反應離子腐蝕技術是一種各向異性很強、選擇性高的乾法腐蝕技術。它是在真空系統中利用分子氣體等離子來進行刻蝕的，利用了離子誘導化學反應來實現各向異性刻蝕，即是利用離子能量來使被刻蝕層的表面形成容易刻蝕的損傷層和促進化學反應，同時離子還可清除表面生成物以露出清潔的刻蝕表面的作用。但是該刻蝕技術不能獲得較高的選擇比，對表面的損傷大，有污染，難以形成更精細的圖形。
基本介紹
- 中文名：反應離子刻蝕
- 外文名：Reactive ion etching
- 英文縮寫：RIE
刻蝕工藝過程,工作原理,設備,操作方法,
刻蝕工藝過程
電漿刻蝕工藝包括以下六個步驟。 分離： 氣體由電漿分離為可化學反應的元素； 擴散： 這些元素擴散並吸附到矽片表面； 表面擴散：到達表面後， 四處移動； 反應： 與矽片表面的膜發生反應； 解吸： 反應的生成物解吸， 離開矽片表面； 排放： 排放出反應腔。
工作原理
圖1是反應離子刻蝕系統原理圖。通常情況下，反應離子刻蝕機的整個真空壁接地, 作為陽極, 陰極是功率電極, 陰極側面的接地禁止罩可防止功率電極受到濺射。要腐蝕的基片放在功率電極上。腐蝕氣體按照一定的工作壓力和搭配比例充滿整個反應室。對反應腔中的腐蝕氣體, 加上大於氣體擊穿臨界值的高頻電場, 在強電場作用下, 被高頻電場加速的雜散電子與氣體分子或原子進行隨機碰撞, 當電子能量大到一定程度時, 隨機碰撞變為非彈性碰撞, 產生二次電子發射, 它們又進一步與氣體分子碰撞, 不斷激發或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和複合。當電子的產生和消失過程達到平衡時, 放電能繼續不斷地維持下去。由非彈性碰撞產生的離子、電子及及游離基(游離態的原子、分子或原子團) 也稱為電漿, 具有很強的化學活性, 可與被刻蝕樣品表面的原子起化學反應, 形成揮發性物質, 達到腐蝕樣品表層的目的。同時, 由於陰極附近的電場方向垂直於陰極表面, 高能離子在一定的工作壓力下, 垂直地射向樣品表面, 進行物理轟擊, 使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性。
圖1 反應離子刻蝕系統 MYCRO RIE
刻蝕氣體的選擇
對於多晶矽柵電極的刻蝕，腐蝕氣體可用Cl2或SF6，要求對其下層的柵氧化膜具有高的選擇比。刻蝕單晶矽的腐蝕氣體可用Cl2/SF6或SiCl4/Cl2；刻蝕SiO2的腐蝕氣體可用CHF3或CF4/H2；刻蝕Si3N4的腐蝕氣體可用CF4/O2、SF6/O2或CH2F2/CHF3/O2；刻蝕Al（或Al-Si-Cu合金）的腐蝕氣體可用Cl2、BCl3或SiCl4；刻蝕W的腐蝕氣體可用SF6或CF4；刻蝕光刻膠的腐蝕氣體可用氧氣。
對於石英材料, 可選擇氣體種類較多, 比如CF4、CF4+ H2、CHF3 等。我們選用CHF3 氣體作為石英的腐蝕氣體。其反應過程可表示為：CHF3 + e——CHF+2 + F (游離基) + 2e，SiO 2 + 4F SiF4 (氣體) + O 2 (氣體)。SiO 2 分解出來的氧離子在高壓下與CHF+2 基團反應， 生成CO ↑、CO 2↑、H2O ↑、O F↑等多種揮發性氣體[2]。
對於鍺材料、選用含F 的氣體是十分有效的。然而, 當氣體成份中含有氫時, 刻蝕將受到嚴重阻礙, 這是因為氫可以和氟原子結合, 形成穩定的HF, 這種雙原子HF 是不參與腐蝕的。實驗證明, SF6 氣體對Ge 有很好的腐蝕作用。反應過程可表示為：SF6 + e——SF+5 + F (游離基) + 2e，Ge + 4F——GeF4 (揮發性氣體)。
化學物品 | 主要刻蝕薄膜 |
基於氯氣（   | 鋁合金，鈦，氮化鈦，膠 |
基於氟氣（    | 鎢，鎢化鈦，二氧化矽，膠 |
基於氧氣（     | 膠 |
表1 刻蝕氣體和主要刻蝕薄膜
設備
典型的（平行板）RIE系統包括圓柱形真空室，晶片盤位於室的底部。晶片盤與腔室的其餘部分電隔離。氣體通過腔室頂部的小入口進入，並通過底部離開真空泵系統。所用氣體的類型和數量取決於蝕刻工藝;例如，六氟化硫通常用於蝕刻矽。通過調節氣體流速和/或調節排氣孔，氣體壓力通常保持在幾毫托和幾百毫托之間的範圍內。
存在其他類型的RIE系統，包括電感耦合電漿（ICP）RIE。在這種類型的系統中，利用RF供電的磁場產生電漿。雖然蝕刻輪廓傾向於更加各向同性，但可以實現非常高的電漿密度。
平行板和電感耦合電漿RIE的組合是可能的。在該系統中，ICP被用作高密度離子源，其增加了蝕刻速率，而單獨的RF偏壓被施加到襯底（矽晶片）以在襯底附近產生定向電場以實現更多的各向異性蝕刻輪廓。
操作方法
通過向晶片碟片施加強RF（射頻）電磁場，在系統中啟動電漿。該場通常設定為13.56兆赫茲的頻率，施加在幾百瓦特。振盪電場通過剝離電子來電離氣體分子，從而產生電漿。
在場的每個循環中，電子在室中上下電加速，有時撞擊室的上壁和晶片盤。同時，回響於RF電場，更大質量的離子移動相對較少。當電子被吸收到腔室壁中時，它們被簡單地送到地面並且不會改變系統的電子狀態。然而，沉積在晶片碟片上的電子由於其DC隔離而導致碟片積聚電荷。這種電荷積聚在碟片上產生大的負電壓，通常約為幾百伏。由於與自由電子相比較高的正離子濃度，電漿本身產生略微正電荷。
由於大的電壓差，正離子傾向於朝向晶片盤漂移，在晶片盤中它們與待蝕刻的樣品碰撞。離子與樣品表面上的材料發生化學反應，但也可以通過轉移一些動能來敲除（濺射）某些材料。由於反應離子的大部分垂直傳遞，反應離子蝕刻可以產生非常各向異性的蝕刻輪廓，這與濕化學蝕刻的典型各向同性輪廓形成對比。
RIE系統中的蝕刻條件很大程度上取決於許多工藝參數，例如壓力，氣體流量和RF功率。 RIE的改進版本是深反應離子蝕刻，用於挖掘深部特徵。
