硅基材料中,硅(Si)作為第一代半導體,具有儲量大、機械性能好等優(yōu)點,加之離子注入、擴散、氧化等工藝的應用和發(fā)展使得硅器件的開發(fā)和制造得到了進一步優(yōu)化,同時硅是光電器件中最重要的結構材料。由于具有的單一SiO2組分結構特征,硅片具有良好的寬光譜范圍透光性和機械電學特性優(yōu)良等特性,在光電器件封裝和各類傳感器、微納流控芯片制造方面有著其他材料不可比擬的優(yōu)勢。

硅片等離子清洗提高親水性

等離子體是物質的一種特殊存在狀態(tài),它是氣體在在高頻交變電場的作用下被電離，繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)后的第四種存在狀態(tài)。等離子體由激發(fā)狀態(tài)的原子、分子、自由基原子團、電子等組成。等離子清洗技術正是利用等離子體中的高能粒子通過轟擊、活化反應等物理化學方法,將污染物從工件上剝離去除的一種工藝方法。

對水平放置的硅片進行不同時長的氧等離子體清洗,得到如圖1所示為表面清洗時間分別為0s、5s、10s、15s、20s的硅片表面水液滴潤濕情況。

圖1 不同等離子清洗時長硅片表面液滴鋪展圖 

由圖1可知,未經處理的硅片表面液滴保持半徑較小的球冠狀,隨著氧等離子體表面清洗時間的增加,硅片表面液滴越來越鋪展,當處理時間達到20s時,液滴在硅表面完全鋪展。

對各個清洗時間硅片表面液滴的接觸角分別進行測量,得到如圖2所示的硅片表面接觸角隨處理時間變化圖像。

圖2 硅片表面接觸角隨等離子清洗時長變化曲線 

未經等離子清洗的硅片表面接觸角為71.8°,潤濕性較差,而當清洗時間增加至20s時,硅片表面接觸角降至0°,繼續(xù)增加表面清洗時間至25s、30s后,接觸角并未發(fā)生改變,穩(wěn)定在0°，硅片最終等離子清洗效果如圖3所示。

圖三 硅片等離子清洗前后水滴角對比

原理分析

未經等離子清洗的硅片表面潤濕性差、液滴接觸角大的原因是處理前的硅片表面存在碳氫化合物、碳氧化物等污染物。

隨著等離子表面清洗過程的進行,表面的污染物通過高能粒子轟擊解吸附、被氧化生成揮發(fā)性氣體從表面逸出等方式得到清洗?；钚匝跖c表面有機污染物發(fā)生反應如式：C_xH_y+O^*→CO+CO₂+H₂O

與此同時,氧等離子體直接作用在硅片表面部分區(qū)域,產生更多如Si-、Si-O-懸掛鍵,提高表面能與表面活性,能夠與周圍環(huán)境中的游離-OH生成部分Si-OH，如圖4所示,使得表面的潤濕性提高,接觸角減小。當表面清洗時間不斷增長時,更多的表面污染物被清洗,更多的潔凈表面被暴露與等離子體直接作用,產生Si-OH的數(shù)量不斷增加,表面潤濕性進一步提高,潤濕角持續(xù)下降。直到表面處理時間超過20s后,提高表面潤濕性的親水基團Si-OH增至能夠使液滴完全在硅片表面鋪展的程度,潤濕角為0°。

圖四 等離子體清洗對硅片表面活化引入羥基

等離子體清洗通過化學或物理作用對硅片表面進行活化,實現(xiàn)分子級的沾污去除以提高其表面的活性,增大硅片表面的懸掛鍵數(shù)量,使硅片表面親水性能大大提升。