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硅(Si)是一種物理和化學(xué)性能都非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料,隨著科技的發(fā)展,硅材料在半導(dǎo)體科技中的作用越來越重要。而硅刻蝕在微納米加工技術(shù)中是處于光刻之后的一個非常重要的環(huán)節(jié),可將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到功能材料表面。而在各種半導(dǎo)體功能材料表面形成微納米圖形結(jié)構(gòu)的技術(shù)即是刻蝕技術(shù)。

目前,刻蝕的方法包含濕化學(xué)法刻蝕、等離子體干法刻蝕及其他物理和化學(xué)刻蝕技術(shù)。由于干法刻蝕具有各向異性的優(yōu)點(diǎn),且容易實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)移,因此,在微納米半導(dǎo)體工藝技術(shù)中已經(jīng)取代濕法刻蝕成為最主要的刻蝕技術(shù)。反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)是一種物理和化學(xué)作用相結(jié)合的干法刻蝕方法。因?yàn)榫哂休^高的刻蝕速度,大的選擇比和良好的方向性等優(yōu)點(diǎn),使其在硅刻蝕技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。

硅的反應(yīng)離子刻蝕原理

RIE是在一定壓力下,刻蝕氣體在高頻電場的作用下,使氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體,對被刻蝕物進(jìn)行離子轟擊和化學(xué)反應(yīng),生成揮發(fā)性氣體形成刻蝕的一種刻蝕方法。

圖1反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備簡圖

圖1是反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備簡圖，上電極(陽極)接地，下電極(陰極)接射頻電源，射頻電源的頻率為13.56MHz。要刻蝕的硅片放在下電極上:通入反應(yīng)腔室中的氣體在高頻電場的作用下輝光放電，產(chǎn)生等離子體。等離子體中包含有離子、電子及游離的自由基。在電場的作用下,電子被加速,與氣體分子或原子進(jìn)行碰撞,當(dāng)電子能量大到一定程度時(shí),碰撞變成非彈性碰撞,產(chǎn)生二次電子,它們又進(jìn)一步與氣體分子碰撞,不斷使氣體分子電離。由于非彈性碰撞產(chǎn)生的等離子體具有較強(qiáng)的化學(xué)活性,可與被刻蝕物質(zhì)表面起化學(xué)反應(yīng),形成揮發(fā)性物質(zhì),從而達(dá)到刻蝕的目的。同時(shí),高能離子在電場作用下對樣品表面進(jìn)行物理轟擊,使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。

反應(yīng)離子刻蝕硅通常使用帶氟或者帶氯的活性基團(tuán)的氣體,如SF₆、CHF₃、CF₄等。例如采用SF₆和O₂對硅進(jìn)行刻蝕,其中O₂作為稀釋性氣體,容易實(shí)現(xiàn)反應(yīng)氣體輝光放電,產(chǎn)生等離子體,同時(shí),能更好地調(diào)節(jié)刻蝕的選擇性,實(shí)現(xiàn)對硅的各向異性刻蝕。當(dāng)反應(yīng)腔室中通入SF₆時(shí),輝光放電發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為:SF₆→SF⁵⁺+F*(自由基)+e^-;生成的F*自由基到達(dá)Si表面時(shí),發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為:Si+F*→SiF₄,其中,SiF₄為揮發(fā)性氣體,可以被泵抽走,從而實(shí)現(xiàn)對硅的反應(yīng)離子刻蝕。