不同腔体结构对优化等离子灰化效果探究_刘晓玲.pdf
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1、(总第 300 期)电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期:2023-04-19不同腔体结构对优化等离子灰化效果探究刘晓玲(中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原030024)摘要:为了提高低压等离子灰化工艺的均匀性指标,通过对不同光刻胶灰化工艺效果进行采集分析,针对圆柱形石英工艺腔进行参数优化,着重分析了腔体结构与灰化效果的关系,分别通过ANSYS软件仿真及实际工艺验证,归纳出工艺腔体结构与灰化工艺片内均匀性之间的关系,得出符合工业生产要求均匀性指标的腔体结构参数。关键词:等离子灰化;
2、灰化速率;灰化均匀性中图分类号:TN304.05文献标志码:B文章编号:1004-4507(2023)03-0005-06Optimum Exploration for Plasma Ashing Effect ofDifferent Chambers StructuresLIU Xiaoling(The 2ndResearch Institute of CETC,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to improve the uniformity index of low-pressure plasma ashing process,this pa
3、percollects and analyzes the ashing process effects of different photoresists,optimizes the parameters ofcylindrical quartz process chambers,focuses on analyzing the relationship between cavity structureand ashing effect,and summarizes the relationship between process chambers structure and in-chipu
4、niformity of ashing process through ANSYS software simulation and actual process verification Thechamber structure parameters that meet the uniformity index of industrial production requirements areobtained.Key words:Plasma ashing;Ashing rate;Ashing uniformity等离子体(Plasma)是正离子和电子的密度大致相等的电离气体,由离子、电子、自
5、由激进分子、光子以及中性粒子组成1;是由部分被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺寸大于德拜长度且宏观呈电中性,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为;是宇宙中物质材料制造工艺与设备5(总第 300 期)电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023的主流存在形态,闪电、星云等均是自然界中典型的等离子态;是固、液、气三态之外物质存在的第四态。人工生成等离子体的方法有加热或气体放电,气体放电更容易实现和实施精确控制。因此工程应用中,等离子体激励方式大多采用气体放电模式。等离子体大致可分为 2
6、 类。第一类是由高温使分子和原子的动能增高,由分子、原子相互碰撞而引起电离。此时整个体系的温度可达数千至数万摄氏度,称为高温等离子体;第二类是在低气压中,给气体施加电场激励时生成,压力在数百帕以下的低压等离子体常处于非热平衡状态,这种状态下电子的能量在与离子和中性粒子的碰撞中几乎是不损失的,宏观温度处于常温状态,称为低温等离子体1。低温等离子灰化是通过氧等离子体产生的低温氧化反应去除有机物质的过程。在整个过程中,拟去除的有机物通过化学反应分子键断裂,从而生成易挥发的小分子化合物,在真空状态下以气体形式排出工艺腔。在集成电路生产工艺中约有三分之一的制造过程都要包含光刻胶去除工序即芯片制造中作为保
7、护层的光刻胶经过刻蚀或者离子注入后不再需要,因此要将其从硅片表面去除,同时不能损伤和污染光刻胶下面的物质。如果这个过程不能被很好地控制或者产生损伤,会直接影响产品的成品率以及器件和电路最终的制造成本。早期主要采用湿法去胶工艺即有机或无机溶液通过浸泡的方式去除光刻胶。湿法去除光刻胶存在速率难以控制、去除不彻底、留有残胶、需要反复去除等缺点,尤其是湿法去除所带来的废酸处理和大量地使用去离子水,给环境保护和节约能源造成了极大的困难。干法工艺利用光刻胶本身是有机化合物的特点主要由碳、氢和氧等元素构成,结合低温等离子技术,形成干法等离子光刻胶灰化工艺1。1等离子灰化的主要工艺参数等离子灰化工艺是一种低温
8、等离子体应用,工艺参数有很多,主要包括射频频率与功率、腔体真空度、反应时间、腔体温度、工艺气体种类及流量等。作为等离子激发的能量源,激励源的频率一般选择 13.56 MHz 和 2.45 GHz。激励源的频率影响工艺气体的电离程度,气体形成等离子体的程度会随着射频频率的增加而增大,但是过高的频率,会导致电子振幅缩短,当振幅比电子自由程还短时,电子与氧气分子碰撞机率也会大大降低,影响最终电离率。激励源的功率决定了气体形成离子态的能量大小,功率越大能够激发越多的气体形成离子态,从而提高腔体内活性离子的密度,提高灰化速率;同时随着功率增大,腔体内温度也能得到相应的提升。腔体内的真空度会影响工艺气体的
9、电离程度,真空度越高,电子运动的平均自由程越大,能量也就越大,越有利于电离。但是过高的真空度反而会造成气体离子密度降低,从而使灰化效果变差。腔体温度同样能够影响灰化速率,温度越高,反应腔内气体离子越活跃,化学反应越剧烈,灰化效果也越好。但是过高的腔体温度,一方面会使均匀性变差;另一方面可能对其基底本身造成损伤,影响灰化后的成品率。同样,反应时间越长,灰化效果自然越明显,但是过长的时间会同样可能对某些敏感材料造成损伤。目前等离子灰化工艺一般采用石英腔体,工艺气体从外部导入腔体后,被激发成等离子体,与腔体内的有机化合物发生灰化反应,灰化产生的气体产物,通过真空系统排出腔体外。工艺气体如氧气、氩气、
10、四氟化碳等,其流量的多少直接影响电离后能够生成的等离子体数量的多少。氧气作为灰化化学反应中最主要的介质图1等离子体示意图材料制造工艺与设备6(总第 300 期)电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023气体,流量越大,腔体内氧气离子密度也就越高,与晶圆接触机会也增大,灰化反应更快;但氧气流量太大,腔体内氧气离子密度太高,离子的复合程度也变高,整个腔体的电离强度也随着电子运动的自由程缩短而降低。据实验测试统计,工艺温度对等离子灰化的速率影响最大,其次是射频功率、工艺气体流量,排在最后的是真空度,并且这些参
11、数基本都呈现出正比关系。只有灰化反应发生的腔体是非线性参数。因此能够通过该实验方法探究腔体结构对等离子灰化效果的影响。2腔体结构向对灰化效果的影响2.1实验设计进行等离子灰化实验时,选用最具有代表性的圆形物料作为灰化目标,并在其表面均匀涂覆光刻胶。通过灰化前后光刻胶厚度变化数据的采集对比,可以反映出等离子灰化效果趋势。实验采用的腔体结构如图 2 所示。本实验腔体的主体结构为圆柱状的石英腔体,工艺气体从圆柱状的腔体上方中心位置进入。气体分子在射频能量的作用下,形成中性原子以及带正电的离子,与位于腔体内下方的晶圆上表面涂覆的光刻胶发生物理、化学反应。反应生成的气态物质通过腔体下方的管道,采用真空抽
12、气的方式排出腔体,从而实现对晶圆上表面的光刻胶的灰化处理。实验选用 13.56 MHz 的射频电源,氧气流量 1.5 L/min,真空控制在 500 Pa,射频功率200 W,工艺时间 90 s,温度 90。采集点位如图 3所示。进行灰化实验时,为了能够通过数据直观的了解灰化效果,从而反映出腔体结构对灰化效果带来的影响。采用了 17 点采集法,在晶圆上均匀选取了 17 个点位,中心一个点位,围绕中心每45取 2 个点位,形成 2 个圆环如图 3 所示。通过膜厚测量仪对这 17 个点位的厚度数值进行测量,并在灰化实验前后分别进行了数据采集,数值结果如图 4 所示。根据公式可以得出灰化的平均速率为
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