文章來源：芯云知

原文作者：Crane

本文介紹了干法刻蝕用到的設(shè)備的原理及結(jié)構(gòu)。

干法刻蝕技術(shù)是一種在大氣或真空條件下進行的刻蝕過程，通常使用氣體中的離子或化學(xué)物質(zhì)來去除材料表面的部分，通過掩膜和刻蝕參數(shù)的調(diào)控，可以實現(xiàn)各向異性及各向同性刻蝕的任意切換，從而形成所需的圖案或結(jié)構(gòu)。常見的干法刻蝕設(shè)備有反應(yīng)離子刻蝕機（RIE）、電感耦合等離子體刻蝕機（ICP）、磁性中性線等離子體刻蝕機（NLD）、離子束刻蝕機（IBE），本文目的對各刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)進行剖析，以及分析技術(shù)的優(yōu)缺點。

RIE

RIE設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常比較簡單，一般由射頻電源、陽極、陰極、氣源和真空泵組成，其中，晶圓位于陰極上，射頻電源與陰極相連接，在刻蝕開始時，射頻電源施加電場到氣體上，氣體被電離為離子、電子、原子和分子，其中由于電子的運動速度遠大于其他離子，在刻蝕腔中會形成明顯的鞘區(qū)，在晶圓上方會形成自偏壓的電場，RIE利用該效應(yīng)吸引并加速等離子體中的離子與被刻蝕材料產(chǎn)生物理化學(xué)作用，最終產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體揮發(fā)被排出。然而，這種由自偏壓效應(yīng)引起的刻蝕過程中各物質(zhì)的運動速度不同，造成了RIE刻蝕離子與反應(yīng)自由基的不匹配，在RIE刻蝕過程中，經(jīng)常產(chǎn)生的“黑硅”現(xiàn)象就是該原理造成的。

圖1 RIE刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖

ICP

隨著工藝要求的不斷提高，研發(fā)人員開發(fā)了電感耦合等離子體刻蝕機（ICP），該設(shè)備克服了自由基、離子不匹配的問題，常用的ICP刻蝕機結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般由頂部通入刻蝕氣體，經(jīng)過刻蝕腔側(cè)壁的RF線圈，被RF線圈施加的電場激發(fā)為等離子體，在腔體中形成明顯的輝光層；然后，通過在位于下電極上施加Bias的功率吸收等離子體中的刻蝕離子。相比RIE刻蝕技術(shù)，ICP刻蝕腔體一般具有較低的氣壓，更高密度的等離子體，可以通過射頻線圈功率、氣體流量、Bias功率的調(diào)控，實現(xiàn)更高速率，更高精度以及更大深寬比的刻蝕。

圖2右給出了ICP用C4F8刻蝕石英的過程，其中射頻放電C4F8產(chǎn)生的氟碳自由基會自發(fā)的形成鈍化層沉積在表面，然后在施加在晶圓表面的Bias作用下，正離子具有較高的速率延垂直于晶圓表面轟擊鈍化層以及刻蝕石英，實現(xiàn)石英的高深寬比刻蝕。

圖2 ICP刻蝕機構(gòu)成和刻蝕示例

NLD

傳統(tǒng)ICP刻蝕射頻線圈會對刻蝕腔中的磁場產(chǎn)生影響，使得徑向的等離子體密度不一致，并干擾刻蝕離子的運動，從而影響刻蝕均勻性。研發(fā)人員進一步開發(fā)了磁中性環(huán)路放電，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其在ICP刻蝕線圈的外圍施加了三個控制磁場的線圈，通過控制三個線圈磁場的大小從而可以在刻蝕腔中形成磁中環(huán)強度為0的環(huán)境，從而產(chǎn)生更高密度以及分布均勻的等離子體。加以Bias的控制，NLD技術(shù)具有更好的刻蝕均勻性，更高的刻蝕速率。除常用的介質(zhì)層外，也經(jīng)常用于刻蝕碳化硅等耐刻蝕材料。

圖3 NLD刻蝕機結(jié)構(gòu)

IBE

IBE刻蝕為純物理轟擊刻蝕，常用于氟基或者氯基等離子體無法刻蝕的材料，例如，金、銅、鉑等。常規(guī)IBE刻蝕機的結(jié)構(gòu)如圖4所示，氬氣通過燈絲提供的電子將其離子化形成等離子體并離子源，然后通過電子引出加速系使離子均勻射向晶圓工件臺，最后通過轟擊固體表面原子，使材料原子發(fā)生濺射，達到刻蝕目的。

圖4 IBE刻蝕結(jié)構(gòu)和離子束路徑

IBE的特點主要有：1）高方向性的中性離子束能夠控制側(cè)壁輪廓，優(yōu)化刻蝕過程中的徑向均勻性和結(jié)構(gòu)形貌。2）通過調(diào)整工件臺的角度可以通過傾斜晶圓從而改變離子束的撞擊方向?qū)崿F(xiàn)側(cè)壁角度的控制。

審核編輯：湯梓紅