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干法等离子体刻蚀

Dec. 26, 2024

刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀是一种在不使用化学溶剂的情况下,在金属或半导体上进行腐蚀的刻蚀方法。干法刻蚀利用气体(例如,氨、氯气、氢气或氩气)电离产生的等离子体在极短时间内腐蚀材料表面,去除光刻后暴露的表面材料。腐蚀气体的选择根据具体的材料来进行选择。干法刻蚀目前主要用于制备微芯片、半导体材料和传感器等。通过选择合适的气体流量和反应气体,可以控制所制备的微芯片和半导体器件的几何形状。

干法等离子体刻蚀

干法等离子体刻蚀

等离子体是物质的第四种状态。等离子体是由部份解离的气体及正离子、负离子、自由电子等带电粒子,以及不带电的中性粒子如激发态分子、自由基等组成的,其中所含的气体具高度的活性。干法刻蚀可分为三类,包括化学刻蚀,物理刻蚀和反应离子刻蚀。

物理刻蚀

纯物理性蚀刻是利用辉光放电,将气体如Ar,解离成带正电的离子,再利用偏压将离子加速,撞击在被刻蚀物的表面,而将被刻蚀物质原子撞出。这个过程中利用物理上能量的转移,所以称为物理性刻蚀。由于离子撞击拥有很好的方向性,可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但缺点是由于离子是以撞击的方式达到刻蚀的目的,因此光刻胶与待刻蚀材料两者将同时遭受刻蚀,造成对屏蔽物质的刻蚀选择比变差,同样以离子撞击方式蚀刻对于底层物质的选择比也很低。被撞击出的物质往往是非挥发性物质,这些物质容易再度沉积至被刻蚀物薄膜的表面或侧壁。加上蚀刻效率偏低,因此,以纯物理性蚀刻方式在集成电路制造过程中很少单独使用。

化学刻蚀

纯化学反应性蚀刻,则是利用等离子体产生化学活性极强的原子团及分子团,原子团及分子团扩散至待蚀刻物质的表面,与待刻蚀物质反应产生挥发性之反应生成物,并被真空设备抽离反应腔。这种反应完全利用化学反应来达成。这种刻蚀方式和湿法刻蚀类似,只是反应物及产物的状态由液态改变为气态。因此纯化学反应性蚀刻拥有类似于湿法刻蚀的优点及缺点,即高选择比及各向同性刻蚀。在半导体制造中纯化学反应性蚀刻应用的情况通常为不需做图形转换的步骤,如光阻的去除等。

反应离子刻蚀

最具广泛使用的方法便是结合物理性刻蚀与化学反应性刻蚀,即所谓的反应离子刻蚀(RIE,ReactivelonEtch),此种刻蚀方式兼具各向异性及高选择比等双重优点,刻蚀的进行主要靠化学反应来达成,以获得高选择比。加入离子撞击的原因有两种:一是将待蚀刻物质表面的原子键结构破坏,以加速蚀刻速率;二是将再沉积于待蚀刻物质表面的产物或聚合物(Polymer)打掉,以便待蚀刻物质表面能再与反应蚀刻气体接触。而各向异性蚀刻是靠再沉积的产物或聚合物,沉积于待蚀刻图形上,在表面的沉积物被离子打掉,刻蚀可继续进行,而在侧壁上的沉积物,因未受离子的撞击而保留下来,阻隔了表面与反应蚀刻气体的接触,使得侧壁不受侵蚀,而获得非等向性蚀刻。

各向同性刻蚀意味着蚀刻在各个方向都是均匀的。各向异性刻蚀就是刻蚀在不同的方向上以不同的速度进行。完全各向异性刻蚀是指刻蚀时只向下,不向两侧刻蚀。

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三种刻蚀方式效果图 

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