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硅(Si)是一種物理和化學性能都非常優異的半導體材料,隨著科技的發展,硅材料在半導體科技中的作用越來越重要。而硅刻蝕在微納米加工技術中是處于光刻之后的一個非常重要的環節,可將光刻膠的圖形轉移到功能材料表面。而在各種半導體功能材料表面形成微納米圖形結構的技術即是刻蝕技術。

目前,刻蝕的方法包含濕化學法刻蝕、等離子體干法刻蝕及其他物理和化學刻蝕技術。由于干法刻蝕具有各向異性的優點,且容易實現微細結構圖形的轉移,因此,在微納米半導體工藝技術中已經取代濕法刻蝕成為最主要的刻蝕技術。反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)是一種物理和化學作用相結合的干法刻蝕方法。因為具有較高的刻蝕速度,大的選擇比和良好的方向性等優點,使其在硅刻蝕技術中得到廣泛的應用。

硅的反應離子刻蝕原理

RIE是在一定壓力下,刻蝕氣體在高頻電場的作用下,使氣體輝光放電產生等離子體,對被刻蝕物進行離子轟擊和化學反應,生成揮發性氣體形成刻蝕的一種刻蝕方法。

圖1反應離子刻蝕設備簡圖

圖1是反應離子刻蝕設備簡圖，上電極(陽極)接地，下電極(陰極)接射頻電源，射頻電源的頻率為13.56MHz。要刻蝕的硅片放在下電極上:通入反應腔室中的氣體在高頻電場的作用下輝光放電，產生等離子體。等離子體中包含有離子、電子及游離的自由基。在電場的作用下,電子被加速,與氣體分子或原子進行碰撞,當電子能量大到一定程度時,碰撞變成非彈性碰撞,產生二次電子,它們又進一步與氣體分子碰撞,不斷使氣體分子電離。由于非彈性碰撞產生的等離子體具有較強的化學活性,可與被刻蝕物質表面起化學反應,形成揮發性物質,從而達到刻蝕的目的。同時,高能離子在電場作用下對樣品表面進行物理轟擊,使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性。

反應離子刻蝕硅通常使用帶氟或者帶氯的活性基團的氣體,如SF₆、CHF₃、CF₄等。例如采用SF₆和O₂對硅進行刻蝕,其中O₂作為稀釋性氣體,容易實現反應氣體輝光放電,產生等離子體,同時,能更好地調節刻蝕的選擇性,實現對硅的各向異性刻蝕。當反應腔室中通入SF₆時,輝光放電發生的化學反應為:SF₆→SF⁵⁺+F*(自由基)+e^-;生成的F*自由基到達Si表面時,發生的化學反應為:Si+F*→SiF₄,其中,SiF₄為揮發性氣體,可以被泵抽走,從而實現對硅的反應離子刻蝕。