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等離子態是固態、液態、氣態之外的物質第四態。當物質的溫度由低溫轉變到高溫時,物質將由固態向液態和氣態轉變,當氣態物體的溫度進一步升高時,氣體中的原子、分子出現電離,從而產生正離子、負離子、中性分子組成的混合體系,在該混合體系中含有大量的活性離子或分子,但整體又呈電中性,把處于這種特殊體系狀態的物體稱為等離子體。在半導體加工制造領域中,通常采用射頻離子源作為電源,即在兩個電極板之間施加一個射頻電壓從而產生等離子體。如圖1.1所示。在電場的作用下,自由電子會獲得能量,加速的自由電子與反應室中的氣體發生碰撞。氣體的原子或分子碰撞后產生一個離子和一個自由電子。離子的產生是與自由電子發生碰撞后失去一個自由電子形成的。反應碰撞是一個連續發生的過程,整個反應室會在極短的時間內充滿電子與離子,這個體系狀態稱為等離子體。

圖1.1等離子體形成過程示意圖

目前刻蝕工藝手段分為干法刻蝕和濕法刻蝕,但干法刻蝕屬于等離子體刻蝕技術。如圖1.2所示。其中,干法刻蝕是通過物理、化學方法對材料的某些區域進行有選擇性的去除和保留。化學濕法刻蝕則是通過化學試劑將硅晶圓表面暴露出來的材料進行去除。在半導體制造過程中,干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術,其中以等離子體干法刻蝕為主。它具有高方向性、刻蝕剖面可控性、高分辨率、均勻性和材料選擇性等優點。而濕法刻蝕無法對線寬進行控制,無法加工精確的電路圖。因此,采用的場景也越來越少。

圖1.2(a)干法刻蝕,(b)濕法刻蝕

等離子體刻蝕原理

干法刻蝕技術是常見的等離子體刻蝕方法之一。如圖1.3所示,從刻蝕的形貌來分析,可分為:(1)均勻刻蝕;(2)不均勻刻蝕;(3)晶粒刻蝕(注:圖1.3(d)綠色方框);(4)晶界刻蝕(注:圖1.3(d)紅色方框)。

圖1.3(a)未刻蝕表面,(b)均勻刻蝕,(c)不均勻刻蝕,(d)晶粒和晶界刻蝕

圖1.4 等離子體刻蝕原理圖

從刻蝕原理來分析,可分為:(1)物理刻蝕;(2)化學刻蝕;(3)反應刻蝕。如圖1.4為等離子體刻蝕原理圖所示。物理刻蝕是依靠物理能量轉移去除表面材料,利用高能惰性氣體離子(如Ar、Xe)轟擊材料表面,將材料表面的原子和分子撞出,其主要核心是能量傳遞。物理刻蝕加工取決于入射離子的能量、轟擊功率、轟擊時間、角度、能量密度以及基材的物理性質(包括原子結合能、相對原子質量、材料致密度等)。物理刻蝕具有高各異相性和無選擇性等特點。化學刻蝕是通過化學反應去除表面材料,利用等離子體中的活性分子與被刻蝕材料之間的化學反應產生刻蝕。化學刻蝕與分子的活性、密度、反應產物的物理性質等有關。反應刻蝕是通過加速帶電離子轟擊刻蝕基材表面,在表面發生一系列物理、化學反應,得到各向異性的刻蝕剖面,同時刻蝕過程中表現出較高的選擇性和刻蝕速率。