常压射频低温冷等离子体清洗光刻胶研究

摘要：介绍了一种新型的常压射频低温冷等离子体放电设备，用该设备进行了清洗光刻胶的工艺实验研究。实验结果表明：在100mm硅片表面涂上9912光刻胶，用等离子体进行清洗的速率可达500nm/min，测量了清洗速率与放电功率、氧气流量和衬底温度之间的变化关系；并对离子注入（B+,5×1015cm-2）后的光刻胶进行了清洗实验，得到清洗速率为300nm/min。清洗后的电镜分析证明，经等离子体清洗后，硅片表面无损伤、无残胶。

关键词：常压；射频；等离子体；光刻胶；清洗

中图分类号：TN405.982;TN305.97 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)12-0026-04

在微电子工业中光刻胶的清洗是一个十分重要的环节，清洗工序占整个制造工序的30%~35%。传统上都是采用湿化学方法来进行光刻胶的清洗的。它具有不可控制、清洗不彻底、需要反复清洗等缺点，而且会造成环境污染，需要建立专门的回收处理站。随着新材料的使用和微器件特征尺寸的进一步减小，要求有一种更具选择性、更环保、也更能人为控制的清洗技术。自20世纪80年代以来，等离子体干法刻蚀被应用于光刻胶的清洗中[1-3]。这种技术不但可以清洗化学结构更为复杂的光刻胶而且不会产生化学废物，有利于环境保护。
干法清洗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。它能对高温烘烤过的胶、显影后的底胶以及铝电极和大剂量离子注入过的胶进行清洗。目前，普遍采用的干法清洗光刻胶工艺都是在真空室里利用低气压氧等离子体来进行清洗。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，操作不方便和时间长等缺点。1995年，H. Koinuma[4]等人开始在大气压下进行光刻胶清洗的实验研究，清洗速率可达到每分钟几个微米，但是他们所采用的等离子体设备只能对直径为5mm的小面积进行清洗，而且清洗后仍有残胶存在。1997年美国 LOS Alamos[5~9]国家实验室发明了常压射频冷等离子体喷枪设备，并利用该设备产生的更大面积的等离子体对光刻胶进行清洗实验研究。但到目前为止，仍没有看到有关用常压等离子体清洗100mm以上面积的硅片的报道。

中国科学院微电子研究所近研制出的常压射频电容耦合冷等离子体喷枪设备[10,11]，能产生直径为150mm的大面积均匀冷等离子体。利用该设备对100mm硅片进行了干法清洗的工艺实验，当放电输入功率为300W，氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，衬底温度为118℃时，得到对光刻胶9912 的清洗速率为500nm/min；对离子注入（B+注入，注入剂量为5×1015cm-2）后的光刻胶，当放电功率为350W，氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，衬底温度为130℃时，得到清洗速率为 300nm/min。

2 设备介绍

如所示，常压射频冷等离子体喷枪设备由射频电源、等离子体发生器、进气系统、水冷系统和加热系统等组成。射频电源的频率为 13.56MHz，工作范围为0~600W。等离子体发生器是由射频电极和地电极构成。被引入的气体在电极之间击穿电离后形成冷等离子体并均匀向下喷出，形成直径为150mm的放电区间，如所示（放电参数为：氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，射频输入功率为300W，反射功率为0）。

3 氧原子产生原理

在清洗光刻胶的过程中，清洗速率主要取决于活性氧原子[11~13]。氧原子主要是通过电荷之间的转换和再结合[14]产生的，如方程（1）所示

产生的氧原子运动到硅片表面与光刻胶发生反应。

4 实验及结果分析

用甩胶机在干净的100mm硅片上旋涂，调节转速为3000r/min，然后放入烘箱在100℃下烘10min，光刻胶厚度为1.4 mm。本实验通过测量清洗前后硅片的质量差来计算清洗速率。

为清洗速率与功率之间的变化关系。从图中可以看出，输入功率是影响清洗速率的一个重要因素。当输入功率为150W时，清洗速率很小，只有28nm/min，随着输入功率的增加，等离子体中的电子温度、电子密度和活性基团的密度会随之增加，因此所产生的活性氧原子数量增多，反应速率加快，当输入功率增加到400W时，清洗速率达到429nm/min，这已远大于真空等离子体的清洗速率。

为清洗速率和氧气流量之间的变化关系。增加氧气流量会增加氧原子，因而增加清洗速率。但是由于通入氩气流量是一定的，即能够电离出来的氩离子是一定的，根据方程（1），当氩离子全部与氧分子反应时，氧原子的数量会达到一个值，即清洗速率达到值。如所示，当氧气的流量接近总流量的1%时，得到的清洗速率444nm/min，进一步增加氧气的流量，出现放电减弱的现象，有关这种放电机理目前还不是很清楚。对于清洗速率随着氧气流量的进一步增加会减小的初步解释是

（1）臭氧的生成：O+ O2+ O2→O3+ O2 ；

（2）氧原子之间结合生成氧气：O+ O+ O2→2 O2 ；

（3）因为氧原子的扩散速率比氩离子的扩散速率大，而且因为在大气压下，分子、离子之间的碰撞十分频繁，所以氩离子的浓度随着离开喷枪喷口距离的增加迅速减小，氧原子主要在喷口处生成。在这种情况下，氧原子在到达硅片前有足够的时间扩散到空气中，从而使终到达硅片表面的氧原子数目减小。

为清洗速率与衬底温度的变化关系。由图可以看出，衬底温度可以加速反应的发生。在氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，输入功率为 300W时，温度从87℃升到118℃，清洗速率从196nm/min增加到500nm/min，增加了约300nm/min。此外，由图可以看出，随着温度的进一步增加，清洗速率会进一步增大。但是为了避免对器件造成热损伤，衬底温度应控制在一定范围之内。

对经过离子注入（B+, 5×1015）的光刻胶的实验表明：当功率为350W，氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm时，清洗速率可以达到300nm/min。

在干净的硅片上涂一层AZ9918光刻胶，甩胶机的转速为3000r/min，涂胶厚度为1.2mm，然后在90℃下烘20min，光刻并刻蚀出如（a）所示的图形，这时剩胶的厚度为500nm，然后把刻蚀好的硅片放到等离子中清洗（放电功率为300W，反射功率为0W，氩气流量为5L/min,氧气流量为25sccm），经过2min的清洗，光刻胶全部去除干净。（b）是清洗后的电镜照片，可以看出利用该设备清洗光刻胶没有残胶存在。

为对100mm涂胶硅片进行清洗前、清洗中和清洗后的照片比较。照片左边的硅片为涂胶清洗前的形貌；中间硅片为清洗1min后，未清洗干净时的相貌；右边硅片为光刻胶被彻底清洗干净后的照片。

5 结论

文章介绍了一种新的可用于光刻胶清洗的常压射频冷等离子体设备。用该设备进行的工艺实验表明：清洗速率与输入功率几乎成线性正比关系；在氧气流量达到总流量的1%之前，清洗速率随着氧气流量的增加而增加，在1%时达到值，再继续增大氧气流量清洗速率开始减小；清洗速率与衬底温度基本呈线性增加的关系。当入射功率为 300W，氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，衬底温度为130℃时，得到对光刻胶的清洗速率为 500nm/min。

对离子注入的光刻胶的清洗结果表明，当入射功率为350W，氩气流量为5L/min，氧气流量为25sccm，衬底温度为130℃时，清洗速率达到 300nm/min。用电镜分析了光刻胶清洗前后的表面形貌，可以看出该设备对光刻胶有良好的清洗效果。

采用常压射频冷等离子体清洗光刻胶，由于是在大气中进行，等离子体中粒子之间的碰撞自由程很小，所以等离子体中几乎没有高能离子存在，不会像真空等离子体那样对硅片表面造成损伤。 而且操作十分简便、没有任何环境污染，是一种十分理想的清洗手段，具有实际的工业应用价值。