硅片等离子清洗

硅基材料中,硅(Si)作为第一代半导体,具有储量大、机械性能好等优点,加之离子注入、扩散、氧化等工艺的应用和发展使得硅器件的开发和制造得到了进一步优化,同时硅是光电器件中最重要的结构材料。由于具有的单一SiO2组分结构特征,硅片具有良好的宽光谱范围透光性和机械电学特性优良等特性,在光电器件封装和各类传感器、微纳流控芯片制造方面有着其他材料不可比拟的优势。

硅片等离子清洗提高亲水性

等离子体是物质的一种特殊存在状态,它是气体在在高频交变电场的作用下被电离，继固态、液态、气态后的第四种存在状态。等离子体由激发状态的原子、分子、自由基原子团、电子等组成。等离子清洗技术正是利用等离子体中的高能粒子通过轰击、活化反应等物理化学方法,将污染物从工件上剥离去除的一种工艺方法。

对水平放置的硅片进行不同时长的氧等离子体清洗,得到如图1所示为表面清洗时间分别为0s、5s、10s、15s、20s的硅片表面水液滴润湿情况。

图1 不同等离子清洗时长硅片表面液滴铺展图 

由图1可知,未经处理的硅片表面液滴保持半径较小的球冠状,随着氧等离子体表面清洗时间的增加,硅片表面液滴越来越铺展,当处理时间达到20s时,液滴在硅表面完全铺展。

对各个清洗时间硅片表面液滴的接触角分别进行测量,得到如图2所示的硅片表面接触角随处理时间变化图像。

图2 硅片表面接触角随等离子清洗时长变化曲线 

未经等离子清洗的硅片表面接触角为71.8°,润湿性较差,而当清洗时间增加至20s时,硅片表面接触角降至0°,继续增加表面清洗时间至25s、30s后,接触角并未发生改变,稳定在0°，硅片最终等离子清洗效果如图3所示。

图三 硅片等离子清洗前后水滴角对比

原理分析

未经等离子清洗的硅片表面润湿性差、液滴接触角大的原因是处理前的硅片表面存在碳氢化合物、碳氧化物等污染物。

随着等离子表面清洗过程的进行,表面的污染物通过高能粒子轰击解吸附、被氧化生成挥发性气体从表面逸出等方式得到清洗。活性氧与表面有机污染物发生反应如式：C_xH_y+O^*→CO+CO₂+H₂O

与此同时,氧等离子体直接作用在硅片表面部分区域,产生更多如Si-、Si-O-悬挂键,提高表面能与表面活性,能够与周围环境中的游离-OH生成部分Si-OH，如图4所示,使得表面的润湿性提高,接触角减小。当表面清洗时间不断增长时,更多的表面污染物被清洗,更多的洁净表面被暴露与等离子体直接作用,产生Si-OH的数量不断增加,表面润湿性进一步提高,润湿角持续下降。直到表面处理时间超过20s后,提高表面润湿性的亲水基团Si-OH增至能够使液滴完全在硅片表面铺展的程度,润湿角为0°。

图四 等离子体清洗对硅片表面活化引入羟基

等离子体清洗通过化学或物理作用对硅片表面进行活化,实现分子级的沾污去除以提高其表面的活性,增大硅片表面的悬挂键数量,使硅片表面亲水性能大大提升。