超临界CO_2微乳液去除光刻胶的研究

【摘要】：超临界二氧化碳(scCO2)作为一种新型清洗介质,由于其极低的表面张力、良好的扩散性及温和的临界条件,近年来被尝试用于微电子工艺中光刻胶的去除。目前这方面的研究大多集中在含氟表面活性剂形成的scCO2微乳液(由于该类表面活性剂在scCO2中具有较大溶解度),而对于应用更环保,成本更低的烃类表面活性剂在scCO2中形成微乳液来去除光刻胶鲜有文献报道。本文研究了在不同条件下,利用scCO2加入不含氟的助溶剂或表面活性剂,去除高温烘烤的光刻胶和高浓度离子注入后的光刻胶的去除特性,详细研究分析了表面活性剂、助溶剂及温度、压强、时间等因素对光刻胶去除效果的影响。 主要进行的研究工作如下： 1.对比研究了两种助溶剂在超临界清洗中的作用效果 在两种助溶剂—异丙醇、二甲基亚砜(DMSO)的辅助下,利用超临界清洗系统去除两种衬底(抛光硅片及带图案硅片)上不同温度下烘烤的光刻胶。烘胶温度分别为100℃,150℃,170℃和200℃,助溶剂用量为0-8ml不等。清洗结束后,利用金相显微镜对样品进行观察表征。实验结果显示,光刻胶经过150℃以上高温烘烤后,表面硬化,与衬底黏着度显著上升,去胶难度明显增加。向超临界清洗系统中加入4ml助溶剂就可以将光刻胶去除率从15%提高到85%,继续加大用量清洗效果无明显改善。同样剂量的DMSO比异丙醇对清洗效果的影响更显著。 2.研究了两种烃类表面活性剂在scCO2清洗中的作用 利用两种烃类非离子表面活性剂—脂肪醇聚氧乙烯醚(TMN-3)和异构醇聚氧乙烯醚(EH-3)形成scCO2微乳液,去除刻蚀后的高浓度离子注入光刻胶。清洗结束后,利用扫描电子显微镜(SEM)对不同条件下清洗的样品进行了对比分析、观察和表征,用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)分析样品清洗前后表面成分变化。实验结果显示,与TMN-3相比,EH-3形成的scCO2微乳液在相同条件下对高浓度离子注入光刻胶去除效果更显著。并且通过实验得到了EH-3的最佳浓度及形成scCO2微乳液的最佳WEH-3/Wwater比例。 3.研究了温度、压强对scCO2清洗效果的影响 在10-25Mpa,40-80℃范围内利用scCO2微乳液去除样品表面高浓度离子注入光刻胶。测试结果显示,清洗温度低于60℃时,光刻胶去除率随温度升高而逐渐增加,60℃时光刻胶去除率达到90%,之后去除率随温度继续上升而有所下降,这是由scCO2密度降低引起的光刻胶溶解能力下降所导致的。随清洗釜压强由10Mpa上升到25Mpa,光刻胶去除率从40%升高到了85%。 4.分析研究了磁搅拌与时间对scCO2清洗效果的影响 在无磁子搅拌、中速磁子搅拌(660r/min)及高速磁子搅拌(1320r/min)三种搅拌状态下分别利用scCO2微乳液去除高浓度离子注入光刻胶。结果显示,清洗前10分钟光刻胶去除率急剧上升,之后逐渐趋于平缓,且磁搅拌对于光刻胶剥离有很大的促进作用。 5.与传统清洗方法进行了对比 与传统去除高浓度离子注入光刻胶的方法相比,超临界清洗方法完全没有造成刻蚀图案的变形,也没有出现清洗液残留的现象,光刻胶去除率明显高于等离子灰化及湿法清洗后的样品。利用等量表面活性剂在scCO2微乳液系统中得到的光刻胶去除效果显著优于该表面活性剂水溶液对光刻胶的去除效果。 与现有的超临界CO2清洗方法相比,本实验方法具有环保、高效,成本低的优点。避免了使用昂贵且对环境及人体有危害的含氟制剂,采用了非离子表面活性剂,使得清洗结束后分离出的废液更易于生物降解；清洗过程中加入了磁搅拌,促使scCO2微乳液混合的更均匀,同时增大了样品表面的切向力,使光刻胶去除效率大大提高；清洗结束后采用先以纯scCO2漂洗再降压的方法,有效避免了高压下溶解的光刻胶减压后重新在基片表面附着的情况。