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等離子態(tài)是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)。當(dāng)物質(zhì)的溫度由低溫轉(zhuǎn)變到高溫時(shí),物質(zhì)將由固態(tài)向液態(tài)和氣態(tài)轉(zhuǎn)變,當(dāng)氣態(tài)物體的溫度進(jìn)一步升高時(shí),氣體中的原子、分子出現(xiàn)電離,從而產(chǎn)生正離子、負(fù)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(tài)的物體稱為等離子體。在半導(dǎo)體加工制造領(lǐng)域中,通常采用射頻離子源作為電源,即在兩個(gè)電極板之間施加一個(gè)射頻電壓從而產(chǎn)生等離子體。如圖1.1所示。在電場(chǎng)的作用下,自由電子會(huì)獲得能量,加速的自由電子與反應(yīng)室中的氣體發(fā)生碰撞。氣體的原子或分子碰撞后產(chǎn)生一個(gè)離子和一個(gè)自由電子。離子的產(chǎn)生是與自由電子發(fā)生碰撞后失去一個(gè)自由電子形成的。反應(yīng)碰撞是一個(gè)連續(xù)發(fā)生的過(guò)程,整個(gè)反應(yīng)室會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)充滿電子與離子,這個(gè)體系狀態(tài)稱為等離子體。

圖1.1等離子體形成過(guò)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(shù)。如圖1.2所示。其中,干法刻蝕是通過(guò)物理、化學(xué)方法對(duì)材料的某些區(qū)域進(jìn)行有選擇性的去除和保留?；瘜W(xué)濕法刻蝕則是通過(guò)化學(xué)試劑將硅晶圓表面暴露出來(lái)的材料進(jìn)行去除。在半導(dǎo)體制造過(guò)程中,干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術(shù),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(yōu)點(diǎn)。而濕法刻蝕無(wú)法對(duì)線寬進(jìn)行控制,無(wú)法加工精確的電路圖。因此,采用的場(chǎng)景也越來(lái)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(shù)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(lái)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(lái)分析,可分為:(1)物理刻蝕;(2)化學(xué)刻蝕;(3)反應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)間、角度、能量密度以及基材的物理性質(zhì)(包括原子結(jié)合能、相對(duì)原子質(zhì)量、材料致密度等)。物理刻蝕具有高各異相性和無(wú)選擇性等特點(diǎn)。化學(xué)刻蝕是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生刻蝕。化學(xué)刻蝕與分子的活性、密度、反應(yīng)產(chǎn)物的物理性質(zhì)等有關(guān)。反應(yīng)刻蝕是通過(guò)加速帶電離子轟擊刻蝕基材表面,在表面發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng),得到各向異性的刻蝕剖面,同時(shí)刻蝕過(guò)程中表現(xiàn)出較高的選擇性和刻蝕速率。