CN102333410A

CN102333410A - 一种用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置

Info

Publication number: CN102333410A
Application number: CN 201110276429
Authority: CN
Inventors: 王立军; 傅明政; 贾申利; 宁文军; 史宗谦
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102333410B

Abstract

本发明公开了一种用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，采用氩气作为工作气体，氩气瓶外接流量控制阀，转动控制阀调节气体流量的大小，通过外接的气体流量表测出气体流量；然后，气体流量表接到聚四氟乙烯管上；聚四氟乙烯管末端接陶瓷管；高电压低频率功率源接到功率电极上，采用金属细丝环作为功率电极，放电在金属环产生后，被气流吹出腔体产生射流，射流到达基片上，进行光阻材料刻蚀。本发明能够在大气压条件下对光阻材料进行均匀而且干净地刻蚀，避免刻蚀后黑色斑点出现，这在半导体制造业光刻工艺中尤为重要，可以进行均匀刻蚀，避免基片损坏。

Description

一种用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置

技术领域：

本发明涉及一种大气压冷等离子体射流刻蚀光阻材料的装置，特别涉及能够均匀刻蚀光阻材料的机构。

背景技术：

光阻材料广泛应用于发光二极管、微机电系统(MEMS)、太阳能光伏、光电子器件、微流道和生物芯片、封装、微纳制造、磁存储、大规模集成电路(VSLI)等领域。光刻工艺是以上应用过程中的一个重要工艺步骤。而集成电路是通过反复光刻制得的，大约占据了芯片制造中一半的步骤，光刻约占所有成本的35％。因此光刻与光阻材料是微电子技术中的关键技术和关键材料。目前对光阻材料的刻蚀有两种方法，一种为湿刻蚀法，即采用液体通过化学反应的方法去除光刻胶，这种方法自动化程度不高，成本高，而且会造成环境污染；另一种方法是干刻蚀法，即采用等离子体来刻蚀光阻材料，这就要求光阻材料易于被等离子体去除。

在光阻材料的刻蚀方面，等离子体刻蚀由于其污染小而得到了广泛应用。等离子体刻蚀有4种基本的方法：溅射法、化学法、能量离子增强法以及能量离子防护法。但是以上所提及的刻蚀方法总是在低气压条件下进行，需要真空泵持续抽气以满足低气压条件，这就使得半导体的制造成本较高。

由此，很多研究者尝试采用大气压下放电的方式以降低制造成本。而APPJ由于其本身的优越特性，是进行光阻材料刻蚀的较好方法。APPJ的温度低于或者接近室温，非常适合于光阻材料的刻蚀。这种放电方式通过改变设计结构，可以使放电的尺寸达到微米尺度，形成典型的微放电，这对于处理微纳尺度的材料是十分有利的。而且这种放电方式一般将待处理材料放置在放电的下游，可以很容易对三维材料或者凹凸不平的材料进行处理，并且通过移动射流或者待处理材料实现大面积材料的处理。

在材料处理方面，大多研究关注APPJ对材料表面改性(由于研究论文众多，本文中只列出有限几篇)，而专门从事光阻材料刻蚀方面的研究相对较少，下面就采用APPJ技术对光阻材料刻蚀的研究工作进行综述分析。美国加利福尼亚大学洛杉机分校的R.F.Hicks教授课题组与洛斯阿拉莫斯国家实验室的G.S.Selwyn博士合作采用He/O₂混合气体对聚酰亚胺材料进行了大气压条件下的刻蚀研究；韩国学者M.H.Jung和H.S.Choi利用Ar/O₂混合气体以及He/O₂混合气体对光阻材料进行了刻蚀；日本学者H.Yoshiki等人基于微型APPJ对于光阻材料进行局部刻蚀，O₂作为刻蚀过程中的工作气体，采用13.56MHz的射频源来激发等离子体。中国台湾的H.H.Chen等人也基于APPJ技术对光阻材料进行了刻蚀研究，利用N₂和Ar作为工作气体，但是刻蚀后光阻材料的表面状况并未见详细报道。中国科学院微电子研究所的王守国研究员等人也采用APPJ对光阻材料进行了刻蚀研究，采用了He/O₂的混合气体作为工作气体，得到了刻蚀率，但是刻蚀后表面的状况文中并没有给出详细描述。

首先，先前的大部分研究对于刻蚀后的光阻材料表面状况并未见到详细的报道；其次，先前的刻蚀方法采用的结构是称为一种等离子体针的装置(plasma needle)，这种处理结构由于其功率电极是一根金属针(或者金属丝)，高压加在尖端金属丝尖端，电场过度集中，导致其射流不均匀，射流中心位置强度大，从而材料刻蚀不均匀，被刻蚀光阻材料中心位置出现黑色斑点，甚至刻蚀完成后会损坏下面的硅基片。

参见图(1)，等离子体针(plasma needle)的结构示意图，功率电极是金属丝，接地电极是金属环。由于高压端加在金属丝上，电场集中分布在功率电极尖端，导致射流不均匀，能量集中在射流中部，强度大，因而造成光阻材料的烧蚀，材料中心出现黑色斑点(如图3和图5所示，图3为样品固定不动刻蚀，图5为样品匀速移动刻蚀)。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能够均匀射流的装置，从对光阻材料进行均匀而干净地刻蚀，避免刻蚀后黑色斑点出现。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，包括氩气瓶、流量控制阀、气体流量表、聚四氟乙烯管、陶瓷管、高压探针、功率电极、高电压低频率功率源、光纤、样品和发射光谱仪；所述氩气瓶外接流量控制阀，流量控制阀上连接气体流量表，气体流量表接到聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管末端接陶瓷管；所述高电压低频率功率源外接功率电极，功率电极设置在陶瓷管外壁；所述陶瓷管端口对应处设置样品，在样品与陶瓷管端口之间存在等离子体射流。

所述功率电极为金属环。

所述聚四氟乙烯管的内径4mm、外径为6mm。

所述陶瓷管的内径1.5mm、外径为3.5mm。

所述陶瓷管与聚四氟乙烯管之间设置绝缘胶带。

所述气体流量表通过透明塑料软管接到聚四氟乙烯管。

所述大气压冷等离子体射流装置的使用方法，采用氩气作为工作气体，氩气瓶外接流量控制阀，转动控制阀调节气体流量的大小，通过外接的气体流量表测出气体流量；然后，气体流量表通过透明塑料软管接到聚四氟乙烯管上；聚四氟乙烯管末端接陶瓷管，陶瓷管与聚四氟乙烯管之间是绝缘胶带；高电压低频率功率源外接功率电极上，采用金属细丝环作为功率电极，放电在金属环产生后，被气流吹出腔体产生射流，射流到达基片上，进行光阻材料刻蚀；样品底部通过一个电阻接地，构成回路；光谱测量通过等离子体射流外边放置的光纤连接到发射光谱仪上进行测量。

本发明能够对光阻材料进行均匀而且干净地刻蚀，避免刻蚀后黑色斑点出现，这在半导体制造业光刻工艺中尤为重要，可以进行高效均匀刻蚀，避免基片损坏。

附图说明：

图1为现有技术中的等离子体针(plasma needle)的结构示意图；

其中：1为氩气瓶；2为流量控制阀；3为气体流量表；4为聚四氟乙烯管；5为聚四氟乙烯管；6为接地电极；7为高电压低频率功率源；8为等离子体射流；9为样品；10为光纤；11为发射光谱仪；12为功率电极(金属丝)。

图2为本发明等离子体铅笔(plasma pencil)的结构示意图；

其中：1为氩气瓶；2为流量控制阀；3为气体流量表；4为聚四氟乙烯管；5为陶瓷管；6为功率电极；7为高电压低频率功率源；8为等离子体射流；9为样品；10为光纤；11为发射光谱仪。

图3、样品固定不动；plasma needle(装置1，图1)；电压2.5kV；气体流量0.5lpm；功率电极尖端与样品距离15mm；处理时间20s；

图4、样品固定不动；plasma pencil(装置2，图2)；电压8.5kV；气体流量0.5lpm；功率电极与样品距离13mm；处理时间20s；

图5、样品匀速运动；plasma needle(装置1，图1)；电压4.125kV；气体流量0.5lpm；功率电极尖端与样品距离15mm)；

图6、样品匀速运动；plasma pencil(装置2，图2)；电压8.5kV；气体流量0.5lpm；功率电极与样品距离13mm；处理次数30次；所述样品为光阻材料。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，等离子体铅笔(plasma pencil)的原理图，该大气压冷等离子体射流装置包括氩气瓶、流量控制阀、气体流量表、聚四氟乙烯管、陶瓷管、功率电极、高电压低频率功率源、光纤、样品和发射光谱仪；所述氩气瓶外接流量控制阀，流量控制阀上连接气体流量表，气体流量表接到聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管末端接陶瓷管；所述高电压低频率功率源连接到功率电极，功率电极设置在陶瓷管外壁；所述陶瓷管端口对应处设置样品，在样品与陶瓷管端口之间存在等离子体射流。

所述功率电极为金属环。

所述聚四氟乙烯管的内径4mm、外径为6mm。

所述陶瓷管的内径1.5mm、外径为3.5mm。

所述陶瓷管与聚四氟乙烯管之间设置绝缘胶带。

所述气体流量表通过透明塑料软管接到聚四氟乙烯管。

功率电极是金属环，电场分布均匀，射流能量分布均匀，活性粒子分布均匀，因而光阻材料表面经过处理后比较干净、均匀，不会有过度烧蚀的黑色斑点出现(如图4，6所示，图4为样品固定不动刻蚀，图6为样品匀速移动刻蚀)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：包括氩气瓶、流量控制阀、气体流量表、聚四氟乙烯管、高压探针、功率电极、高电压低频率功率源、光纤、等离子体射流、样品和发射光谱仪；所述氩气瓶外接流量控制阀，流量控制阀上连接气体流量表，气体流量表接到聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管末端接陶瓷管；所述高电压低频率功率源外接功率电极，功率电极设置在陶瓷管外壁；所述陶瓷管端口对应处设置样品，在样品与陶瓷管端口之间存在等离子体射流。

2.如权利要求1所述用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：所述功率电极为金属环。

3.如权利要求1所述用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：所述聚四氟乙烯管的内径4mm、外径为6mm。

4.如权利要求1所述用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：所述陶瓷管的内径1.5mm、外径为3.5mm。

5.如权利要求1所述用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：所述陶瓷管与聚四氟乙烯管之间设置绝缘胶带。

6.如权利要求1所述用于刻蚀光阻材料的大气压冷等离子体射流装置，其特征在于：所述气体流量表通过透明塑料软管接到聚四氟乙烯管。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述大气压冷等离子体射流装置的使用方法，其特征在于：采用氩气作为工作气体，氩气瓶外接流量控制阀，转动控制阀调节气体流量的大小，通过外接的气体流量表测出气体流量；然后，气体流量表通过透明塑料软管接到聚四氟乙烯管上；聚四氟乙烯管末端接陶瓷管，陶瓷管与聚四氟乙烯管之间是绝缘胶带；高电压低频率功率源外接功率电极上，采用金属细丝环作为功率电极，放电在金属环产生后，被气流吹出腔体产生射流，射流到达基片上，进行光阻材料刻蚀；样品底部通过一个电阻接地，构成回路；光谱测量通过等离子体射流外边放置的光纤连接到发射光谱仪上进行测量。