的影響

等離子活化時(shí)間對(duì)晶圓表面也有顯著影響,圖3為不同活化時(shí)間下晶圓表面的接觸角。可見(jiàn),活化時(shí)間為30s時(shí),接觸角為6.93°,此時(shí)活化時(shí)間較短,氧等離子體活化不充分,產(chǎn)生的懸掛鍵較少,表面能較低,進(jìn)而表面吸附的羥基較少,所以親水角較大;當(dāng)活化時(shí)間為60s時(shí),接觸角為3.33°,說(shuō)明隨著活化時(shí)間的增加,反應(yīng)正向進(jìn)行,表面形成的懸掛鍵數(shù)量增多,可以吸附更多的水分子;當(dāng)活化時(shí)間為90s時(shí),接觸角為2.61°,說(shuō)明硅片表面完全活化,晶圓表面富含羥基基團(tuán);當(dāng)活化時(shí)間繼續(xù)增加至120s時(shí),接觸角變?yōu)?.18°,接觸角的增加可能是由表面形貌的變化引起,將會(huì)在接下來(lái)的表面粗糙度分析中討論;當(dāng)活化時(shí)間增加至180s時(shí),接觸角又迅速降低。可見(jiàn),隨著活化時(shí)間的增加,晶圓表面的活化反應(yīng)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(shí)間下的接觸角

圖4為不同活化時(shí)間下晶圓表面粗糙度的變化情況。由圖4可知,當(dāng)活化時(shí)間為30s時(shí),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(dāng)氧等離子體活化時(shí)間增加至60s時(shí),盡管表面粗糙度Ra無(wú)明顯變化,但晶圓表面出現(xiàn)規(guī)律的微觀起伏,最大粗糙度Rmax增加至7.5nm,這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的粒子轟擊引起晶圓表面的損傷;當(dāng)活化時(shí)間進(jìn)一步增加至90s時(shí),部分波峰合并,粗糙度Ra降低至0.329nm,Rmax為3.24nm;當(dāng)活化時(shí)間為120s時(shí),表面又恢復(fù)至比較平滑的狀態(tài),此時(shí)的表面粗糙度Ra為0.279nm,Rmax為4.1nm,這是因?yàn)榱Ｗ愚Z擊時(shí),波峰暴露的面積較大,因此刻蝕速率較快,長(zhǎng)時(shí)間的刻蝕會(huì)導(dǎo)致波峰的合并甚至消失,表面狀態(tài)變好;當(dāng)?shù)入x子體活化時(shí)間增加到180s時(shí),表面又會(huì)出現(xiàn)規(guī)律的微觀起伏,導(dǎo)致表面粗糙度增加。此外,這種規(guī)律的微觀起伏更容易存貯水分子,使接觸角變小。