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單晶硅表面清洗工藝在硅片中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用,主要采用了濕法清洗的手段,運(yùn)用各種溶劑并輔以超聲、兆聲對(duì)單晶硅表面進(jìn)行清洗。但存在環(huán)境污染、工藝復(fù)雜等問(wèn)題,而等離子體清洗等干法清洗相比之下具有很大的優(yōu)勢(shì)。

等離子體清洗起源于20世紀(jì)初,主要利用低溫等離子體的物理、化學(xué)作用對(duì)光學(xué)元件表面殘留的有機(jī)污染物進(jìn)行清洗,被視為濕法清洗的替代工藝。其主要的工作原理是:在低壓環(huán)境下Ar、O2等工藝氣體在電荷、激光等作用下激發(fā)形成等離子體,生成大量的活性粒子如離子、電子、自由基及光子(高能射線);被激發(fā)成等離子態(tài)的氣體與光學(xué)元件表面發(fā)生化學(xué)吸附生成易揮發(fā)分子、物理濺射等作用達(dá)到去除元件表面污染的目的。

根據(jù)清洗過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的不同,可以將等離子體清洗分為等離子體物理清洗和等離子體化學(xué)清洗。采用Ar等惰性氣體激發(fā)的等離子體物理清洗以物理濺射去除作用為主,不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),被清洗表面沒(méi)有氧化層殘留,清洗效率較差,對(duì)表面粗糙度有一定的惡化,可以提高材料表面的附著力。采用O2等反應(yīng)性氣體的等離子體化學(xué)清洗以化學(xué)反應(yīng)去除為主,清洗效率高,能有效去除有機(jī)污染,會(huì)增加元件表面活性基團(tuán)(含氧、含氮等)的含量,提升表面浸潤(rùn)性,但會(huì)在元件表面殘留氧化物。

本文主要研究不同類(lèi)型氣體氬和氧的等離子體清洗工藝對(duì)單晶硅表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)中使用等離子體清洗對(duì)兩塊經(jīng)相同拋光工藝后具有較一致的表面質(zhì)量的單晶硅表面進(jìn)行處理,并對(duì)清洗前后單晶硅表面粗糙度、光熱弱吸收水平進(jìn)行檢測(cè),研究等離子體清洗對(duì)單晶硅表面粗糙度的影響。

表面粗糙度的變化

圖1為白光干涉儀測(cè)量下單晶硅表面在等離子體清洗前后的表面粗糙度對(duì)比及PSD曲線。從測(cè)量結(jié)果看,等離子體清洗前后單晶硅表面粗糙度RMS值均增加了約0.25nm。而從相應(yīng)的PSD曲線看,在等離子體清洗前后PSD曲線沒(méi)有明顯的改變,說(shuō)明等離子體清洗對(duì)白光干涉儀測(cè)量的空間頻率范圍內(nèi)的表面粗糙度都有影響。

圖1 等離子體清洗對(duì)表面粗糙度(白光干涉儀)的影響 

圖2為原子力顯微鏡測(cè)量下的單晶硅表面粗糙度在清洗前后的對(duì)比。首先從清洗效果看,兩者等離子體清洗后單晶硅表面拋光顆粒殘留基本消失,如原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果的三維圖像即圖中(a)、(b)所示,同時(shí)相應(yīng)的PSD曲線上等離子體清洗后位于2×104mm-1頻段(對(duì)應(yīng)于50nm波長(zhǎng))處的峰值消失了。這種對(duì)比驗(yàn)證了等離子體清洗的清洗效果。從測(cè)量的表面粗糙度RMS值看,氬等離子體清洗后粗糙度RMS值略有增大,而氧等離子體清洗后可以保持不變甚至略有減低。

圖2 等離子體體清洗對(duì)表面粗糙度(原子力顯微鏡)的影響 

從表面粗糙度及PSD曲線的結(jié)果看,等離子體清洗對(duì)單晶硅表面能夠起到清洗和預(yù)處理的目的,同時(shí)對(duì)單晶硅表面粗糙度的影響也較小。相對(duì)于氬等離子體清洗,氧等離子體清洗的影響更小。