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(3)刻蚀过程中的化学反应
利用辉光放电产生的氟离子与硅发生反应,产生挥发性的产物SiF4,可达到边缘刻蚀的目的。若以CF4蚀刻二氧化硅(SiO2),则CF4经电浆放电效应后会产生氟原子和CF2原子,再利用这些原子来进行SiO2的蚀刻:
若加入O2和CF4,电浆会和氧原子反应生成CO、CO2和微量的COF2,这些生成物吸
收碳原子,使得氟原子数目增加的同时使得整个蚀刻反应速率加速:
若加入H2和CF4,电浆会使氟和氢气解离成原子和离子状态,其中氢原子和氟原子会反应生成气态的HF,使得电浆内的氟原子减少,因而让反应速率减慢:
(4)等离子刻蚀中的基本物理及化学现象
在干法刻蚀中,随着制程参数及等离子体状态的改变,可以区分为两种极端性质的蚀刻方式,即纯物理性刻蚀与纯化学反应性刻蚀。纯物理性刻蚀可视为一种物理溅镀(Sputter)方式,它是利用辉光放电,将气体(如Ar)解离成带正电的离子,再利用偏压将离子加速,溅击在被刻蚀物的表面,将被刻蚀物质原子击出。此过程完全利用物理上能量的转移,所以称为物理性刻蚀。其特色为离子撞击带来很强的方向性,可获得接近垂直的刻蚀轮廓。其缺点是由于离子是以撞击的方式达到刻蚀的目的,因此光刻胶与待刻蚀材料两者将同时被刻蚀,造成对屏蔽物质的刻蚀选择比变差,同时刻蚀终点必须精确掌控,因为以离子撞击方式刻蚀对于底层物质的选择比很低,且被击出的物质往往是非挥发性物质,而这些物质容易再度沉积至被刻蚀物薄膜的表面或侧壁,加上刻蚀效率偏低,因此,以纯物理性刻蚀方式在太阳电池制造过程中很少被用到。纯化学反应性蚀刻,则是利用等离子体产生的化学活性极强的原(分)子团扩散至待刻蚀物质的表面,并与其反应产生挥发性的生成物,通过真空设备抽离反应腔。由于这种反应完全利用化学反应来达成,故谓之纯化学反应性刻蚀。它的蚀刻方式相近于湿法腐蚀,只是反应物及产物的状态由液态改变为气态,并利用等离子体来促进刻蚀的速率。因此纯化学反应性刻蚀拥有类似于湿法腐蚀的优点及缺点,即高选择比及等向性刻蚀。在半导体制程中纯化学反应性刻蚀应用的情况中通常为不需做图形转换的步骤,如光刻胶的去除等。一个仅基于化学反应机制的理想干刻蚀过程可分为以下几个步骤:①反应气体进入腔体;②产生等离子体形态的活性基团,如离子及自由基(Radicals);③活性基团由扩散、碰撞或场力移至待刻蚀物表面并吸附于表面;④活性基团停滞在待刻蚀物表面一段时间;⑤进行化学反应并产生挥发性的生成物;⑥生成物脱离表面;⑦脱离表面的生成物扩散至气体中并排出腔体。上述步骤中若其中一个停止发生,则整个反应将不再进行。而其中生成物脱离表面的过程最为重要,大部分的反应物种皆能与待刻蚀物表面产生快速的反应,但除非生成物有合理的蒸气压以使其脱离表面,否则反应将不会发生。
总的来说,纯物理性刻蚀,如离子束刻蚀(IonBeamEtch)有两大缺点:①低选择比;②低刻蚀效率。而纯化学反应刻蚀也有两个缺点:①等向性刻蚀;②无法应用至次微米的组件制程上,包含了线宽控制与均匀性等问题。综上所述,等离子(干式)刻蚀的完成包含了以下几种过程:①化学反应,属等向性;②离子辅助刻蚀,具方向性;③保护层的形成,可避免侧壁遭受蚀刻;④生成物残留的排除。
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