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干法刻蝕技術是利用等離子體來實現刻蝕的過程。一旦氣體被引入腔體中,它們會被電離進而轉化為等離子體狀態。在等離子體狀態下,其展現出兩個顯著特性:一是,等離子體中的氣體相較于常態,展現出較高的化學活性。這意味著我們可以根據待刻蝕材料的特性,選擇恰當的刻蝕氣體(即反應劑),從而加速與材料的化學反應,達到刻蝕目的。其次,等離子體可通過電場進行導向和加速,使其攜帶一定的能量。當這些高能量的等離子體以加速度撞擊被刻蝕物表面時,通過物理能量的傳遞機制來完成刻蝕。因此,干法刻蝕實際上是物理與化學雙重作用下的結果。等離子體干法刻蝕技術的獨特之處在于,它不僅能夠執行各向異性刻蝕,還能夠保持在特征臨界尺寸極小的情況下,進行精確的圖形轉移。

在干法刻蝕的這一工藝流程里,首先利用輝光放電原理,在低壓環境下生成一種包含中性自由基、離子及自由電子的氣體,該氣體處于電離或部分電離狀態,統合稱為等離子體。隨后,通過施加于等離子體上的電壓,電子得以加速,并與中性氣體分子發生碰撞,進而產生離子和更多的中性自由基。如圖1-1所示,由于電子的質量相對較小,它們在與等離子體接觸后能夠比離子更快地移動,導致表面迅速帶上負電;因此,相較于等離子體,電子呈現負電位。所以,在電場力的作用下,離子進行加速運動,并同時排斥電子,確保材料表面的凈電荷電流維持為零狀態,而且由于離子攜帶高能量,它們能夠與活性中性物質協同工作,共同實現去除材料表面雜質或不需要成分的目標。當通過發生化學反應的方式進行刻蝕,且僅涉及活性中性物質時,由于這些中性物質展現出的各向同性特性,包括其均勻的角度分布及較低的附著幾率,導致刻蝕后的表面呈現出各向同性的輪廓。因此,這種化學刻蝕,或稱各向同性刻蝕,具備相對較高的選擇性優勢,反,若不存在中性物種,表面遭受的是物理刻蝕或高能離子的撞擊,那么由于離子撞擊表面的方向各異,被刻蝕的表面將會展現出各向異性的特征。離子轟擊材料表面時,刻蝕作用是通過加速離子在表面原子上的沉積和物理作用來實現的;然而,物理轟擊的選擇性相對較低。所以,在集成電路領域高速發展的今天,通常采用化學反應和物理轟擊結合的方式進行刻蝕,這一類刻蝕工藝被稱為反應離子刻蝕(RIE)。

圖1-1 等離子體刻蝕過程圖

電感耦合等離子體反應離子刻蝕技術（ICP-RIE）

ICP-RIE是一種更優化的RIE刻蝕技術,通過分立的射頻源分別控制等離子體的激發與刻蝕,來實現高密度、低能量的等離子體,具有低損傷、在低壓下可保持較高刻蝕速率等優點。

圖2-2 電感耦合等離子體反應離子刻蝕系統示意圖 

圖2-2展示了ICP-RIE(電感耦合等離子體反應離子刻蝕)的腔室結構示意圖。從圖中可以看出,該系統通過感應線圈將額外的射頻能量從外部耦合,使腔室內的等離子體保持高密度(>10¹¹/cm3)。在低氣壓條件下,等離子體能夠保持穩定,有助于精準控制刻蝕形貌。等離子體的產生和分布經過了等離子體發生腔,并與實際的刻蝕區域分開。高功率射頻信號驅動自由電子在等離子體腔內高速回旋運動,從而大幅提高了電子的電離幾率,提高了等離子體的濃度。除了主射頻源外,與樣品臺基板相連的第二射頻源(通常稱為RF源或RIE源)可獨立調節功率,從而實現對自偏置電壓的精確控制,以優化刻蝕效果。整體來看,ICP-RIE刻蝕過程主要分為以下三個階段:

1. 活性中性粒子吸附——刻蝕氣體中的活性粒子附著在材料表面。

2. 化學反應——反應氣體與被刻蝕材料相互作用,生成易揮發的反應產物。

3. 物理化學轟擊——等離子體對表面反應產物施加能量,使其脫離表面,最終實現刻蝕。

ICP-RIE相較于傳統的反應離子刻蝕(ReactiveIon Etching)進行了優化,通過增加射頻(Inductively Coupled Plasma)源實現更高效的等離子體激發。該系統使用兩個獨立的射頻源,分別用于等離子體生成和刻蝕速率控制,從而大幅提升加工精度和工藝可控性。與傳統RIE技術相比,ICP-RIE具備高刻蝕速率、高選擇比、低損傷等優勢。其中高刻蝕速率有助于提高加工效率,高選擇比能夠確保在不同材料之間精準刻蝕,而低損傷特性則減少了對樣品的影響,特別適用于對納米級結構的精細加工。此外該技術還能在較低氣壓環境下運行,進一步提升刻蝕均勻性,使得刻蝕深度更易控制。綜上ICP-RIE以其優異的刻蝕性能和高可控性,在微納制造領域得到了廣泛應用,特別適用于半導體器件、光學超表面和納米級電子元件的加工。