等离子体刻蚀原理-plasma etching

等离子态是固态、液态、气态之外的物质第四态。当物质的温度由低温转变到高温时,物质将由固态向液态和气态转变,当气态物体的温度进一步升高时,气体中的原子、分子出现电离,从而产生正离子、负离子、中性分子组成的混合体系,在该混合体系中含有大量的活性离子或分子,但整体又呈电中性,把处于这种特殊体系状态的物体称为等离子体。在半导体加工制造领域中,通常采用射频离子源作为电源,即在两个电极板之间施加一个射频电压从而产生等离子体。如图1.1所示。在电场的作用下,自由电子会获得能量,加速的自由电子与反应室中的气体发生碰撞。气体的原子或分子碰撞后产生一个离子和一个自由电子。离子的产生是与自由电子发生碰撞后失去一个自由电子形成的。反应碰撞是一个连续发生的过程,整个反应室会在极短的时间内充满电子与离子,这个体系状态称为等离子体。

图1.1等离子体形成过程示意图

目前刻蚀工艺手段分为干法刻蚀和湿法刻蚀,但干法刻蚀属于等离子体刻蚀技术。如图1.2所示。其中,干法刻蚀是通过物理、化学方法对材料的某些区域进行有选择性的去除和保留。化学湿法刻蚀则是通过化学试剂将硅晶圆表面暴露出来的材料进行去除。在半导体制造过程中,干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术,其中以等离子体干法刻蚀为主。它具有高方向性、刻蚀剖面可控性、高分辨率、均匀性和材料选择性等优点。而湿法刻蚀无法对线宽进行控制,无法加工精确的电路图。因此,采用的场景也越来越少。

图1.2(a)干法刻蚀,(b)湿法刻蚀

等离子体刻蚀原理

干法刻蚀技术是常见的等离子体刻蚀方法之一。如图1.3所示,从刻蚀的形貌来分析,可分为:(1)均匀刻蚀;(2)不均匀刻蚀;(3)晶粒刻蚀(注:图1.3(d)绿色方框);(4)晶界刻蚀(注:图1.3(d)红色方框)。

图1.3(a)未刻蚀表面,(b)均匀刻蚀,(c)不均匀刻蚀,(d)晶粒和晶界刻蚀

图1.4 等离子体刻蚀原理图

从刻蚀原理来分析,可分为:(1)物理刻蚀;(2)化学刻蚀;(3)反应刻蚀。如图1.4为等离子体刻蚀原理图所示。物理刻蚀是依靠物理能量转移去除表面材料,利用高能惰性气体离子(如Ar、Xe)轰击材料表面,将材料表面的原子和分子撞出,其主要核心是能量传递。物理刻蚀加工取决于入射离子的能量、轰击功率、轰击时间、角度、能量密度以及基材的物理性质(包括原子结合能、相对原子质量、材料致密度等)。物理刻蚀具有高各异相性和无选择性等特点。化学刻蚀是通过化学反应去除表面材料,利用等离子体中的活性分子与被刻蚀材料之间的化学反应产生刻蚀。化学刻蚀与分子的活性、密度、反应产物的物理性质等有关。反应刻蚀是通过加速带电离子轰击刻蚀基材表面,在表面发生一系列物理、化学反应,得到各向异性的刻蚀剖面,同时刻蚀过程中表现出较高的选择性和刻蚀速率。