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RIE,全稱是ReactiveIonEtching,即反應離子刻蝕,它是一種微電子干法腐蝕工藝(也即一種常見的干法刻蝕)。其刻蝕反應的基本原理為,反應發生在反應腔室內部,平板電極集成在反應腔室上下兩端,在電極之間施加10~100MHZ的高頻電壓(一般情況下頻率穩定,輸出功率可調)時會產生數百微米厚的離子層,由離子高速撞擊反應腔室內試樣而完成反應蝕刻,稱作為RIE(Reactive Ion Etching)。基于反應離子刻蝕原理制造的裝備系統在納米圖形制作、材料表面清洗方面有著廣泛的應用。針對不同應用領域,刻蝕機系統結構和功能部件都會呈現出不同的組成方式。從設備組成方式上而言,作為半導體專用設備,各類反應離子刻蝕機功能組成的基本結構類似,但依據不同的應用層面,設備會有不同的系統級實現方式,其中就包括工業現場應用、科學實驗研究專用設備等幾個方面的內容。

RIE設備即反應離子刻蝕設備在工程應用中較為廣泛,由于其設備成本相對于高密度等離子體裝備而言投入較低,因此針對一般性的刻蝕速率要求,設備發揮著重要作用。RIE反應離子刻蝕設備基本結構圖如圖1所示。我們將系統簡化為圖2的幾部分控制結構。

圖1 RIE反應離子刻蝕機結構圖

圖2 RIE反應離子刻蝕系統結構簡圖

1. 氣體供給、流量控制兩部分模塊完成RIE設備氣體供給和流量控制工作,配合相關管路組成氣路系統。

氣體源提供工藝實驗所需工藝氣體,常用工藝氣體有O2、Ar、CHF3、CF4等;流量控制模塊又由質量流量計及相關氣動開關閥門組成。工藝氣體流經流量計,通過對流量計設定流量大小來獲得穩定的流量預設值以供腔室內部使用;而氣體管路正是連接著氣體源、流量控制模塊及腔室等工藝氣體流經的部分。每一路流經腔室的氣體由以上三部分進行合作、連通、控制。

在應用當中依據不同的設備要求,氣路的種類和數量會有所增減。

2. 狀態檢測模塊包含真空開關、閥限位信號、終點檢測信號等部分,用于完成設備的運行狀態檢測工作。

真空開關檢測設備腔室當前工作條件是否變化;閥限位信號反應設備當中的閥當前開或關的狀態;終點檢測信號一般需要添加相關終點檢測裝置以提供刻蝕終點檢測。這幾種檢測信號將當前設備運行狀態反饋給實驗操作人員,以供進行設備下一步操作。抑或由設備根據軟件預設進行下一步動作。

除了傳感器反饋的當前狀態外,在設備當中會依據不同需求對狀態檢測進行相應的模塊調整和選擇。

在未安裝終點檢測裝置的等離子體設備當中,人們只能憑借經驗或試樣來估計產品刻蝕的終點。然而這種情況下不能保證刻蝕過程中的線條尺寸和襯底的過刻。

3. 壓力控制模塊由真空規、真空泵、氣動閥及抽氣管路等組成。氣動閥作用于真空規和腔室之間用于選擇在恰當的時間打開,以備真空規進行腔室真空度的監測。氣動閥同時也作用于腔室與真空泵之間,用于選擇開關狀態決定是否進行抽真空。

在RIE設備工作過程中通常要求達到工藝實驗所需低真空環境,考慮到不同的本底真空要求,需要添加不同的抽真空裝置,例如利用高真空所需分子泵或以機械泵、羅茨泵等泵組完成真空抽氣系統的搭建。有時可調節腔室抽氣閥門的開度,可利用插板閥和抽氣管路的配合對腔室抽真空速率做進一步細調。

實時監測腔室真空壓力并依據不同的真空壓力進行抽真空動作就成為一種經常性的動作。壓力控制主要對反應腔室的內部真空進行監測,同時配合不同流量大小的通入來達到所需壓力條件,在射頻開啟時進一步有效控制反應腔室內部等離子體濃度,進而影響工藝實驗。

4. 射頻模塊由射頻電源、匹配器和射頻輸出線纜等配件組成[30]。隨著應用的進步射頻電源與匹配器的一體機也在逐漸的應用當中。幾者配合工作用于產生射頻功率輸出并依據自動匹配或者手動匹配的控制方式將輸出的功率有效耦合進腔室內部,產生等離子體進行刻蝕相關工藝。

5. 應用中一般選擇工作頻率在13.56MHZ的射頻電源,射頻輸出功率可在零到幾百瓦功率大小的范圍內選取。

6. RIE設備的反應腔室部分是刻蝕工藝進行的環境,由腔體及電極系統組成。其中電極系統又包括載片臺、水冷系統、勻氣盤和射頻輸入接頭等部件。

工藝實驗中將需要刻蝕的硅片放于載片臺,水冷系統用于冷卻載片臺溫度,接入的工藝氣體通過勻氣盤的作用下均勻進入,再將射頻接頭與腔室內部電極有效連接。由此組成了RIE腔室內部基本環境。

以上的五個部分就是RIE反應離子刻蝕設備的基本結構通過各個部分的配合才能有效的完成相關刻蝕工藝,達到刻蝕目標。