摘要

本文簡要回顧了干法刻蝕在圖形轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用，主要是在硅技術(shù)中。它集中在概念和主題蝕刻材料的興趣在微觀力學(xué)。闡述了主要干法刻蝕技術(shù)——等離子體輔助刻蝕的基礎(chǔ)，介紹了反應(yīng)離子刻蝕等等離子體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。RIE的一個重要特征是其實現(xiàn)蝕刻方向性的能力。將解釋這種方向性背后的機制和完成這一任務(wù)的各種等離子體化學(xué)。發(fā)現(xiàn)多步等離子體化學(xué)在一次運行中成功地用于蝕刻、釋放和鈍化微機械結(jié)構(gòu)。等離子蝕刻對許多變量極其敏感，使得蝕刻結(jié)果不一致且不可再現(xiàn)。因此，將處理重要的等離子體參數(shù)、掩模材料及其影響。而且RIE有自己的具體問題，會制定解決方案。反應(yīng)離子刻蝕工藝的結(jié)果以非線性方式取決于大量參數(shù)。因此，仔細的數(shù)據(jù)采集是必要的。此外，對于給定的工藝，需要等離子體監(jiān)測來確定蝕刻終點。本文最后介紹了等離子體刻蝕的一些發(fā)展趨勢。

介紹

等離子體輔助刻蝕的基礎(chǔ)簡單；使用氣體輝光放電來離解和離子化相對穩(wěn)定的分子，形成化學(xué)反應(yīng)性和離子性物質(zhì)，并選擇化學(xué)物質(zhì)，使得這些物質(zhì)與待蝕刻的固體反應(yīng)，形成揮發(fā)性產(chǎn)物。等離子體蝕刻可分為單晶片和分批反應(yīng)器。區(qū)分三個主要群體也很常見；(1)化學(xué)等離子體蝕刻，(2)協(xié)同反應(yīng)離子蝕刻(RIE)和(3)物理離子束蝕刻(IBE)。一般來說，IBE僅顯示出正錐形輪廓、低選擇性和低蝕刻速率，而PE產(chǎn)生各向同性輪廓、高蝕刻速率和高選擇性。由于物理濺射與具有高蝕刻速率和高選擇性的活性物質(zhì)的化學(xué)活性的協(xié)同結(jié)合，RIE能夠?qū)崿F(xiàn)輪廓控制。

與單晶片反應(yīng)器相比，間歇反應(yīng)器通常具有較低的蝕刻速率，并且在較低的壓力和較低的功率密度下工作，因此大批量可以實現(xiàn)高產(chǎn)量。不幸的是，純化學(xué)等離子蝕刻系統(tǒng)也被稱為“等離子蝕刻系統(tǒng)”，聚乙烯的典型反應(yīng)器類型包括桶和下游蝕刻機，其中使用微波激發(fā)等離子體。它們的特點是最少的離子轟擊和純化學(xué)蝕刻。在需要離子轟擊的應(yīng)用中，可以使用平行板反應(yīng)器。在對稱低壓系統(tǒng)中，等離子體電勢很高，兩個電極都受到高能離子的轟擊。通常很難蝕刻特定的襯底材料，因為沒有化學(xué)蝕刻劑可用。在這些情況下，通過用定向高能流濺射該層來完成圖案化。

純等離子體化學(xué)

通?；跉浜头⒙群弯宓入x子體用于硅的反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕產(chǎn)物分別是揮發(fā)性的四氧化硅、四氧化硅、四氧化硅和四氧化硅。基于氟的等離子體通常用于各向同性蝕刻，而基于氯和溴的等離子體如氯主要用于實現(xiàn)各向異性蝕刻輪廓。除了氟基混合物，這些氣體特別危險(Br2或C1化合物)，建議采取特殊預(yù)防措施。

在氫硅體系中有著廣泛的表面科學(xué)活動，其中大部分都是為了發(fā)展對單晶硅暴露于氫氧化合物中產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)的理解。硅在CF4等離子體中的刻蝕，發(fā)現(xiàn)刻蝕速率和F原子密度之間存在線性關(guān)系，表明F原子直接參與刻蝕過程。硅基等離子體中硅的蝕刻。SF6、CF4、SiF4、NF3、XeF2或F2通常導(dǎo)致掩模的大的底切。Cl基等離子體(Cl2或SiCl4)的蝕刻方向性可以通過觀察到Si和SiO2在室溫下不會被Cl原子自發(fā)蝕刻來解釋，這使得僅離子誘導(dǎo)蝕刻成為可能。

由于含溴原子(溴單層)的硅和二氧化硅的低自發(fā)蝕刻速率，溴化學(xué)在反應(yīng)離子刻蝕工藝開發(fā)中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。氧等離子體主要用于聚合物蝕刻，并且在硅溝槽蝕刻中很重要，因為它們能夠在之后去除聚合物殘留物。

混合等離子體化學(xué)

混合分子(例如。CCl2F2)和氣體(例如。SF6/Cl2)通常用于各向異性蝕刻。如果選擇等離子體化學(xué)，使得蝕刻抑制膜可以在溝槽的側(cè)壁形成，則定向蝕刻是可能的。通過改變相對原子密度。進料氣體中的氟氯比，可以改變溝槽輪廓。在微機械加工中使用了各種各樣的氟、氯、溴和氧基等離子體，其中含有豐富的氣體添加劑。

在CF4或SF6等離子體中加入N2氣體是蝕刻硅的另一種重要混合物，因為它增加了氟原子密度。與大多數(shù)其他氣體不同，氮氣在激發(fā)時不會離解。相反，它是以束縛激發(fā)態(tài)存在的，而不是原子或離子。物質(zhì)的電子和熱離解是不一樣的。同樣，在較高的N2含量下，蝕刻將由于稀釋而減少。SF6/N2不同于SF6/O2蝕刻，因為相對更多的SF5離子可以響應(yīng)偏壓，濺射可能會增加。向CF4等離子體中加入N2具有額外的效果，即由于揮發(fā)性氯化萘種類，聚合物形成減少。以同樣的方式，氟原子或氧原子與裸露的硅反應(yīng)生成硅原子，氟或N2原子團可能會將硅原子變成硅原子。這種膜是弱鈍化的，因此從未用于離子抑制劑工藝。相反，這些富氟等離子體在硅的快速各向同性蝕刻中是有效的。

等離子體參數(shù)影響

等離子體蝕刻最大的缺點是它對許多變量的極端敏感性。其中一些參數(shù)是眾所周知的，如壓力、功率和流量。然而，更多情況下，目標(biāo)反應(yīng)堆材料和清潔度等影響會被無意忽略。與未摻雜的硅相反，高摻雜的硅在Cl2放電中自發(fā)蝕刻。氮型硅比本征硅蝕刻得更快，本征硅比p型硅蝕刻得更快，這種效應(yīng)本質(zhì)上不是化學(xué)性質(zhì)的，因為如果摻雜劑沒有被電激活，這種效應(yīng)就不存在。

溫度是RIE刻蝕中最重要的參數(shù)。它與熵和焓一起控制著反應(yīng)器中的每一個能量步驟，如吸附和反應(yīng)。已知許多來源可以提高襯底表面的溫度，例如(1)離子轟擊，(2)襯底表面的放熱反應(yīng)，(3)射頻。渦流加熱和(4)氣體加熱。

通常，為了穩(wěn)定表面溫度，通過循環(huán)水(或其他液體)穿過靶板來冷卻靶。當(dāng)然，晶片必須被充分夾緊以最大化從襯底到目標(biāo)的熱傳遞。或者，可以將像氦這樣的氣體添加到等離子體中，以從正面冷卻襯底，或者可以利用氦背面冷卻。

問題與解決方案

RIE是一種非常復(fù)雜的技術(shù)，需要相當(dāng)長的時間才能熟悉它。不幸的是，這還不是全部RIE有自己的具體問題，本節(jié)將研究其中的一些問題。

在微觀力學(xué)中，溝槽的蝕刻深度增加，而溝槽寬度(或開口)保持不變或變得更小?？v橫比(深度、寬度)因此增加，縱橫比相關(guān)蝕刻(ARDE)將變得重要。ARDE是側(cè)壁彎曲的統(tǒng)稱，即。離子在沿著這些壁的軌跡期間向側(cè)壁的偏轉(zhuǎn)，輪廓的特征尺寸依賴性，即對于不同的溝槽開口觀察到不同的錐形輪廓，以及RIE滯后，即與較寬的溝槽相比，較小的溝槽被蝕刻得較慢、正滯后或較快、負(fù)滯后的效果。

反應(yīng)離子刻蝕對器件性能的影響被認(rèn)為是由于反應(yīng)離子刻蝕相關(guān)的表面污染和襯底位移損傷。殘余損傷是指最大離子能量或通量，尤其是硅蝕刻速率。當(dāng)樣品暴露在RIE等離子體中時，損傷將被引入襯底并累積。然而，與此同時，蝕刻將消耗損壞的層。因此，對于高蝕刻速率，應(yīng)該觀察到很少的殘留損傷。

當(dāng)前和未來趨勢

低壓反應(yīng)器在泵送設(shè)備和晶片冷卻方面比傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)要求更高。對于反應(yīng)離子刻蝕，需要一臺羅茨鼓風(fēng)機和一臺渦輪泵在足夠的氣體流量下將壓力保持在10毫托以下。MIE處理的壓力接近1毫托，ECR蝕刻的壓力甚至更低。在這些低壓下適度的氣流需要非常高的泵送速度。對于30 sccm的流量，可能需要使用1500 1s-1渦輪泵。由于實現(xiàn)了高蝕刻速率、顯著的離子轟擊和低壓操作，晶片冷卻是一個關(guān)鍵問題。為了控制蝕刻過程，使用晶片夾具或靜電卡盤進行背面氦氣冷卻是必要的。

平行于陰極表面的磁體磁場和垂直于陰極表面的電場線(自偏置)將電子限制在陰極附近的擺線軌跡。因此，電子與氣相物質(zhì)碰撞的概率增加了，離子中性比在MIE中比在RIE中大50倍。在電子回旋共振中，放電是由微波激發(fā)產(chǎn)生的(通常為2.45千兆赫)。當(dāng)施加B = 875高斯的磁場時，磁場中電子的回旋運動和微波場之間發(fā)生共振。共振時的電子有效地將微波能量轉(zhuǎn)化為氣體物質(zhì)的離解。晶片被放置在放電室下方，并且可以被射頻?；蛘呷A盛頓特區(qū)。被驅(qū)動來控制撞擊離子和自由基的能量。這使得能夠比在RIE中更好地控制蝕刻過程。
審核編輯：湯梓紅