氧氣O2 plasma處理對光刻膠表面潤濕性的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-11-07

對于具有圖形微結構的光刻膠表面，光依靠毛細作用，很難使得液體完全潤濕光刻膠的表面，液體潤濕凸點形成前的微孔的過程在圖1-1中展示了。

圖1-1 液體潤濕微孔的過程示意圖

形成潤濕一般需要的過程為：
a. 光刻膠的微孔內側的縫隙與作為氣核的液體中部分懸浮的氣泡或者溶解氣體共同形成了潤濕過程中液體的表面張力最小，最易發生潤濕的地點；
b. 當液體依靠毛細作用逐漸進入微孔內部時，微孔內部的氣體被急劇壓縮，內部氣壓升高，最終會達到一個暫時平穩的狀態；
c. 借助攪拌或者超聲波的方法能夠讓氣核處的氣泡不斷長大，這些長大了的氣泡可能吸附在微孔內側壁處，或靠浮力逐漸排出微孔，這兩種形式都使得微孔內部的氣壓逐漸降低了；
d. 當氣壓降低后，之前暫時平衡的狀態重新失衡，依靠毛細作用將會繼續潤濕微孔；
e. 從形成氣泡再到排出氣泡，系統不斷平衡失衡，最終液體將會潤濕到微孔的最底部；
f. 當底部被完全潤濕后，最后殘留在微孔內的大氣泡將會依靠浮力或者其他的作用力向上浮動，此過程也會將其余附著在微孔內側壁上的其他小氣泡帶走，最終在微孔內部完全潤濕。然而在實際的電鍍微凸點的過程中，經常出現一些氣孔或者凸點底部不能被鍍滿的情況，這些情況都會影響電鍍后凸點的質量，從而對實際芯片的使用及其可靠性產生很壞的影響。在實際實驗中，使用微孔直徑為5μm及10μm的光刻膠來進行電鍍，電鍍后根據電鏡拍攝后可以發現在凸點存在缺陷的樣品，如下面的圖所示。圖1-2展示了電鍍后的凸點出現氣孔的情況，圖1-3展示了凸點底部不能完全被鍍液潤濕而出現的斷層現象。

圖1-2 凸點底部出現氣孔的現象

圖1-3 凸點底部未鍍滿的情況

在有著高深寬比及精密間距的微孔的光刻膠中，需要通過改善光刻膠表面的潤濕性來電鍍得到更好的凸點。提高含有微孔的光刻膠的表面潤濕性有一些常用的方法，包括氧等離子體處理，在鍍液中添加潤濕劑；采用機械攪拌；減小微孔內部的氣壓；涂覆親水涂層；改變表面的結構等。這些方法對于提高光刻膠表面潤濕性都有很大幫助，但是實際實驗中選擇了氧等立體處理來增加潤濕性。這是因為，電鍍中的鍍液配方一般都是嚴格規定控制的，隨意的添加潤濕劑可能會使得鍍液的性能發生改變，而使電鍍不能按預期完成。實施機械攪拌或者減小微孔內部氣壓都需要在整個生產線上添加一些新的設備來完成這些步驟，使得成本增加，過程變得更復雜。而O₂plasma處理這個步驟在微凸點制備的過程中本身就存在，不需要增加新的設備，也不會影響電鍍的其他性能，所以O₂ plasma是最佳的選擇。O₂ plasma處理對于光刻膠而言還具有去除殘余光刻膠等作用，可以同時將微結構內部曝光顯影不完全而殘留的光刻膠除掉。

O2 plasma處理

等離子是指氣體中的一部分原子以及原子團的電子被搶奪然后發生電離出現正負離子與氣體中本來的原子團，分子，原子形成的離子化氣體狀的物質，對外部系統而言顯示為電中性，一般被看做是固體、氣體和液體以外的第四種形態的物質。該種物質的出現對于各個領域的發展都帶來了新的機會。等離子技術來進行表面處理能夠使得工藝品質更高，效率更高，成本更低，環保以及便于控制。該工藝一般可于樣品表面實現清潔、改性以及蝕刻等功能。清潔可以實現除去表面的油污等有機物或氧化物以及灰塵的污染，精細化的清洗，除去表面靜電；改性能夠使表面產生粗化或交聯等反應使其具有活性；蝕刻能夠使表面發生相應地反應進行蝕刻。在半導體行業里，等離子體處理通常用于薄膜的沉積，打線，基片表面的清洗，微孔的刻蝕等。

圖1-4 氧氣等離子處理光刻膠前后水滴角對比

圖1-4(a)表示了未經O₂plasma處理的光刻膠表面的狀態，此時光刻膠表面的接觸角為79.60゜，表面的形貌結構為很多尖銳的小凸起，表面的羥基等親水基團的數量也較少，所以光刻膠表面的潤濕性也不好。圖1-4(b)表示了當光刻膠表面經過O₂ plasma處理1h后，光刻膠表面原本尖銳的小凸起變得平滑圓潤了，液體接觸時形成的氣墊面積隨之減小，而液體與樣品表面的接觸面積增加。同時，光刻膠表面的親水基團的數量也在改性后得到提升，由于表面的微結構也變得圓潤平滑，所以親水基團也主要分布在外表面，潤濕性更容易和液體接觸，使得表面潤濕性得到明顯提高。根據測得的接觸角結果，從原來的79.6゜減小到37.01゜，表明經O2plasma處理后光刻膠表面潤濕性確實得到了提高。

由于經過O2plasma處理后，光刻膠表面的微結構與粗糙度以及表面所含有的羥基等親水基團變化的共同作用下，使得表面的潤濕性得到了修飾和提升。