等离子体清洗的表面改性作用-plasma

等离子体清洗根据不同清洗对象(金属、半导体、氧化物、高分子材料)及处理工艺等可选用不同的单一工艺气体或两种气体混合。根据反应原理可分为物理清洗(如Ar、N2)和化学清洗(如O2、H2)。表1所示为工艺选用及反应过程和应用。式(12)表示O2在得到射频高频脉冲电压能量后变成氧阳离子和电子,离子停留时间在几十到几百毫秒之间,具体停留时间与工艺条件有关。式(13)表示O2在一定温度、压强及射频高频脉冲电场下分解成氧原子。式(14)中被电子激发的氧转变成基态并发出紫外线,紫外线辐射可分解长碳链化合物等聚合物类污物,加速式(17)反应。式(15)表示单线态氧吸收光线生成激发态氧原子。式(16)[14]表示氧分子在自由电子作用下分解成氧原子和氧离子。式(12)至式(16)产生的电子、O2+、O、O2、O+在高频能量作用下撞击材料表面,使其表面活性增大并产生凹凸,材料表面粗糙度增大进而使粘接力增加,表面张力提升;附着在材料表面的电子会对向材料表面运动的氧阳离子产生吸引力,加速其运动并增加冲击力。式(19)为激发态氧原子去除有机物的过程。对于有机物或半导体基材,其表面断裂的键会与OH-反应生成OH基,提升其亲水性,使易于沉积且沉积层质地较纯;但材料表面亲水性的提高存在最佳表面改性时间,超时则亲水性再次下降。

表1 等离子体清洗工艺选用及反应过程和应用

等离子体清洗的表面改性作用

等离子体表面改性是利用等离子体中产生的电子、离子、原子和紫外线等对材料表面进行处理,使其活化、改性,提升材料表面性能。

等离子体表面改性除了提升材料表面粗糙度外,还可增加一些材料表面的耐磨性。对于性能稳定但质地硬脆的碳化物、硅化物和氮化物,表面改性能够在其表面重新形成一层致密的网状层,使其硬度变大、耐热、抗腐蚀,防止加工过程中发生表层干裂。例如:半导体器件加工中Si经Ar表面改性后会更加耐热、耐磨、耐蚀,否则由于Si硬脆质地其表层膜会出现干裂,导致产生废件;对于有机物,在材料表面形成一层交联层,可提高其耐磨性或抗腐蚀性。

等离子清洗的表面改性作用可提升材料性能,保证产品可靠性,因此应用广泛。在半导体加工中,可对金属涂层和陶瓷涂层等进行表面改性提升其耐磨性、耐蚀性和耐热性、附着力;在半导体沉积前在最佳时间下对其表面改性,能够提升半导体、金属膜基结合力或有机物表面亲水性;等离子表面改性还可在晶圆加工及键合前清洗中应用;表面改性能提升材料表面粗糙度,如在微喷砂处理和玻璃基材处理中应用Ar等离子体粗化。