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在等離子體清洗活化處理時(shí),等離子體氣相中的高能物質(zhì)會(huì)被噴附到晶圓的待處理表面。這些高能物質(zhì)與晶圓表面發(fā)生物理沖擊或化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致固體表面分子與吸附的高能基團(tuán)反應(yīng)分解,生成氣相產(chǎn)物并脫離表面。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致晶圓表面暴露出懸掛鍵,而這些懸掛鍵會(huì)吸附空氣中的游離-OH基團(tuán)。在活化后的晶圓表面,由于-OH基團(tuán)的存在,會(huì)使得表面的親水性得到提高。

等離子體清洗活化對(duì)SiC晶圓表面親水性的影響 

圖1為SiC晶圓碳表面濕潤(rùn)角隨氧等離子體清洗活化時(shí)間的變化圖。從圖中可以看出,等離子體活化后,晶圓表面的親水性得到顯著提升。隨著活化時(shí)間的延長(zhǎng),濕潤(rùn)角呈下降趨勢(shì),并在活化時(shí)間超過(guò)30s后趨于平穩(wěn)。在該活化時(shí)間點(diǎn)之后,SiC晶圓表面的親水性基本保持在14°的濕潤(rùn)角上下波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,相較于濕法溶液活化,干法氧等離子體活化對(duì)SiC晶圓表面親水性提升更大。此外,雖然能極大地改善SiC晶圓表面的親水性,但尚不能使得SiC晶圓表面達(dá)到完全濕潤(rùn)狀態(tài)。

圖1 SiC晶圓 表面濕潤(rùn)角隨氧等離子體清洗活化時(shí)間的變化圖:(a)原始C面  (b)10s (c)20s (d)30s (e)40s (f)60s 

為了對(duì)比采用氧等離子體活化對(duì)晶圓表面親水性提升的影響,本小節(jié)采用了氮氧混合氣體(比例為3:1)通入等離子體清洗設(shè)備進(jìn)行干法表面活化實(shí)驗(yàn)。圖4-15展示了SiC晶圓碳表面濕潤(rùn)角隨著氮氧混合等離子體活化時(shí)間的變化情況。從圖中可以觀察到,氮氧混合等離子體活化對(duì)SiC晶圓碳表面的親水性影響規(guī)律幾乎與氧等離子體相似。在活化時(shí)間短于20s之前,氮氧混合等離子體相對(duì)于純氧等離子體的效果略顯不足,對(duì)晶圓表面親水性的提升效果較差。然而,隨著活化時(shí)間的增加,氮氧混合等離子活化的效果逐漸超過(guò)純氧等離子體,使晶圓表面的親水性略有增強(qiáng)。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氮氧混合等離子體活化在一定活化時(shí)間內(nèi)對(duì)SiC晶圓碳表面的親水性具有改善效果,可能在特定條件下表現(xiàn)出更好的活化效果。

圖2 SiC晶圓 表面濕潤(rùn)角隨氮氧混合等離子體活化時(shí)間的變化圖:(a)原始 C面 ()10s (c)20s (d)30s (e)40s (f)60s 

等離子體清洗活化SiC晶圓表面XPS測(cè)試分析

圖3展示了經(jīng)氧等離子體干法活化清洗前后SiC晶圓XPS測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。從全譜圖來(lái)看,氧等離子體活化前后SiC晶圓碳面未發(fā)現(xiàn)新的元素,仍然包含C、Si、O三種元素。然而,在O元素的相對(duì)含量方面發(fā)生了顯著的增加,其大幅上升是由于等離子體轟擊后晶圓表面的大量懸掛鍵連接橋接了空氣中的-OH基團(tuán)。

圖3 氧等離子體干法活化清洗前后SiC晶片XPS測(cè)試結(jié)果對(duì)比:(a)原始碳 面全譜圖 ()干法清洗后碳面全譜圖 (c)原始碳面C元素特征譜 (d)干法清洗后 碳面C元素特征譜

對(duì)C元素的特征圖譜進(jìn)行比較,氧等離子活化后,碳污染的C-C鍵增加,表面自然氧化層COxSiy物質(zhì)含量下降,基材中的C-Si含量也略微下降。這表明等離子體活化不僅能清除SiC晶圓表面的自然氧化層,還可能破壞SiC晶圓基材,打斷C-Si化學(xué)鍵的連接,從而形成游離的C雜質(zhì)。

綜上所述：在等離子體清洗活化對(duì)SIC晶圓表面化學(xué)狀態(tài)的影響實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了氧等離子體去除了晶圓表面的自然氧化層并破壞了晶圓基材,產(chǎn)生了游離的C-C雜質(zhì),并且晶圓產(chǎn)生了新的化學(xué)結(jié)構(gòu)Si-O-Si,闡釋了SiC晶圓表面親水性的提高源于C-OH、Si-OH鍵的大量增加。