硅(Si)是一种物理和化学性能都非常优异的半导体材料,随着科技的发展,硅材料在半导体科技中的作用越来越重要。而硅刻蚀在微纳米加工技术中是处于光刻之后的一个非常重要的环节,可将光刻胶的图形转移到功能材料表面。而在各种半导体功能材料表面形成微纳米图形结构的技术即是刻蚀技术。

目前,刻蚀的方法包含湿化学法刻蚀、等离子体干法刻蚀及其他物理和化学刻蚀技术。由于干法刻蚀具有各向异性的优点,且容易实现微细结构图形的转移,因此,在微纳米半导体工艺技术中已经取代湿法刻蚀成为最主要的刻蚀技术。反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)是一种物理和化学作用相结合的干法刻蚀方法。因为具有较高的刻蚀速度,大的选择比和良好的方向性等优点,使其在硅刻蚀技术中得到广泛的应用。

硅的反应离子刻蚀原理

RIE是在一定压力下,刻蚀气体在高频电场的作用下,使气体辉光放电产生等离子体,对被刻蚀物进行离子轰击和化学反应,生成挥发性气体形成刻蚀的一种刻蚀方法。

图1反应离子刻蚀设备简图

图1是反应离子刻蚀设备简图，上电极(阳极)接地，下电极(阴极)接射频电源，射频电源的频率为13.56MHz。要刻蚀的硅片放在下电极上:通入反应腔室中的气体在高频电场的作用下辉光放电，产生等离子体。等离子体中包含有离子、电子及游离的自由基。在电场的作用下,电子被加速,与气体分子或原子进行碰撞,当电子能量大到一定程度时,碰撞变成非弹性碰撞,产生二次电子,它们又进一步与气体分子碰撞,不断使气体分子电离。由于非弹性碰撞产生的等离子体具有较强的化学活性,可与被刻蚀物质表面起化学反应,形成挥发性物质,从而达到刻蚀的目的。同时,高能离子在电场作用下对样品表面进行物理轰击,使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性。

反应离子刻蚀硅通常使用带氟或者带氯的活性基团的气体,如SF₆、CHF₃、CF₄等。例如采用SF₆和O₂对硅进行刻蚀,其中O₂作为稀释性气体,容易实现反应气体辉光放电,产生等离子体,同时,能更好地调节刻蚀的选择性,实现对硅的各向异性刻蚀。当反应腔室中通入SF₆时,辉光放电发生的化学反应为:SF₆→SF⁵⁺+F*(自由基)+e^-;生成的F*自由基到达Si表面时,发生的化学反应为:Si+F*→SiF₄,其中,SiF₄为挥发性气体,可以被泵抽走,从而实现对硅的反应离子刻蚀。