在含氧气体环境中利用VUV辐射的表面清洁机制

小英说半导体

引言

半导体处理前的表面清洁度是在半导体工程领域中值得考虑的重要问题。化学溶剂被用于湿法化学清洗工艺中，以去除半导体表面上的有机污染物。然而，湿化学清洗技术需要超纯的化学品，从而产生大量的有机废物，并对我们的健康造成严重的不良影响。本文介绍了在含氧气体中，使用172 nm的介质屏障放电驱动的Xe2*准分子VUV光源，对172 nm处的VUV辐射进行表面清洗的结果。

实验与讨论

最初只有具有稳定电子激发态，又具有排斥基态的同核二聚体被称为准分子（激发态二聚体）。最著名的包括稀有气体准分子和稀有气体卤素准分子。在大气压下提供非热气体放电条件的有效电气体放电是介电屏障放电，也称为无声放电。当至少一个介电屏障被放置在一个气体间隔约为几毫米的金属电极之间时，就可以获得这种类型的放电（图1）。

图1：用于臭氧氧化剂和准分子(V)紫外源的双势垒排列示意图

碳氢化合物主要是通过原子单线态氧O(1D)、原子三线态氧O(3P)、电子激发分子氧O2(1∆)和O2(1Σ)、羟基OH和臭氧的自由基(链式)反应，在精密衬底(如半导体)表面完成高级氧化或冷燃烧的。所有这些种类都是由分子氧的激发或离解产生的。

为了讨论表面清洁过程，我们必须考虑在去除表面碳氢化合物(污染物)时所发生的非均相反。此过程中，化学反应途径可能极其复杂，然而对于非卤代烃来说，主要的反应途径可以简化为(a)自由基的初始攻击或直接光解，(b)烃基的氧化，以及(c)非常不稳定的羰基的分裂。

表面清洁度的品质因数取决于光学透明样品的透光率，或光学不透明材料的接触角。图2显示出了用VUV/O2清洗之前和之后聚酰亚胺膜上的(净化的和标准化的)水滴的接触角，初始接触角代表聚酰亚胺膜被各种有机物的一些表面污染，通过实验我们可以看出用172nm的VUV通过GC/MS定性和定量法去照射处理气体可以使得表面污染大大降低。

图2：对未清洗和使用VUV/O2清洗的聚酰亚胺样品的接触角测量

结论

在含氧气体中用172 nm的VUV辐射对表面进行光化学清洁技术已经在半导体加工工业中广泛应用，并且正在逐渐取代湿化学清洁步骤。英思特发现，分子氧(产生原子氧)和臭氧(重新利用氧产生原子氧)在172 nm的吸收，比在185/254 nm更适合于在距离样品表面平均自由程内的距离处产生高原子氧浓度。用172 nm干燥空气的VUV辐射清洗硅表面的结果表明，总气压和样品到VUV源窗口的距离对清洗速度和效率有主要影响。