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干法刻蝕技術(shù)是利用等離子體來實(shí)現(xiàn)刻蝕的過程。一旦氣體被引入腔體中,它們會被電離進(jìn)而轉(zhuǎn)化為等離子體狀態(tài)。在等離子體狀態(tài)下,其展現(xiàn)出兩個顯著特性:一是,等離子體中的氣體相較于常態(tài),展現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。這意味著我們可以根據(jù)待刻蝕材料的特性,選擇恰當(dāng)?shù)目涛g氣體(即反應(yīng)劑),從而加速與材料的化學(xué)反應(yīng),達(dá)到刻蝕目的。其次,等離子體可通過電場進(jìn)行導(dǎo)向和加速,使其攜帶一定的能量。當(dāng)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(jī)制來完成刻蝕。因此,干法刻蝕實(shí)際上是物理與化學(xué)雙重作用下的結(jié)果。等離子體干法刻蝕技術(shù)的獨(dú)特之處在于,它不僅能夠執(zhí)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(jìn)行精確的圖形轉(zhuǎn)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(huán)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(tài),統(tǒng)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(fā)生碰撞,進(jìn)而產(chǎn)生離子和更多的中性自由基。如圖1-1所示,由于電子的質(zhì)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(dǎo)致表面迅速帶上負(fù)電;因此,相較于等離子體,電子呈現(xiàn)負(fù)電位。所以,在電場力的作用下,離子進(jìn)行加速運(yùn)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(tài),而且由于離子攜帶高能量,它們能夠與活性中性物質(zhì)協(xié)同工作,共同實(shí)現(xiàn)去除材料表面雜質(zhì)或不需要成分的目標(biāo)。當(dāng)通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行刻蝕,且僅涉及活性中性物質(zhì)時,由于這些中性物質(zhì)展現(xiàn)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(dǎo)致刻蝕后的表面呈現(xiàn)出各向同性的輪廓。因此,這種化學(xué)刻蝕,或稱各向同性刻蝕,具備相對較高的選擇性優(yōu)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)的;然而,物理轟擊的選擇性相對較低。所以,在集成電路領(lǐng)域高速發(fā)展的今天,通常采用化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊結(jié)合的方式進(jìn)行刻蝕,這一類刻蝕工藝被稱為反應(yīng)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(yīng)離子刻蝕技術(shù)（ICP-RIE）

ICP-RIE是一種更優(yōu)化的RIE刻蝕技術(shù),通過分立的射頻源分別控制等離子體的激發(fā)與刻蝕,來實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)。

圖2-2 電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)示意圖 

圖2-2展示了ICP-RIE(電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕)的腔室結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出,該系統(tǒng)通過感應(yīng)線圈將額外的射頻能量從外部耦合,使腔室內(nèi)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(wěn)定,有助于精準(zhǔn)控制刻蝕形貌。等離子體的產(chǎn)生和分布經(jīng)過了等離子體發(fā)生腔,并與實(shí)際的刻蝕區(qū)域分開。高功率射頻信號驅(qū)動自由電子在等離子體腔內(nèi)高速回旋運(yùn)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(dú)立調(diào)節(jié)功率,從而實(shí)現(xiàn)對自偏置電壓的精確控制,以優(yōu)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(xué)反應(yīng)——反應(yīng)氣體與被刻蝕材料相互作用,生成易揮發(fā)的反應(yīng)產(chǎn)物。

3. 物理化學(xué)轟擊——等離子體對表面反應(yīng)產(chǎn)物施加能量,使其脫離表面,最終實(shí)現(xiàn)刻蝕。

ICP-RIE相較于傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕(ReactiveIon Etching)進(jìn)行了優(yōu)化,通過增加射頻(Inductively Coupled Plasma)源實(shí)現(xiàn)更高效的等離子體激發(fā)。該系統(tǒng)使用兩個獨(dú)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(tǒng)RIE技術(shù)相比,ICP-RIE具備高刻蝕速率、高選擇比、低損傷等優(yōu)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)的精細(xì)加工。此外該技術(shù)還能在較低氣壓環(huán)境下運(yùn)行,進(jìn)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(yōu)異的刻蝕性能和高可控性,在微納制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,特別適用于半導(dǎo)體器件、光學(xué)超表面和納米級電子元件的加工。