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刻蝕是半導(dǎo)體微機(jī)械加工中關(guān)鍵的工藝之一,在器件生產(chǎn)過程中被廣泛應(yīng)用,是影響制造成品率和可靠性的重要因素。濕法刻蝕和干法刻蝕是半導(dǎo)體制造中兩種基本的刻蝕工藝。相比于濕法刻蝕,干法刻蝕具有各向異性、精度高、刻蝕均勻性好和工藝清潔度高等優(yōu)點(diǎn),滿足器件微細(xì)加工的要求,成為目前主要的刻蝕方式。反應(yīng)離子刻蝕有較高的刻蝕速率、良好的均勻性和方向性,是現(xiàn)今廣泛應(yīng)用和很有發(fā)展前景的干法刻蝕技術(shù)

二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)以及良好的介電性質(zhì),在電子器件和集成器件、光學(xué)薄膜器件、傳感器等相關(guān)器件中得到廣泛應(yīng)用。在微機(jī)械加工工藝中,SiO2常被用作絕緣層、犧牲層材料。

二氧化硅的反應(yīng)離子刻蝕原理

干法刻蝕又叫等離子體刻蝕，等離子體是不同于人們生活中經(jīng)常接觸的除固液氣外的第四種狀態(tài)。等離子狀態(tài)是由于物質(zhì)在受到外界高溫或加速電子,離子能量作用后,中性物質(zhì)激發(fā)后發(fā)生解離生成的具有離子,電子,自由基團(tuán),分子,原子,可見光等物質(zhì),這些物質(zhì)統(tǒng)稱為等離子體,其整體上呈電中性。

反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)包含物理性刻蝕和化學(xué)性刻蝕兩種刻蝕作用。刻蝕時,反應(yīng)室中的氣體輝光放電,產(chǎn)生含有離子、電子及游離基等活性物質(zhì)的等離子體,可擴(kuò)散并吸附到被刻蝕樣品表面與表面的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成揮發(fā)性物質(zhì),達(dá)到刻蝕樣品表層的目的。同時,高能離子在一定的工作壓力下,射向樣品表面,進(jìn)行物理轟擊和刻蝕,去除再沉積的反應(yīng)產(chǎn)物或聚合物?；瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)與物理轟擊的副產(chǎn)物均通過真空系統(tǒng)被抽走。

反應(yīng)離子刻蝕SiO2的反應(yīng)氣體主要為含氟基或氯基氣體;前者如CF₄、CHF₃、SF₆、NF₃等,后者如BCl₃、Cl₂等。反應(yīng)離子刻蝕SiO₂時,在輝光放電中分解出的氟原子或氯原子,與SiO₂表面原子反應(yīng)生成氣態(tài)產(chǎn)物,達(dá)到刻蝕的目的。

氟碳化合物和氟化的碳?xì)浠衔?在碳?xì)浠衔镏杏幸粋€或幾個氫原子被氟原子替代)是SiO2反應(yīng)離子刻蝕工藝常用的刻蝕氣體,如CF₄、C₃F₈、C₄F₈、CHF₃、CH₂F₂等。其中所含的碳可以幫助去除氧化層中的氧(產(chǎn)生副產(chǎn)物CO及CO₂)。CF₄和CHF₃為最常用的氣體。用CF₄和CHF₃刻蝕SiO₂時,刻蝕氣體發(fā)生離解,主要反應(yīng)過程如下:

CHF₃:CHF₃+e→CHF2*+F*+e（1）

CHF₃+e→CF3*+H*+e（2）

CF₃*+e→C+F*+e（3）

CF₄:CF₄+e→CF₃*+F*+e（4）

CF₃*+e→C+F*+e（5）

生成的氟活性原子到達(dá)SiO2表面,反應(yīng)生成揮發(fā)物質(zhì),如下:

SiO₂+F*→SiF₄↑+O₂↑

式(1)~(6)中有上標(biāo)星號的CF₃*,CF₂*,CF*,F*表示具有強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)活性的活性基。SiO₂分解生成的氧離子和CHF₂*等基團(tuán)反應(yīng),生成的CO↑、CO₂↑、H₂O↑等揮發(fā)性氣體被真空系統(tǒng)抽離反應(yīng)腔體,完成對SiO₂的刻蝕。