在等离子体清洗活化处理时,等离子体气相中的高能物质会被喷附到晶圆的待处理表面。这些高能物质与晶圆表面发生物理冲击或化学反应,导致固体表面分子与吸附的高能基团反应分解,生成气相产物并脱离表面。这个过程会导致晶圆表面暴露出悬挂键,而这些悬挂键会吸附空气中的游离-OH基团。在活化后的晶圆表面,由于-OH基团的存在,会使得表面的亲水性得到提高。

等离子体清洗活化对SiC晶圆表面亲水性的影响 

图1为SiC晶圆碳表面湿润角随氧等离子体清洗活化时间的变化图。从图中可以看出,等离子体活化后,晶圆表面的亲水性得到显著提升。随着活化时间的延长,湿润角呈下降趋势,并在活化时间超过30s后趋于平稳。在该活化时间点之后,SiC晶圆表面的亲水性基本保持在14°的湿润角上下波动。实验测试结果表明,相较于湿法溶液活化,干法氧等离子体活化对SiC晶圆表面亲水性提升更大。此外,虽然能极大地改善SiC晶圆表面的亲水性,但尚不能使得SiC晶圆表面达到完全湿润状态。

图1 SiC晶圆 表面湿润角随氧等离子体清洗活化时间的变化图:(a)原始C面  (b)10s (c)20s (d)30s (e)40s (f)60s 

为了对比采用氧等离子体活化对晶圆表面亲水性提升的影响,本小节采用了氮氧混合气体(比例为3:1)通入等离子体清洗设备进行干法表面活化实验。图4-15展示了SiC晶圆碳表面湿润角随着氮氧混合等离子体活化时间的变化情况。从图中可以观察到,氮氧混合等离子体活化对SiC晶圆碳表面的亲水性影响规律几乎与氧等离子体相似。在活化时间短于20s之前,氮氧混合等离子体相对于纯氧等离子体的效果略显不足,对晶圆表面亲水性的提升效果较差。然而,随着活化时间的增加,氮氧混合等离子活化的效果逐渐超过纯氧等离子体,使晶圆表面的亲水性略有增强。这一实验结果表明,氮氧混合等离子体活化在一定活化时间内对SiC晶圆碳表面的亲水性具有改善效果,可能在特定条件下表现出更好的活化效果。

图2 SiC晶圆 表面湿润角随氮氧混合等离子体活化时间的变化图:(a)原始 C面 ()10s (c)20s (d)30s (e)40s (f)60s 

等离子体清洗活化SiC晶圆表面XPS测试分析

图3展示了经氧等离子体干法活化清洗前后SiC晶圆XPS测试结果的对比。从全谱图来看,氧等离子体活化前后SiC晶圆碳面未发现新的元素,仍然包含C、Si、O三种元素。然而,在O元素的相对含量方面发生了显著的增加,其大幅上升是由于等离子体轰击后晶圆表面的大量悬挂键连接桥接了空气中的-OH基团。

图3 氧等离子体干法活化清洗前后SiC晶片XPS测试结果对比:(a)原始碳 面全谱图 ()干法清洗后碳面全谱图 (c)原始碳面C元素特征谱 (d)干法清洗后 碳面C元素特征谱

对C元素的特征图谱进行比较,氧等离子活化后,碳污染的C-C键增加,表面自然氧化层COxSiy物质含量下降,基材中的C-Si含量也略微下降。这表明等离子体活化不仅能清除SiC晶圆表面的自然氧化层,还可能破坏SiC晶圆基材,打断C-Si化学键的连接,从而形成游离的C杂质。

综上所述：在等离子体清洗活化对SIC晶圆表面化学状态的影响实验中,发现了氧等离子体去除了晶圆表面的自然氧化层并破坏了晶圆基材,产生了游离的C-C杂质,并且晶圆产生了新的化学结构Si-O-Si,阐释了SiC晶圆表面亲水性的提高源于C-OH、Si-OH键的大量增加。