等離子去膠機（Plasma Cleaner）原理及應用

為何要去除光刻膠？
在現(xiàn)代半導體生產(chǎn)過程中，會大量使用光刻膠來將電路板圖圖形通過掩模版和光刻膠的感光與顯影，轉(zhuǎn)移到晶圓光刻膠上，從而在晶圓表面形成特定的光刻膠圖形，然后在光刻膠的保護下，對下層薄膜或晶圓基底完成進行圖形刻蝕或離子注入，最后再將原有的光刻膠徹底去除。
去膠是光刻工藝中的最后一步。在刻蝕/離子注入等圖形化工藝完成后，晶圓表面剩余光刻膠已完成圖形轉(zhuǎn)移和保護層的功能，通過去膠工藝進行完全清除。
光刻膠去除是微加工工藝過程中非常重要的環(huán)節(jié)，光刻膠是否徹底去除干凈、對樣片是否有造成損傷，都會直接影響后續(xù)集成電路芯片制造工藝效果。


半導體光刻膠去除工藝有哪些？
半導體光刻膠去除工藝，一般分成兩種，濕式去光刻膠和干式去光刻膠。濕式去膠又根據(jù)去膠介質(zhì)的差異，分為氧化去膠和溶劑去膠兩種類別。干式去膠適合大部分去膠工藝，去膠徹底且速度快，是現(xiàn)有去膠工藝中最好的方式。


一、等離子去膠機簡述：
氧等離子去膠是利用氧氣在微波發(fā)生器的作用下產(chǎn)生氧等離子體，具有活性的氧等離子體與有機聚合物發(fā)生氧化反應，使有機聚合物被氧化成水蒸汽和二氧化碳等排除腔室，從而達到去除光刻膠的目的，這個過程我們有時候也稱之為灰化或者剝離。氧等離子去膠相比于濕法去膠工藝更為簡單、適應性更好，去膠過程純干法工藝，無液體或者有機溶劑參與。當然我們需要注意的是，這里并不是說氧等離子去膠工藝100%好于濕法去膠，同時也不是所有的光刻膠都適用于氧等離子去膠，以下幾種情形我們需要注意：
① 部分穩(wěn)定性極高的光刻膠如SU-8、PI（聚酰亞胺），往往膠厚也比較大，純氧等離子體去膠速率也比較有限，為了保證快速去膠，往往還會在工藝氣體中增加氟基氣體增加去膠速率，因此不只是氧氣是反應氣體，有時候我們也需要其他氣體參與；
② 涂膠后形成類非晶態(tài)二氧化硅的HSQ光刻膠。由于其構(gòu)成并不是單純的碳氫氧，所以是無法使用氧等離子去膠機來實現(xiàn)去膠；
③ 當我們的樣品中有其他需要保留的結(jié)構(gòu)層本身就是有機聚合物構(gòu)成的，在等離子去膠的過程中，這些需要保留的層也可能會在氧等離子下發(fā)生損傷；
④ 樣品是由容易氧化的材料或者有易氧化的結(jié)構(gòu)層，氧等離子去膠過程，這些材料也會被氧化，如金屬AG、C、CR、Fe以及Al，非金屬的石墨烯等二維材料；


市面上常見氧等離子去膠機按照頻率可分為微波等離子去膠機和射頻等離子去膠機兩種，微波等離子去膠機的工作頻率為2.45GHz，射頻等離子去膠機的工作頻率為13.5MHz，更高的頻率決定了等離子體擁有更高的離子濃度、更小的自偏壓，更高的離子濃度決定了去膠速度更快，效率更高；更低的自偏壓決定了其對襯底的刻蝕效應更小，也意味著去膠過程中對襯底無損傷，而射頻等離子去膠機其工作原理與刻蝕機相似，結(jié)構(gòu)上更加簡單。因此，在光電器件的加工中，去膠機的選擇更推薦使用損傷更小的微波等離子去膠機。


二、等離子清洗去膠機的工作原理：
氧氣是干式等離子體脫膠技術(shù)中的首要腐蝕氣體。它在真空等離子體脫膠機反應室內(nèi)高頻和微波能的作用下，電離產(chǎn)生氧離子、自由氧原子O*、氧分子和電子混合的等離子體，其間氧化能力強的自由氧原子（約10-20%）在高頻電壓作用下與光刻膠膜發(fā)生反應：O2→O*+O*，CxHy+O*→CO2↑+H2O↑。反應后產(chǎn)生的CO2和H2O然后被抽走。



三、等離子去膠機的優(yōu)勢：
1、等離子清洗機的加工過程易于控制、可重復且易于自動化；使用等離子掃膠機可以使得清洗效率獲得更大的提高。整個清洗工藝流程幾分鐘內(nèi)即可完成，因此具有產(chǎn)率高的特點
2、等離子掃膠機清洗對象經(jīng)等離子清洗之后是干燥的，不需要再經(jīng)干燥處理即可送往下一道工序，可以提高整個工藝流水線的處理效率；
3、等離子掃膠機使得用戶可以遠離有害溶劑對人體的傷害，同時也避免了濕法清洗中容易洗壞清洗對象的問題；
4、避免使用ODS有害溶劑，這樣清洗后不會產(chǎn)生有害污染物，因此這種清洗方法屬于環(huán)保的綠色清洗方法；
5、等離子去膠機采用無線電波范圍的高頻產(chǎn)生的等離子體與激光等直射光線不同，等離子體的方向性不強，這使得它可以深入到物體的微細孔眼和凹陷的內(nèi)部完成清洗任務，因此不需要過多考慮被清洗物體的形狀；
6、等離子去膠機在完成清洗去污的同時，還可以改良材料本身的表面性能，如提高表面的潤濕性能、改良膜的黏著力等，這在許多應用中都是非常重要的。


四、等離子去膠的主要影響因素：
頻率選擇：頻率越高，氧越易電離形成等離子體。頻率太高，以至電子振幅比其平均自由程還短，則電子與氣體分子碰撞幾率反而減少，使電離率降低。一般常用頻率為 13.56MHz及2.45GHZ 。
功率影響：對于一定量的氣體，功率大，等離子體中的的活性粒子密度也大，去膠速度也快；但當功率增大到一定值，反應所能消耗的活性離子達到飽和，功率再大，去膠速度則無明顯增加。由于功率大，基片溫度高，所以應根據(jù)工藝需要調(diào)節(jié)功率。
真空度的選擇：適當提高真空度，可使電子運動的平均自由程變大，因而從電場獲得的能量就大，有利電離。另外當氧氣流量一定時，真空度越高，則氧的相對比例就大，產(chǎn)生的活性粒子濃度也就大。但若真空度過高，活性粒子濃度反而會減小。
氧氣流量的影響：氧氣流量大，活性粒子密度大，去膠速率加快；但流量太大，則離子的復合幾率增大，電子運動的平均自由程縮短，電離強度反而下降。若反應室壓力不變，流量增大，則被抽出的氣體量也增加，其中尚沒參加反應的活性粒子抽出量也隨之增加， 因此流量增加對去膠速率的影響也就不甚明顯。


五、等離子去膠機的應用：
1、光刻膠的去除、剝離或灰化
2、SU-8的去除/ 犧牲層的去除
3、有機高分子聚合物的去除
4、等離子去除殘膠/去浮渣/打底膜
5、失效分析中的扁平化處理
6、表面沾污清除和內(nèi)腐蝕（深腐蝕）應用
7、清洗微電子元件，電路板上的鉆孔或銅線框架
8、剝離金屬化工藝前去除浮渣
9、提高黏附性，消除鍵合問題
10、塑料的表面改型：O2處理以改進涂覆性能
11、產(chǎn)生親水或疏水表面