不同腔体结构对优化等离子灰化效果探究_刘晓玲.pdf

（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；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 papercollects 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-chipuniformity 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 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、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 1.67m/s，速率的均匀性实际计算数值为 234%。通过对数据的分析可以得出，晶圆圆心处（正对工艺气体入口）的光刻胶灰化速率远远大于周围 16 个点位的速率，与其中最慢的速率相比较，两者偏差达到将近 30 倍。因此会出现物料中心处光刻胶被完全灰化掉的同时，边缘区域几乎没有发生灰化反应的情况。可以得出采用此种结构的腔体对物料执行灰化处理时，虽然效率很高，但是完全没有均匀性可言，失去实用价值。图2实验腔体结构示意图图3去胶数据采集点位示意图图4优化前17点位去胶数据真空腔体工艺气体进入去胶物料真空抽气887210231930830845344134231910136137337110812044材料制造工艺与设备7（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图5单层分气板结构17点位去胶数据2.2结构优化在保证现有腔体主题结构不变的基础上，依据实验结果，通过局部改进提升，达到优化灰化效果的目的。首先针对物料中心区域灰化反应过于迅速的情况，在腔体内部去胶物料与工艺气体进气孔中间位置进行局部结构优化增加隔断。通过隔断将腔体自上而下分为上层腔体（I 空间）与下层腔体（空间）两个独立的空间，并在隔断上围绕圆心均匀的设计数个圆形通孔，形成一个类似莲藕截面的网状结构，该隔断称为分气板。通过分气板使由腔体顶部进气孔导入的工艺气体不再直接接触圆形物料，而是先进入 I 空间，同时使工艺气体在射频源的作用下被电离形成等离子体并充满 I 空间后，才通过隔板上的圆形通孔进入到空间，与空间内的物料接触发生灰化反应。用新的腔体结构再次进行灰化实验，同样选用 13.56 MHz 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、去胶工艺时间 90 s、温度 90 的工艺参数条件，并在圆形物料上表面涂覆相同的光刻胶，对其在同样点位通过膜厚测量仪采集数据如图 5所示。可以得出灰化的平均速率为 1.88 m/s，速率的均匀性为 67%。从图 5 数据可以得出，中心位置的灰化速率降低效果明显，同时外圈的灰化速率有了显著的提升。因此结构改变后，平均灰化速率得到提升，并且均匀性得到很大改善。随后通过调整分气板上通孔数量、直径、分布等相关参数，在同样的实验工艺参数下，进行了多次实验。结果发现灰化平均速率及均匀性没有明显的优化，甚至某些情况下灰化效果反而出现下降的情况。对此，在腔体内增加第二个分气板，使被射频源激发后的等离子体从上自下先后通过两次分散，再与反应物料接触。同时在不单独增加每个分气板上通孔数量的前提下，将 2 个分气板上通孔的位置沿着垂直于灰化物料的方向错开。随后保证工艺条件与灰化目标不变，在增加 2 块分气板的腔体内进行实验，采集整理的数据如图 6所示。计算得出灰化的平均速率为 1.24 m/s，速率的均匀性为 9%。从图 6 数据可以得出，点位间数值差异进一步缩小，均匀性进一步提升，但是灰化平均速率下降明显。因此得出目前腔体结构调整的思路方向是正确的，但是还有进一步优化的空间。新的设计保持双层分气板，在保留圆形通孔数量的基础上调整通孔的直径和分布，再次进行灰化实验，实验数据如图 7 所示。图6双层分气板结构17点位去胶数据图7双层分气板结构调整通孔参数后17点位去胶数据241189441172208395548339412240403125362287224496249208196218219215211189211212187182203196212219214210265279288279265274270280269276275278281286277260271材料制造工艺与设备8（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023可以得出灰化的平均速率为 1.65 m/s，速率的均匀性为 3.8%。可以得出结构改变后，灰化平均速率得到提升，并且均匀性得到进一步优化。2.3实验结果分析在对等离子灰化效果探究过程中，主要设计了 4 种腔体，如图 8 所示。并且在保证灰化工艺参数与目标不变的情况下，反复进行多次试验。通过实验发现腔体结构这一外部条件与灰化平均速率及其均匀性之间的联系。A 型腔体结构，作为目前等离子灰化工艺中最常见的一种腔体结构。其结构简单，设计生产制造成本较低，同时因其具有等离子电离度高，并且能够直接轰击待灰化物料表面，与碳氢有机物充分接触，发生物理化学反应，从而表现出较高的灰化速率。而 B 型及 C 型腔体结构，与 A 型结构相比，在灰化物料上方，增加了带有圆形通孔的隔板结构。使从上方进气孔流入，且被射频源激活形成等离子化的工艺气体，不直接接触待灰化物料，而是首先通过由隔断形成的一个或多个间隔空间后，再与待灰化物料接触。图 9、图 10 为 B 型腔体结构分别使用单层大孔分气板与单层小孔分气板的有限元仿真情况。实验过程避免了工艺气体流动对待灰化物料带来的直接冲击作用，使等离子体能够沿着平行图8 4种腔体结构示意图图9单层大孔有限元仿真图10单层小孔有限元仿真ABCDVelocityContour 17.973e-0017.176e-0016.378e-0015.581e-0014.784e-0013.986e-0013.189e-0012.392e-0011.595e-0017.973e-0020.000e+000m s-1VelocityVector 17.973e-0015.980e-0013.986e-0011.993e-0010.000e+000m s-1VelocityContour 17.703e-0016.933e-0016.163e-0015.392e-0014.622e-0013.852e-0013.081e-0012.311e-0011.541e-0017.703e-0020.000e+000m s-1VelocityVector 17.703e-0015.778e-0013.852e-0011.926e-0010.000e+000m s-1（下转第61页）材料制造工艺与设备9（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图11双层有限元仿真于反应平面的方向分散开来，实验结果表现出良好的均匀性。C 型与 D 型腔体，分别采用双层大孔与双层小孔的分气板进行试验，结果双层小孔表现出更为良好的均匀性。图 11 为双层分气板有限元仿真情况。通过对 D 型腔体设计方案验证，实现了等离子灰化效果优化在能够保证比较稳定的灰化均匀性的前提下，提升灰化速率。3结论随着等离子灰化工艺应用范围的拓展，行业内对灰化速率及其均匀性方面的要求不断提升。通过等离子灰化实验可以得出，在保证射频频率及功率、灰化时间、腔体温度、腔体真空度、工艺气体种类及流量等相关工艺参数不变的基础上，采用不同的腔体结构，能够更加精准地控制等离子灰化效果，即速率与均匀性。需要控制灰化速率时，可通过调整腔体内控制等离子体直接或间接与待灰化物料接触的结构实现。并且调整腔体内等离子体与待灰化物料接触区域的尺寸及分布，可以得到优化灰化均匀性的效果。参考文献：1Michael Quirk，Julian Serda.半导体制造技术M.韩郑生，欧文，杜寰，等译.北京：电子工业出版社，2015.431-433.作者简介：刘晓玲（1985），女，山西长治人，大学本科，高级工程师，主要从事低温等离子体应用研究和企业战略管理工作。VelocityContour 27.741e-0016.967e-0016.193e-0015.419e-0014.645e-0013.871e-0013.096e-0012.322e-0011.548e-0017.741e-0020.000e+000m s-1VelocityVector 17.741e-0015.806e-0013.871e-0011.935e-0010.000e+000m s-15结论随着 PLC 技术的不断发展，PLC 的应用范围日益广泛，掌握 PLC 控制系统设计方法，根据不同工艺特点合理的设计 PLC 控制系统，有效地提高了 PLC 的利用率，软件系统采用模块化设计思想，通过模块化编程方法，高效快速地完成了控制系统编程，有效地缩短控制系统的设计和调试周期；软件的实用性强，程序更加通用和完善，大幅节约人力和时间；通过经验积累提高产品竞争力，在激烈的市场竞争中推广应用。参考文献：1范国伟，刘一帆.电气控制与 PLC 应用技术M.北京：人民邮电出版社，2013.2陶 权.PLC 控制系统设计、安装与调试M.北京：北京理工大学出版社，2022.3杨 乐，郭选明，赵淑娟.PLC 控制系统M.成都：西南交通大学出版社，2015.作者简介：李小鹏（1982），男，山西吕梁人，大学本科，工程师，高级经理，主要从事背光组装机、液晶面板切割机、研磨清洗机等电子专用设备的研发及管理工作。（上接第9页）电子专用设备研究61