溫度與壓力對等離子去膠工藝的影響

王玉亮，李凌宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

等離子去膠又稱干法式去膠，等離子去膠的工作原理是在真空狀態(tài)下，使得氣體產(chǎn)生活性等離子體，以此，在物理、化學(xué)雙重作用下對清洗的部件如砷化鎵、氮化鎵等進(jìn)行表面的轟擊，將表面要去掉的物質(zhì)變成了離子或者氣體，然后利用真空泵將這些清洗出來的物質(zhì)抽離出去，從而達(dá)到清洗目的。等離子去膠的好壞直接決定了成品率的高低，等離子去膠工藝主要是半導(dǎo)體單片掃膠、掃底膜工藝、元器件封裝前、芯片制造等行業(yè)中[1,2]。

隨著技術(shù)水平的不斷更新迭代，以及各生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品潔凈度要求的不斷提高，清洗工藝逐步由濕法向干法轉(zhuǎn)變。干法清洗通過氣體形成的等離子體在工件表面發(fā)生作用，不需要經(jīng)化學(xué)試劑浸泡，也不用烘干，過程更加潔凈安全，清洗過程也方便控制，工作環(huán)境及人員安全明顯改善，在成本有效減少的同時(shí)，產(chǎn)品成品率及優(yōu)品率也得到很大提高，目前已成為各半導(dǎo)體產(chǎn)品領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

1 等離子清洗原理及主要影響工藝參數(shù)

1.1 等離子去膠原理

等離子產(chǎn)生的原理是：給充入足夠的氧氣或者氬氣并且穩(wěn)定的真空條件下的腔體的電極施加射頻，使得氣體產(chǎn)生活性等離子體，以此，在物理、化學(xué)雙重作用下對清洗的部件如砷化鎵、氮化鎵等進(jìn)行表面的轟擊，將表面要去掉的物質(zhì)變成了離子或者氣體，經(jīng)過了抽真空排出，而達(dá)到清洗目的[3]。

等離子物理去膠過程：

主要是物理作用對清洗物件進(jìn)行轟擊達(dá)到去膠的目的，主要的氣體為氧氣、氬氣等，通過射頻產(chǎn)生氧離子，轟擊清洗物件，以獲得表面光滑的最大化，并且結(jié)果是親水性增大，如圖1所示。

圖1 物理清洗前后

等離子化學(xué)清洗過程：

清洗物的表面主要是以化學(xué)反應(yīng)的形式表現(xiàn)作為主要的清洗目的，利用射頻電源將氣體電離活化，與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CO2和H2O，然后經(jīng)真空泵將其抽走，達(dá)到清洗目的，如圖2所示。

有機(jī)物+O2→CO2+H2O

圖2 化學(xué)清洗前后

1.2 等離子去膠主要影響工藝參數(shù)

影響等離子去膠效果的工藝參數(shù)有很多，主要包括工藝氣體流向，工藝氣體流量，射頻功率，射頻頻率，去膠時(shí)間，真空壓力值以及腔體溫度。具體各參數(shù)對等離子清洗影響：

1) 氣體流向：等離子去膠工藝中一般采用石英腔體，采用垂直的氣體流向，并加以分氣盤進(jìn)行整個(gè)氣流的覆蓋，決定了等離子體的具體位置，對去膠元件的好壞有決定性的影響。

2) 工藝氣體流量：工藝氣體如氧氣、氬氣等的流量的多少直接導(dǎo)致了等離子體的多少，過多過少都不會有較好的去膠效果，對元件的去膠均勻性有較大影響。

3) 射頻功率：決定了氣體形成離子態(tài)的能量大小，功率越大能夠激發(fā)越多氣體形成離子態(tài)，去膠清洗效果越明顯，但其余參數(shù)不變的前提下，功率越大，腔體內(nèi)溫度越高，且當(dāng)氣體流量達(dá)到飽和后，一定射頻功率能激發(fā)的離子體也會達(dá)到飽和，需根據(jù)實(shí)際條件配合氣體流量及工藝要求選擇。

4) 射頻頻率：射頻頻率選擇一般通用13.56 MHz及2.45 GHz，射頻的頻率影響工藝氣體的電離程度，但頻率過高，會導(dǎo)致電子振幅縮短，當(dāng)振幅比電子自由程還短時(shí)，電子與氣體分子碰撞機(jī)率也會大大降低，影響最終電離率[4]。

5) 清洗時(shí)間：其余參數(shù)不變的前提下，去膠時(shí)間越長，去膠越多，腔體溫度會增加，但伴隨著溫度升高，對某些不耐高溫及易損工件會造成損壞，因此不適宜長時(shí)間清洗，一般控制在30 s～180 s之間。

6) 真空壓力值：腔體真空壓力的控制也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在氧氣流量和功率一定情況下，要提高真空度，必須更換大抽速的泵，大功率泵會造成氣體離子密度降低，從而使去膠效果變差，但是本章要介紹的是利用電氣部件蝶閥來控制腔體的真空度，來達(dá)到我們在不改變氧氣的濃度條件下怎樣來控制一個(gè)腔體的真空度。

7) 腔體溫度：腔體溫度對去膠速率有較大影響，溫度增加去膠速率越大，但是均勻性會變差，因此要嚴(yán)格控制腔體的溫度，為去膠清洗工藝營造一個(gè)良好的環(huán)境。

2 壓力在去膠工藝的作用

在光刻膠的等離子去膠工藝時(shí)，充入的氧氣功率等一定時(shí)，石英腔體的壓力值也是一定的，我們可以利用蝶閥進(jìn)行決定抽氣量的多少，進(jìn)而來控制腔體的壓力大小。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)腔體屬于接近圓柱的石英腔體，為上中心進(jìn)氣，最下方抽氣方式，中間有分氣盤打散進(jìn)氣使得腔體氣體飽和，抽氣口采用蝶閥控制抽氣量的大小，進(jìn)而來改變整個(gè)腔體的壓力，來研究真空壓力對去膠工藝的影響。

實(shí)驗(yàn)一采用砷化鎵的晶圓涂上光刻膠后進(jìn)行工藝驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)選用13.56 MHz的射頻電源，氧氣流量1.5slm，真空控制在3T-6T，每增加1T的真空度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，射頻功率200W，去膠工藝時(shí)間90 s，溫度在90 ℃左右。

實(shí)驗(yàn)二采用砷化鎵的晶圓涂上光刻膠后進(jìn)行工藝驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)選用13.56 MHz的射頻電源，氧氣流量1.5slm，真空控制在5T，射頻功率200 W，去膠工藝時(shí)間90 s，溫度控制在80 ℃～110 ℃，每10 ℃進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工藝實(shí)驗(yàn)完成后，通過在工藝前后利用膜厚測量儀對晶圓的上下左右以及中心5個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行厚度測量得到具體的去膠值，并通過公式來計(jì)算工藝的去膠速率與均勻性數(shù)值，能夠得到結(jié)果如表1、表2。

表1 壓力變化前后的去膠速率與均勻性的對比

表2 溫度變化前后的去膠速率與均勻性的對比

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表1我們可以得出其他參數(shù)不變的情況下，真空壓力越低去膠速率越高，但是均勻性不能保證，但是在真空壓力為5T的時(shí)候均勻性最小，因此我們可以根據(jù)這個(gè)真空壓力值改變其他的參數(shù)以此來獲得我們想要的速率以及均勻性。

從表2我們可以得到其他參數(shù)不變的情況下，溫度越高，去膠速率有明顯變大的趨勢，但是在90 ℃左右最為穩(wěn)定。

綜合以上，可見在等離子去膠過程中不僅要考慮到腔體內(nèi)真空壓力對等離子體的影響，腔體溫度也尤為重要，要綜合考慮，讓氣體均勻地充滿整個(gè)腔體，在射頻電源的激發(fā)下，形成的離子體也在腔體內(nèi)部均勻分布，對待清洗工件的清洗均勻性及優(yōu)良性有大幅度改善。

3 結(jié)論

在等離子清洗流程中，很多參數(shù)如：射頻功率、工藝氣體流量、去膠時(shí)間等都對去膠效果有很大影響，搭配得當(dāng)不僅可以提高工藝效率，同時(shí)節(jié)約工藝成本。這些參數(shù)中，有些如射頻功率、氣體流量、清洗時(shí)間等可以根據(jù)多次反復(fù)的工藝試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整得出合理值，然而，通過上述實(shí)驗(yàn)，得出在腔體內(nèi)部加入溫度以及真空壓力控制系統(tǒng)并加以合理進(jìn)行調(diào)節(jié)可以大大提高去膠均勻性并得到最優(yōu)的去膠速率。