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刻蝕是半導體微機械加工中關鍵的工藝之一,在器件生產過程中被廣泛應用,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點,滿足器件微細加工的要求,成為目前主要的刻蝕方式。反應離子刻蝕有較高的刻蝕速率、良好的均勻性和方向性,是現今廣泛應用和很有發展前景的干法刻蝕技術

二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強等優點以及良好的介電性質,在電子器件和集成器件、光學薄膜器件、傳感器等相關器件中得到廣泛應用。在微機械加工工藝中,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常接觸的除固液氣外的第四種狀態。等離子狀態是由于物質在受到外界高溫或加速電子,離子能量作用后,中性物質激發后發生解離生成的具有離子,電子,自由基團,分子,原子,可見光等物質,這些物質統稱為等離子體,其整體上呈電中性。

反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)包含物理性刻蝕和化學性刻蝕兩種刻蝕作用。刻蝕時,反應室中的氣體輝光放電,產生含有離子、電子及游離基等活性物質的等離子體,可擴散并吸附到被刻蝕樣品表面與表面的原子發生化學反應,形成揮發性物質,達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,進行物理轟擊和刻蝕,去除再沉積的反應產物或聚合物。化學反應產生的揮發性物質與物理轟擊的副產物均通過真空系統被抽走。

反應離子刻蝕SiO2的反應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表面原子反應生成氣態產物,達到刻蝕的目的。

氟碳化合物和氟化的碳氫化合物(在碳氫化合物中有一個或幾個氫原子被氟原子替代)是SiO2反應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(產生副產物CO及CO₂)。CF₄和CHF₃為最常用的氣體。用CF₄和CHF₃刻蝕SiO₂時,刻蝕氣體發生離解,主要反應過程如下:

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SiO2表面,反應生成揮發物質,如下:

SiO₂+F*→SiF₄↑+O₂↑

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