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等離子體是物質的第四態,由大量帶電粒子(電子、離子)以及中性粒子組成,具有獨特的電磁特性。根據薩哈方程估算,自然界中99%以上的物質都以等離子體形態存在,例如星云、太陽(風)、閃電、極光等[。氣體放電是在人工或實驗室條件下產生等離子體最常用的方式,常見的放電形式包括:電弧放電、火花放電、輝光放電(如日光燈、霓虹燈)等。根據溫度的不同,可將等離子體分為低溫等離子體、熱等離子體、高溫等離子體。例如,用于人工核聚變研究的托克馬克裝置(人造太陽)以及核聚變發電中的等離子體就是典型的高溫等離子體。低溫等離子體由于其宏觀溫度低、非熱平衡(電子溫度遠大于重粒子溫度)等獨特的物理和化學性質,已廣泛應用于材料處理、芯片制造、空間電推進等領域,并已成為支撐相關領域發展的關鍵動力。

灰化(ashing)工藝是半導體制造中一種重要的表面清潔技術,廣泛應用于去除光刻膠殘留物。在半導體制造過程中,光刻膠作為掩模在刻蝕過程中起到保護作用。然而,在刻蝕完成后,光刻膠常常會殘留在晶圓表面,這會對后續工藝步驟產生負面影響。因此,開發高效的去除方法是提升制造質量的關鍵。

等離子體灰化工藝

等離子灰化工藝的核心在于通過等離子體氧化反應有效去除光刻膠。在該過程中,通常采用低壓環境下的射頻或微波電離氣體(如氧氣或氟氣),生成等離子體。該等離子體中產生的活性物質,如原子氧或氟自由基,具有極強的反應性,能夠與光刻膠發生化學反應,從而實現高效去除。

具體而言,光刻膠的基本成分是碳氫有機物,等離子灰化過程涉及等離子體中的活性物質與光刻膠的反應。如圖1所示,這一反應將光刻膠分解為揮發性副產物,如二氧化碳(CO2)和水蒸氣(H2O),這些副產物隨后被抽走,留下干凈的晶圓表面。該過程通常在低壓環境下進行,以確保選擇性和反應效果達到最佳。

圖1 氧等離子體灰化工藝過程

根據不同的需求,灰化工藝可以分為幾種類型。高溫灰化(剝離)旨在盡可能多地去除光刻膠,適用于大面積去除,而殘留去除(Descum)則專門用于去除狹縫或特征中的光刻膠殘留,解決了高細節圖案中常見的問題。這些不同類型的灰化工藝為半導體制造提供了靈活的解決方案,以滿足不同工藝要求。

灰化技術在半導體制造中的重要性不可忽視。首先,確保光刻膠的完全去除是實現后續工藝中準確圖案化的基礎。其次,灰化過程的一致性和均勻性對半導體器件的性能和可靠性至關重要。此外,先進的灰化技術致力于在去除光刻膠的同時,盡量減少對底層晶圓表面的損傷,這一目標的實現對于提升器件的整體質量具有重要意義。