硅基材料中,硅(Si)作為第一代半導體,具有儲量大、機械性能好等優點,加之離子注入、擴散、氧化等工藝的應用和發展使得硅器件的開發和制造得到了進一步優化,同時硅是光電器件中最重要的結構材料。由于具有的單一SiO2組分結構特征,硅片具有良好的寬光譜范圍透光性和機械電學特性優良等特性,在光電器件封裝和各類傳感器、微納流控芯片制造方面有著其他材料不可比擬的優勢。

硅片等離子清洗提高親水性

等離子體是物質的一種特殊存在狀態,它是氣體在在高頻交變電場的作用下被電離，繼固態、液態、氣態后的第四種存在狀態。等離子體由激發狀態的原子、分子、自由基原子團、電子等組成。等離子清洗技術正是利用等離子體中的高能粒子通過轟擊、活化反應等物理化學方法,將污染物從工件上剝離去除的一種工藝方法。

對水平放置的硅片進行不同時長的氧等離子體清洗,得到如圖1所示為表面清洗時間分別為0s、5s、10s、15s、20s的硅片表面水液滴潤濕情況。

圖1 不同等離子清洗時長硅片表面液滴鋪展圖 

由圖1可知,未經處理的硅片表面液滴保持半徑較小的球冠狀,隨著氧等離子體表面清洗時間的增加,硅片表面液滴越來越鋪展,當處理時間達到20s時,液滴在硅表面完全鋪展。

對各個清洗時間硅片表面液滴的接觸角分別進行測量,得到如圖2所示的硅片表面接觸角隨處理時間變化圖像。

圖2 硅片表面接觸角隨等離子清洗時長變化曲線 

未經等離子清洗的硅片表面接觸角為71.8°,潤濕性較差,而當清洗時間增加至20s時,硅片表面接觸角降至0°,繼續增加表面清洗時間至25s、30s后,接觸角并未發生改變,穩定在0°，硅片最終等離子清洗效果如圖3所示。

圖三 硅片等離子清洗前后水滴角對比

原理分析

未經等離子清洗的硅片表面潤濕性差、液滴接觸角大的原因是處理前的硅片表面存在碳氫化合物、碳氧化物等污染物。

隨著等離子表面清洗過程的進行,表面的污染物通過高能粒子轟擊解吸附、被氧化生成揮發性氣體從表面逸出等方式得到清洗。活性氧與表面有機污染物發生反應如式：C_xH_y+O^*→CO+CO₂+H₂O

與此同時,氧等離子體直接作用在硅片表面部分區域,產生更多如Si-、Si-O-懸掛鍵,提高表面能與表面活性,能夠與周圍環境中的游離-OH生成部分Si-OH，如圖4所示,使得表面的潤濕性提高,接觸角減小。當表面清洗時間不斷增長時,更多的表面污染物被清洗,更多的潔凈表面被暴露與等離子體直接作用,產生Si-OH的數量不斷增加,表面潤濕性進一步提高,潤濕角持續下降。直到表面處理時間超過20s后,提高表面潤濕性的親水基團Si-OH增至能夠使液滴完全在硅片表面鋪展的程度,潤濕角為0°。

圖四 等離子體清洗對硅片表面活化引入羥基

等離子體清洗通過化學或物理作用對硅片表面進行活化,實現分子級的沾污去除以提高其表面的活性,增大硅片表面的懸掛鍵數量,使硅片表面親水性能大大提升。