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5.1.4四种典型的干法刻蚀技术
1.等离子体刻蚀(PlasmaEtching)
等离子体刻蚀是在等离子体存在的条件下,以平面曝光后得到的光刻图形作掩膜,通过溅射、化学反应、辅助能量离子或电子等方式,精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质,留下不受影响的沟槽边壁上物质的一种加工过程。该过程通常为各向异性且按直线进行,还具有刻蚀速率高、均匀性和选择性好以及避免废液料污染环境等优点。正因为如此,它得到了广泛的工业应用。
(1)等离子体的基本知识
等离子体是由部分解离的气体及等量的带正、负电荷粒子所组成,其中所含的气体具有高度的活性,它是利用外加电场的驱动而形成,并且会产生辉光放电(GlowDischarge)现象。刻蚀用的等离子体中,气体的解离程度很低,通常在10-5~10-1之间,在一般的等离子体或活性离子反应器中气体的解离程度约为10-5~10-4,若解离程度到达10-3~10-1则属于高密度等离子体。
等离子体形成的原理:等离子体的产生可由直流(DC)偏压或交流射频(RF)偏压下的电场形成,而在等离子体中的电子来源通常有两种:一种为分子或原子解离后所产生的电子,另一种为离子撞击电极所产生的二次电子(SecondaryElectron),在直流(DC)电场下产生的等离子体其电子源主要以二次电子为主,而交流射频(RF)电场下产生的等离子体其电子源则以分子或原子解离后所产生的电子为主。在等离子刻蚀中,以直流方式产生辉光放电的缺点有以下3个主要方面:①功率消耗较高,也就是说产生的离子密度低;②须以离子撞击电极产生二次电子,如此将会造成电极材料的损耗;③所需之电极材料必须为导体。由于上述3个方面的主要缺点,决定了采用直流方式产生等离子体的方法将不能应用于硅片的制作中。在射频放电(RFDischarge)状况下,由于高频操作,使得大部分的电子在半个周期内没有足够的时间移动至正电极,因此这些电子将会在电极间作振荡,并与气体分子产生碰撞。相较于直流放电,射频放电具有下列优点:①放电的情况可一直持续下去而无需二次电子的发射,当硅片本身为电极的一部分时,这点对半导体材料制程就显得十分重
要了;②由于电子来回地振荡,因此离子化的几率大为提升,蚀刻速率可因而提升;③可在较低的电极电压下操作,以减低电浆对组件所导致的损坏;④对于介电质材料同样可以运作。
现今所有的等离子体系统皆为射频系统。另外,值得一提的是在射频系统中一个重要的参数,是供给动力的电极面积与接地电极面积之比,它将对等离子体的产生形成直接影响。
等效电子及离子温度:存在于等离子体中的电场分别施力于带正电荷之离子与带负电荷的电子,F=E×q,而加速度a=F/M,由于离子质量远大于电子,因此电子所获得的加速度与速度将远大于离子,以至电子的动能远大于离子,电子与离子间处于非平衡状态。从气体动力论中,得知EkiNetic=(3/2)kT,由此可知,等效电子温度远大于等效离子温度,如此可视为“热”电子处于“冷”等离子体之中。因此电子能够在低温的状态下提供一般在高温下才能使分子解离所需要的能量。在一般刻蚀用的等离子中,等效的电子温度约为10000℃~100000℃。
(2)等离子体刻蚀的基本原理
等离子体刻蚀的基本原理可以概括为以下几个步骤:
①在低压下,反应气体在射频功率的激发下,产生电离并形成等离子体,等离子体是由带电的电子和离子组成,反应腔体中的气体在电子的撞击下,除了转变成离子外,还能吸收能量并形成大量的活性基团(Radicals),其电离反应式一般可写为:
式中A2表示电离气体,A+为正离子,e为电子,A为化学性质很活泼的自由基。
②自由基和被刻蚀材料之间的化学反应对材料产生腐蚀作用。
③反应生成挥发性极强的气体脱离被刻蚀物质表面,并被真空系统抽出腔体。等离子体刻蚀与湿法腐蚀相比最大的优点是可使刻蚀具有强方向性。
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