通常用Ar、O2和N2等等离子体来清洗或活化晶圆表面。Ar是惰性气体,其主要依靠溅射作用清洗晶圆并与需要活化的晶圆表面之间不存在氧化反应,但是Ar选择性差而且容易对晶圆表面产生严重的刻蚀。N2的作用和O2类似,活化过程中会与晶圆表面发生物理化学反应,达到表面清洗及活化的目的。一般情况下,N2的粒子相比O2偏轻,主要用于和其它气体结合来处理一些特殊材料,因而相比之下,氧等离子体活化具有刻蚀效果显著、易于调控等优点。

氧等离子活化设备的工艺过程如图1所示。首先为机器设置好相应的活化参数,将晶圆放入活化腔室中,机器抽真空至30mTorr以下并通入活化气体氧气,开启射频电源后就会产生等离子体,通过观测窗口可观察到明显的辉光。当达到设定时间后,活化完成,抽真空排除残余气体,充入氮气平衡腔室内外压力,取出晶圆。

图1 等离子体活化晶圆流程 

氧等离子活化参数对晶圆接触角和粗糙度的影响

为了更清楚的了解等离子体活化的效果,通过对晶圆表面接触角和粗糙度的测试来评估评估活化效果。一般情况下,未活化的晶圆表面进行接触角测试时,由于表面呈疏水性,是等离子体活化后的5~10倍。不同的活化参数使得晶圆表面接触角变化明显,而亲水性晶圆表面的接触角又称为亲水角,代表着经过等离子体活化后晶圆表面亲水基团的数量,活化效果越好,接触角也就越小。

(1) 等离子活化功率对晶圆表面接触角和粗糙度的影响

首先分析了等离子活化功率对晶圆表面的影响,表1为等离子体活化功率为50W、150W、250W晶圆的亲水角和粗糙度。图1给出了对应的接触角测试图。可见,未活化时,晶圆的接触角为51.1°,当经过等离子活化后,接触角迅速降低,说明等离子活化可以显著改善表面状态。活化功率为50W时,氧等离子体具有较弱的物理轰击能力,它无法去除硅晶圆表面较小的颗粒污染物,并且由于活化强度不够,因而悬挂键与吸附的羟基较少,导致表面能较低。当活化功率为150W时,接触角最小,说明活化功率增大,表面吸附的羟基增多,脱水缩合正向反应增强,相比于50W的活化功率,活化更加充分,亲水基更多。当活化功率为250W时,接触角相比150W时无明显变化,说明在同样的气体流量下,150W的活化功率基本使表面吸附的羟基达到饱和,继续增加刻蚀功率,对接触角的影响不大。

表1 不同等离子活化时间下晶圆表面的亲水角和粗糙度 

图1 不同等离子活化功率下晶圆表面的接触角(a)50W(b) 150W(c)250W 

图2为不同等离子活化功率下晶圆表面的粗糙度。晶圆未活化时,表面粗糙度Ra最好,为0.274nm;50W活化120s后,表面粗糙度Ra增加至0.301nm,且表面有明显高峰值起伏,最大粗糙度Rmax为5.87nm;当活化功率增加至150W时,表面粗糙度开始降低,此时Ra为0.279nm,在整个测试区域峰值相对平滑,此时的峰值粗糙度也降低,Rmax为4.1nm;当活化功率为250W时,表面粗糙度反而上升,此时Ra为0.337nm,相比于150W活化功率,其峰值粗糙度有所增加,Rmax为4.86nm。

图2 不同等离子活化功率下晶圆的表面形貌(a)未活化(b) 50W(c) 150W(d)250W 

（2）等离子活化时间对晶圆表面接触角和粗糙度的影响

等离子活化时间对晶圆表面也有显著影响,图3为不同活化时间下晶圆表面的接触角。可见,活化时间为30s时,接触角为6.93°,此时活化时间较短,氧等离子体活化不充分,产生的悬挂键较少,表面能较低,进而表面吸附的羟基较少,所以亲水角较大;当活化时间为60s时,接触角为3.33°,说明随着活化时间的增加,反应正向进行,表面形成的悬挂键数量增多,可以吸附更多的水分子;当活化时间为90s时,接触角为2.61°,说明硅片表面完全活化,晶圆表面富含羟基基团;当活化时间继续增加至120s时,接触角变为4.18°,接触角的增加可能是由表面形貌的变化引起,将会在接下来的表面粗糙度分析中讨论;当活化时间增加至180s时,接触角又迅速降低。可见,随着活化时间的增加,晶圆表面的活化反应越充分,接触角越小,亲水性越好。

图3 (a)未活化、(b)30s、(c)60s、(d)90s、(e)120s、(f)180s活化时间下的接触角 

图4为不同活化时间下晶圆表面粗糙度的变化情况。由图4可知,当活化时间为30s时,表面粗糙度Ra为0.353nm,表面微观起伏不明显,最大粗糙度Rmax为3.5nm。当氧等离子体活化时间增加至60s时,尽管表面粗糙度Ra无明显变化,但晶圆表面出现规律的微观起伏,最大粗糙度Rmax增加至7.5nm,这可能是由于长时间的粒子轰击引起晶圆表面的损伤;当活化时间进一步增加至90s时,部分波峰合并,粗糙度Ra降低至0.329nm,Rmax为3.24nm;当活化时间为120s时,表面又恢复至比较平滑的状态,此时的表面粗糙度Ra为0.279nm,Rmax为4.1nm,这是因为粒子轰击时,波峰暴露的面积较大,因此刻蚀速率较快,长时间的刻蚀会导致波峰的合并甚至消失,表面状态变好;当等离子体活化时间增加到180s时,表面又会出现规律的微观起伏,导致表面粗糙度增加。此外,这种规律的微观起伏更容易存贮水分子,使接触角变小。

图4 (a)未活化、(b)30s、(c)60s、(d)90s、(e)120s、(f)180s活化时间下的粗糙度模型