Способ очистки подложек из ситалла в струе высокочастотной плазмы пониженного давления
METHOD OF GLASS CERAMIC SUBSTRATES CLEANING IN THE LOW PRESSURE HIGH-FREQUENCY PLASMA JET

Изобретение относится к плазменной технологии и может использоваться для очистки подложек из ситалла, которые в дальнейшем применяются для изготовления различных элементов и устройств микроэлектроники.
Заявленное изобретение относится к области плазменной очистки в высокочастотной (ВЧ) плазме пониженного давления подложек из ситалла. Этот материал, прошедший обработку, широко используются для изготовления различных микроэлектронных элементов и устройств, применяемых в ракетно-космическом и наземном приборостроении. К изделиям из ситалла предъявляются высокие требования к чистоте поверхности перед выполнением дальнейших технологических операций.
Подложки ситалла проходят достаточно сложный технологический цикл, связанный с нарезанием материала на отдельные пластины, шлифованием и полированием пластин и очисткой их поверхности. Для очистки поверхности подложки после финишной полировки применяют методы химической и плазмохимического травления, гидромеханической отмывки и вакуум-термической обработки. Однако каждый из методов в отдельности имеет свои недостатки и не обеспечивают чистоту поверхности подложек, требуемую при выполнении дальнейших технологических процессов.
Известны различные способы химической очистки поверхности полупроводниковых пластин и диэлектриков (поликристаллический корунд, ситалл, кварц, сапфир и т.п.) (RU 2395135, заявка 2009105201/28, 16.02.2009, опубл. 20.07.2010; SU 17747469, заявка 4851538, 16.07.1990, опубл. 15.07.1992). Недостатком химических способов очистки является невозможность получения чистой гидрофильной поверхности без загрязнений, образование тонкой пленки на поверхности обработанных подложек, предварительно прошедших операцию финишной полировки; необходимость промывки и сушки (отжига) подложек после химической очистки; длительность процесса, высокая стоимость химических реактивов.
2
2
Наиболее близким способом к предлагаемому способу и принятому за прототип является способ плазмохимической обработки подложек из сапфира и ситалла (RU 2541436, заявка 2013150231/28, 11.11.2013, опубл. 10.02.2015). По данному способу после предварительной протирки изделий спиртом со всех сторон, включая протирку спиртом всех торцов подложки, производят предварительный обдув изделий нейтральным газом и помещают изделия в камеру плазменной установки в межэлектродное пространство взаимно перпендикулярно и параллельно стенкам рабочей камеры. Затем производят очистку изделий в ВЧ-разряде в среде доминирования кислорода при мощности 500-600 Вт, давлении 106,67-120,99 Па в течение 10-20 мин. Проверка качества обработки поверхности проводится по свидетелю методом краевого угла смачивания по окончании очистки. По данному способу в качестве рабочего газа может использоваться смесь кислорода с азотом (80-85% O, 15-20% N).
2
2
Недостатками данного способа является следующее. Предварительный обдув изделий нейтральным газом не устраняет полностью на поверхности ситалловой подложки остатки органики, пыли, масляных пленок, других загрязнений. Резкое плазменное воздействие на поверхность подложки уже на начальной стадии обработки мощностью 500-600 Вт на такую поверхность приводит к образованию на подложке тонкой (1-50 нм) пленки, заметной при исследованиях поверхности методами атомсиловой микроскопии. Дальнейшая обработка подложки в указанных диапазонах мощностей и давлений может повышать адгезионную прочность этой пленки к поверхности подложки, что ухудшает характеристики ситалловой подложки в дальнейших технологических операциях. Использование в плазменной очистке смеси кислород-азот (80-85% O, 15-20% N) также приводит к образованию на активированной плазмой поверхности оксидных или нитридных соединений и тонких пленок с высокой адгезией к поверхности ситалла, что ухудшает технические характеристики в конечных изделиях. В случае использования неизолированных электродов ВЧ плазменной системы возможна эрозия материала электрода на ситалловую подложку.
Задачей предлагаемого способа обработки подложек из ситалла в струе высокочастотной плазмы пониженного давления является получение чистой гидрофильной поверхности подложки ситалла без видимых следов загрязнений в виде отдельных частиц или в виде пленки.
2
2
Поставленная задача решается за счет того, что после промывки в деионизованной воде подложки из ситалла предварительно нагревают в струе высокочастотной плазмы на расстоянии от 60 до 120 мм от среза высокочастотного плазмотрона в течение от 1 мин до 2 мин при мощности ВЧ генератора от 1400 Вт до 1500 Вт изменением расхода технологического газа от 0,04 г/с до 0,06 г/с, затем проводят очистку подложек из ситалла в струе высокочастотной плазмы в течение от 5 мин до 10 мин при мощности высокочастотного генератора от 1500 Вт до 1750 Вт, расходе плазмообразующего газа от 0,06 до 0,08 г/с, давлении от 19,0 до 26,6 Па с последующим плавным снижением расхода газа от 0,06 г/с до 0,04 г/с в течение от 1 мин до 2 мин. В качестве технологического газа используется Ar или смесь Ar+O в пропорциях от 78% до 80% Ar и от 20 до 22% O при частоте высокочастотного генератора от 1,76 МГц до 13,56 МГц.
Улучшение качества обработки подложки достигается очисткой поверхности от остатков материалов финишной полировки после химической очистки, удаления остатков реактивов и образовавшихся химических соединений после химической очистки; приданием поверхности гидрофильных свойств. Гарантированная повторяемость процесса достигается установленными диапазонами оптимальной очистки поверхности подложки ситалла (мощности струи высокочастотной плазмы, плотности теплового потока на поверхность подложки ситалла, расхода технологического газа, давления процесса, времени очистки, места расположения подложки). Повышение выхода годной продукции обеспечивается уровнем современной техники, позволяющей поддерживать с высокой точностью установленные параметры разряда в режимах оптимальной обработки подложек ситалла. Снижение себестоимости выпускаемой продукции обеспечивается одновременной обработкой промышленной партии подложек, сокращением времени обработки подложек и неограниченным ресурсом высокочастотных (ВЧ) плазмотронов.
Пример реализации предлагаемого способа.
вчг
вчг
Подложки из ситалла, прошедшие финишную полировку и химическую очистку любым известным способом, промываются деионизованной водой и размещаются в кварцевых кассетах. Кварцевые кассеты с подложками размещаются на карусельном устройстве в вакуумном блоке установки с высокочастотным струйным плазмотроном на расстоянии от среза плазмотрона L от 60 мм до 120 мм. Проводится откачка вакуумного блока до предварительного давления (p) от 1,0 Па до 2,0 Па. Включением высокочастотного генератора в диапазоне частот от 1,76 МГц до 13,36 МГц при мощности генератора Р от 100 Вт до 120 Вт в плазмотроне возбуждается ВЧ-разряд. Способ реализуется на разрешенных частотах для плазменных генераторов 1,76 МГц, 5,28 МГц и 13,56 МГц. При увеличении мощности генератора (Р) свыше 1000 Вт и расхода технологического газа (G) свыше 0,04 г/с, образуется струя плазмы, которая воздействует на поверхность подложки. Увеличением расхода технологического газа от 0,05 г/с до 0.06 г/с при мощности генератора 1500 Вт происходит плавный нагрев подложки в течение от 1 мин до 2 мин, и частичное обезгаживание ситалла, удаление легколетучих органических соединений с поверхности подложки. После плавного нагрева подложки в течение от 5 мин до 10 мин проводится очистка поверхности подложки ситалла при расходе газа 0,06-0,08 г/с при давлении в вакуумном блоке от 19 Па до 26,6 Па. После обработки расход газа плавно уменьшается до 0,04 г/с течение 1 мин для избежания резкого термодинамического удара. По завершении очистки карусельным устройством обработанная подложка выводится из зоны обработки (из струи плазмы), а в рабочую зону перемещается следующая подложка. После обработки последней загруженной в карусельное устройство подложки проводится остужение подложек в вакууме в течение 5-10 мин, затем извлечение обработанной партии из вакуумного блока. В вакуумном блоке возможно расположить более десяти подложек для обработки в едином технологическом цикле.
2
2
Оптимально время обработки одной подложки составляет 5-10 мин. При использовании смеси газа Ar+O в пропорциях от 78% до 80% Ar и от 20 до 22% O оптимальное время составляет от 3 до 5 мин. При обработке в течение менее 3-х мин эффект очистки не наблюдается. Дальнейшее увеличение времени обработки свыше 5 мин заметной разницы по качеству очищаемой поверхности не дает.
Контроль качества очистки проводится по измерению краевого угла смачиваемости α. Измерение α проводится по растеканию капли дионизованной воды на поверхности подложки и вычислению угла между поверхностью подложки и касательной, построенной к капле, до и после обработки подложки.
Примеры режимов заявляемого способа и результаты обработки ситалловых подложек представлены в таблице 1. Угол смачиваемости поверхности ситалла до обработки составляет от 60° до 70°. После очистки в струе высокочастотного разряда угол смачиваемости α изменяется от 1,5° до 2°.
Основным механизмом, приводящим к очистке поверхности в плазме высокочастного разряда при указанных давлениях, является термический нагрев подложки и рекомбинация ионов Ar на поверхности. Около обрабатываемой поверхности подложки в ВЧ плазме пониженного давления образуется слой положительного заряда (СПЗ) толщиной до 1,5-2 мм. В структуре СПЗ выделяются область двойного электрического слоя (дебаевский слой) и область колебаний электронного газа. Роль каждой из этих областей различна. Проходя сквозь СПЗ к поверхности образца, ионы плазмы набирают энергию преимущественно в области колебаний электронного газа. В дебаевском слое ионный поток фокусируется на неоднородностях микрорельефа поверхности, на которых происходит рекомбинация ионов с выделением энергии рекомбинации. Для Ar она составляет 15,6 эВ.
вчг
В результате происходит удаление остатков материалов финишной полировки, удаления остатков реактивов и образовавшихся химических соединений после химической очистки. Установленные в представленном способе диапазоны параметров р, Р, G, t на частотах ВЧ генератора от 1,76 МГц до 13,56 МГц обеспечивают в месте размещения обрабатываемых подложка на расстоянии L от 60 до 120 мм значения энергии ионов и теплового потока плазмы, необходимые для эффективной очистки подложки от загрязнений.
вчг
вчг
При обработке подложки при значениях р, Р, G, меньших указанных диапазонов оптимальной обработки, значения энергии ионов и теплового потока плазмы недостаточно для проведения эффективной очистки. Превышение р, Р, G могут приводить, кроме очистки поверхности, к изменению структуры и морфологии поверхности, что не всегда приемлемо для дальнейших технологических процессов, в которых используются подложки из ситалла.
2
2
2
2
2
2
При использование в качестве технологического газа смеси Ar+O в пропорциях от 78% до 80% Ar и от 20 до 22% O за счет диссоциация молекулы кислорода (O→O+O+е) образуются атомы кислорода, которые обладают высокой реакционной способностью с углеродсодержащими соединениями и вступают в реакцию с органикой. Образующиеся в результате очистки CO, CO и HO являются стабильными соединениями, которые удаляются из реакционной камеры вакуумными насосами. В результате более высокой реакционной способности смеси Ar+O по сравнению с обработкой в чистом аргоне проводится очистка поверхности подложки за более короткий промежуток времени от 5 мин до 6 мин. Превышение в смеси технологического газа кислорода более 20% может приводить к травлению поверхности, что не является задачей данного изобретения. Меньшее количество кислорода в смеси не приводит к сокращению времени обработки.
Из приведенных данных видно, что предлагаемый способ обеспечивает получение чистой гидрофильной поверхности подложки ситалла без загрязнений в виде отдельных частиц или в виде пленки.