等离子体是物质的第四态,由大量带电粒子(电子、离子)以及中性粒子组成,具有独特的电磁特性。根据萨哈方程估算,自然界中99%以上的物质都以等离子体形态存在,例如星云、太阳(风)、闪电、极光等[。气体放电是在人工或实验室条件下产生等离子体最常用的方式,常见的放电形式包括:电弧放电、火花放电、辉光放电(如日光灯、霓虹灯)等。根据温度的不同,可将等离子体分为低温等离子体、热等离子体、高温等离子体。例如,用于人工核聚变研究的托克马克装置(人造太阳)以及核聚变发电中的等离子体就是典型的高温等离子体。低温等离子体由于其宏观温度低、非热平衡(电子温度远大于重粒子温度)等独特的物理和化学性质,已广泛应用于材料处理、芯片制造、空间电推进等领域,并已成为支撑相关领域发展的关键动力。

灰化(ashing)工艺是半导体制造中一种重要的表面清洁技术,广泛应用于去除光刻胶残留物。在半导体制造过程中,光刻胶作为掩模在刻蚀过程中起到保护作用。然而,在刻蚀完成后,光刻胶常常会残留在晶圆表面,这会对后续工艺步骤产生负面影响。因此,开发高效的去除方法是提升制造质量的关键。

等离子体灰化工艺

等离子灰化工艺的核心在于通过等离子体氧化反应有效去除光刻胶。在该过程中,通常采用低压环境下的射频或微波电离气体(如氧气或氟气),生成等离子体。该等离子体中产生的活性物质,如原子氧或氟自由基,具有极强的反应性,能够与光刻胶发生化学反应,从而实现高效去除。

具体而言,光刻胶的基本成分是碳氢有机物,等离子灰化过程涉及等离子体中的活性物质与光刻胶的反应。如图1所示,这一反应将光刻胶分解为挥发性副产物,如二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O),这些副产物随后被抽走,留下干净的晶圆表面。该过程通常在低压环境下进行,以确保选择性和反应效果达到最佳。

图1 氧等离子体灰化工艺过程

根据不同的需求,灰化工艺可以分为几种类型。高温灰化(剥离)旨在尽可能多地去除光刻胶,适用于大面积去除,而残留去除(Descum)则专门用于去除狭缝或特征中的光刻胶残留,解决了高细节图案中常见的问题。这些不同类型的灰化工艺为半导体制造提供了灵活的解决方案,以满足不同工艺要求。

灰化技术在半导体制造中的重要性不可忽视。首先,确保光刻胶的完全去除是实现后续工艺中准确图案化的基础。其次,灰化过程的一致性和均匀性对半导体器件的性能和可靠性至关重要。此外,先进的灰化技术致力于在去除光刻胶的同时,尽量减少对底层晶圆表面的损伤,这一目标的实现对于提升器件的整体质量具有重要意义。