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等離子體被認(rèn)為是除過固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)存在的第四狀態(tài),是由正、負(fù)離子和中性粒子組成的集合體,整體表現(xiàn)為電中性。通常其產(chǎn)生的方法是利用氣體放電原理激勵氣體使氣體電離,發(fā)生輝光放電從而產(chǎn)生等離子體。其原理是給氣體環(huán)境施加電場,使得氣體內(nèi)的自由電子加速到高能量與原子或分子發(fā)生碰撞使其電離,從而生成等離子體。

等離子刻蝕，就是利用等離子體中各種電子、離子、游離基等活性粒子與被蝕刻材料發(fā)生物理濺射或化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性的刻蝕產(chǎn)物，達(dá)到刻蝕材料的目的。物理濺射則是加工過程中,存在高能量帶電離子在轟擊被加工材料表面原子,達(dá)到去除表面材料的效果;化學(xué)反應(yīng)則是加工過程中還存在大量化學(xué)活性的離子與加工材料表面原子化學(xué)鍵反應(yīng),實(shí)現(xiàn)材料表面去除,同時被去除的材料會被真空系統(tǒng)抽離反應(yīng)腔室,使得材料被不斷去除。

二氧化硅等離子體刻蝕原理

二氧化硅等離子刻蝕一般采用CF4、SF6等含氟氣體和氧氣作為刻蝕反應(yīng)氣體,在正常情況下,硅基材料和CF4和SF6等刻蝕氣體是很難進(jìn)行反應(yīng)的。而將刻蝕氣體通過等離子體源電離產(chǎn)生自由基等離子體,含有的大量自由基反應(yīng)活性十分強(qiáng),可以破壞硅基材料的化學(xué)鍵,從而發(fā)生了反應(yīng)并且與之結(jié)合產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)SiF4氣體，實(shí)現(xiàn)表面材料的去除，達(dá)到刻蝕目的。其反應(yīng)過程大致可以分以下為三個步驟:

反應(yīng)物分子和自由基在材料表面的吸附

在材料表面上的吸附按其作用力性質(zhì)不同可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是利用材料表面與活性分子之間的相互作用的物理引力或斥力,而化學(xué)吸附則是材料表面與被活性分子之間的化學(xué)鍵力,形成吸附鍵,自由基等離子體在這兩種吸附力下吸附在二氧化硅表面,為后續(xù)的反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

吸附的反應(yīng)物分子和自由基與固體表面發(fā)生反應(yīng)

在低壓條件下,CF₄/O₂等離子體通常常用于刻蝕SiO₂,當(dāng)含氧氟的自由基活性基團(tuán)吸附在二氧化硅表面時,會與SiO₂表面的Si原子生成化學(xué)吸附鍵,一定區(qū)域內(nèi)的二氧化硅表面Si-O鍵發(fā)生電子云偏移,會使得化學(xué)鍵強(qiáng)度減弱從而易于斷裂,在反應(yīng)中Si-O鍵的斷裂是關(guān)鍵的階段,也同時是最慢的階段,同時含F(xiàn)的自由基會結(jié)合形成Si-F鍵,其強(qiáng)烈的極化作用也會使相鄰的Si-O鍵的鍵強(qiáng)快速減小,并加快下一步的反應(yīng)進(jìn)程。以下是等離子體刻蝕SiO₂總的化學(xué)反應(yīng)方程式:

Si0₂+4F→SiF₄+O₂

被吸附的產(chǎn)物分子從固體表面脫附

等離子體與二氧化硅材料經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程,最終生成了大量的揮發(fā)性物質(zhì)SiF4,硅基材料由固態(tài)向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化,達(dá)到基底材料刻蝕去除的目的,最后將氣態(tài)的SiF4被抽出真空室,完成刻蝕的總過程。