单晶硅表面清洗工艺在硅片中已经有了大量的应用,主要采用了湿法清洗的手段,运用各种溶剂并辅以超声、兆声对单晶硅表面进行清洗。但存在环境污染、工艺复杂等问题,而等离子体清洗等干法清洗相比之下具有很大的优势。

等离子体清洗起源于20世纪初,主要利用低温等离子体的物理、化学作用对光学元件表面残留的有机污染物进行清洗,被视为湿法清洗的替代工艺。其主要的工作原理是:在低压环境下Ar、O2等工艺气体在电荷、激光等作用下激发形成等离子体,生成大量的活性粒子如离子、电子、自由基及光子(高能射线);被激发成等离子态的气体与光学元件表面发生化学吸附生成易挥发分子、物理溅射等作用达到去除元件表面污染的目的。

根据清洗过程中发生反应的不同,可以将等离子体清洗分为等离子体物理清洗和等离子体化学清洗。采用Ar等惰性气体激发的等离子体物理清洗以物理溅射去除作用为主,不发生化学反应,被清洗表面没有氧化层残留,清洗效率较差,对表面粗糙度有一定的恶化,可以提高材料表面的附着力。采用O2等反应性气体的等离子体化学清洗以化学反应去除为主,清洗效率高,能有效去除有机污染,会增加元件表面活性基团(含氧、含氮等)的含量,提升表面浸润性,但会在元件表面残留氧化物。

本文主要研究不同类型气体氩和氧的等离子体清洗工艺对单晶硅表面粗糙度的影响。实验中使用等离子体清洗对两块经相同抛光工艺后具有较一致的表面质量的单晶硅表面进行处理,并对清洗前后单晶硅表面粗糙度、光热弱吸收水平进行检测,研究等离子体清洗对单晶硅表面粗糙度的影响。

表面粗糙度的变化

图1为白光干涉仪测量下单晶硅表面在等离子体清洗前后的表面粗糙度对比及PSD曲线。从测量结果看,等离子体清洗前后单晶硅表面粗糙度RMS值均增加了约0.25nm。而从相应的PSD曲线看,在等离子体清洗前后PSD曲线没有明显的改变,说明等离子体清洗对白光干涉仪测量的空间频率范围内的表面粗糙度都有影响。

图1 等离子体清洗对表面粗糙度(白光干涉仪)的影响 

图2为原子力显微镜测量下的单晶硅表面粗糙度在清洗前后的对比。首先从清洗效果看,两者等离子体清洗后单晶硅表面抛光颗粒残留基本消失,如原子力显微镜测量结果的三维图像即图中(a)、(b)所示,同时相应的PSD曲线上等离子体清洗后位于2×104mm-1频段(对应于50nm波长)处的峰值消失了。这种对比验证了等离子体清洗的清洗效果。从测量的表面粗糙度RMS值看,氩等离子体清洗后粗糙度RMS值略有增大,而氧等离子体清洗后可以保持不变甚至略有减低。

图2 等离子体体清洗对表面粗糙度(原子力显微镜)的影响 

从表面粗糙度及PSD曲线的结果看,等离子体清洗对单晶硅表面能够起到清洗和预处理的目的,同时对单晶硅表面粗糙度的影响也较小。相对于氩等离子体清洗,氧等离子体清洗的影响更小。