刻蚀是半导体微机械加工中关键的工艺之一,在器件生产过程中被广泛应用,是影响制造成品率和可靠性的重要因素。湿法刻蚀和干法刻蚀是半导体制造中两种基本的刻蚀工艺。相比于湿法刻蚀,干法刻蚀具有各向异性、精度高、刻蚀均匀性好和工艺清洁度高等优点,满足器件微细加工的要求,成为目前主要的刻蚀方式。反应离子刻蚀有较高的刻蚀速率、良好的均匀性和方向性,是现今广泛应用和很有发展前景的干法刻蚀技术

二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强等优点以及良好的介电性质,在电子器件和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中得到广泛应用。在微机械加工工艺中,SiO2常被用作绝缘层、牺牲层材料。

二氧化硅的反应离子刻蚀原理

干法刻蚀又叫等离子体刻蚀，等离子体是不同于人们生活中经常接触的除固液气外的第四种状态。等离子状态是由于物质在受到外界高温或加速电子,离子能量作用后,中性物质激发后发生解离生成的具有离子,电子,自由基团,分子,原子,可见光等物质,这些物质统称为等离子体,其整体上呈电中性。

反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)包含物理性刻蚀和化学性刻蚀两种刻蚀作用。刻蚀时,反应室中的气体辉光放电,产生含有离子、电子及游离基等活性物质的等离子体,可扩散并吸附到被刻蚀样品表面与表面的原子发生化学反应,形成挥发性物质,达到刻蚀样品表层的目的。同时,高能离子在一定的工作压力下,射向样品表面,进行物理轰击和刻蚀,去除再沉积的反应产物或聚合物。化学反应产生的挥发性物质与物理轰击的副产物均通过真空系统被抽走。

反应离子刻蚀SiO2的反应气体主要为含氟基或氯基气体;前者如CF₄、CHF₃、SF₆、NF₃等,后者如BCl₃、Cl₂等。反应离子刻蚀SiO₂时,在辉光放电中分解出的氟原子或氯原子,与SiO₂表面原子反应生成气态产物,达到刻蚀的目的。

氟碳化合物和氟化的碳氢化合物(在碳氢化合物中有一个或几个氢原子被氟原子替代)是SiO2反应离子刻蚀工艺常用的刻蚀气体,如CF₄、C₃F₈、C₄F₈、CHF₃、CH₂F₂等。其中所含的碳可以帮助去除氧化层中的氧(产生副产物CO及CO₂)。CF₄和CHF₃为最常用的气体。用CF₄和CHF₃刻蚀SiO₂时,刻蚀气体发生离解,主要反应过程如下:

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达SiO2表面,反应生成挥发物质,如下:

SiO₂+F*→SiF₄↑+O₂↑

式(1)~(6)中有上标星号的CF₃*,CF₂*,CF*,F*表示具有强化学反应活性的活性基。SiO₂分解生成的氧离子和CHF₂*等基团反应,生成的CO↑、CO₂↑、H₂O↑等挥发性气体被真空系统抽离反应腔体,完成对SiO₂的刻蚀。