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單晶硅表面清洗工藝在硅片中已經有了大量的應用,主要采用了濕法清洗的手段,運用各種溶劑并輔以超聲、兆聲對單晶硅表面進行清洗。但存在環境污染、工藝復雜等問題,而等離子體清洗等干法清洗相比之下具有很大的優勢。

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

根據清洗過程中發生反應的不同,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清洗。采用Ar等惰性氣體激發的等離子體物理清洗以物理濺射去除作用為主,不發生化學反應,被清洗表面沒有氧化層殘留,清洗效率較差,對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等反應性氣體的等離子體化學清洗以化學反應去除為主,清洗效率高,能有效去除有機污染,會增加元件表面活性基團(含氧、含氮等)的含量,提升表面浸潤性,但會在元件表面殘留氧化物。

本文主要研究不同類型氣體氬和氧的等離子體清洗工藝對單晶硅表面粗糙度的影響。實驗中使用等離子體清洗對兩塊經相同拋光工藝后具有較一致的表面質量的單晶硅表面進行處理,并對清洗前后單晶硅表面粗糙度、光熱弱吸收水平進行檢測,研究等離子體清洗對單晶硅表面粗糙度的影響。

表面粗糙度的變化

圖1為白光干涉儀測量下單晶硅表面在等離子體清洗前后的表面粗糙度對比及PSD曲線。從測量結果看,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。而從相應的PSD曲線看,在等離子體清洗前后PSD曲線沒有明顯的改變,說明等離子體清洗對白光干涉儀測量的空間頻率范圍內的表面粗糙度都有影響。

圖1 等離子體清洗對表面粗糙度(白光干涉儀)的影響 

圖2為原子力顯微鏡測量下的單晶硅表面粗糙度在清洗前后的對比。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,如原子力顯微鏡測量結果的三維圖像即圖中(a)、(b)所示,同時相應的PSD曲線上等離子體清洗后位于2×104mm-1頻段(對應于50nm波長)處的峰值消失了。這種對比驗證了等離子體清洗的清洗效果。從測量的表面粗糙度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曲線的結果看,等離子體清洗對單晶硅表面能夠起到清洗和預處理的目的,同時對單晶硅表面粗糙度的影響也較小。相對于氬等離子體清洗,氧等離子體清洗的影響更小。