纯化学刻蚀、纯物理刻蚀及反应式离子刻蚀介绍

纯化学刻蚀、纯物理刻蚀及反应式离子刻蚀

刻蚀有三种:纯化学刻蚀、纯物理刻蚀，以及介于两者之间的反应式离子刻蚀（ReactiveIonEtch,RIE）。

纯化学刻蚀包括湿法刻蚀和遥控等离子体光刻胶去除。纯化学刻蚀中没有物理轰击，由化学反应移除物质。纯化学刻蚀的速率根据工艺需要可以很高也可以很低。纯化学刻蚀一定会有等向性刻蚀轮廓，因此当图形尺寸小于3um时，就无法使用纯化学刻蚀进行薄膜图形化技术。

由于纯化学刻蚀具有很好的刻蚀选择性，所以纯化学刻蚀通常用在剥除工艺上。例如，去光刻胶、去氮化硅、垫基氧化层、屏蔽氧化层和牺牲氧化层等。遥控等离子体(RP)刻蚀是在远端反应室中利用等离子体产生自由基，再将自由基送入反应室和晶圆产生反应，因此属于纯化学刻蚀。

氯轰击属于纯物理刻蚀，广泛使用在电介质溅射回刻削平开口部分，以利于后续的空隙填充。氯轰击也用于金属PVD前的清洗过程，用于移除氧化物以减少接触电阻。氯是一种惰性气体，制造中不会产生化学反应。材料受氯离子轰击后从表面脱离，如用一只锤子把材料从表面敲击移除一样。

纯物理刻蚀的速率一般很低，主要取决于离子轰击的流量和能量。因为离子会轰击并移除任何与衬底接触的材料，所以纯物理刻蚀的选择性很低。等离子体刻蚀中，离子轰击的方向通常和晶圆表面互相垂直。所以纯物理刻蚀主要是朝垂直方向刻蚀，它是一种非等向性刻蚀过程。

反应离子蚀刻(RIE)的名称可能是有些误导。这种类型的蚀刻工艺的正确名称应为离子辅助蚀刻，因为在此蚀刻工艺中的离子不一定有化学反应。例如在许多情况下氯离子被用来增加离子轰击。而作为一种惰性原子，氯离子是没有化学反应的。大多数蚀刻制程中的化学活性物是中性的自由基。

在半导体蚀刻加工等离子体中，中性的自由基的浓度比离子浓度高得多。这是因为电离活化能明显高于解离的活化能，而物种浓度与活化能指数相关。然而,RIE这个词在半导体业界已被用了很长时间，可能没有人会改变它。下图显示离子辅助蚀刻的原理与早期实验的结果。

首先将XeF2气体单独由闭锁阀门注入。XeF2是一种不稳定的气体。徹是一种惰性气体,所以不会与其他原子形成化学键。干法化学刻蚀中通常用于输送氟自由基。当XeF2接触到已加热的单晶硅时，就会分解并释放出两个氟自由基。因为氟自由基只有一个不成对的电子，所以能从其他原子获得一个电子，在化学上很容易起反应。氟会与样品表面的硅反应形成易挥发性的四氟化硅(SiF4)。下图中的测量结果表明了这种纯化学刻蚀的刻蚀速率很低。

接着开启氯离子枪。结合了物理的离子束轰击和氟自由基的化学刻蚀，硅的刻蚀速率明显增加。当关闭阀门停止输送XeF2气流后，硅就单独由氯离子溅射刻蚀。这是一种纯物理刻蚀，刻蚀速率比使用XeF2气流的纯化学刻蚀还要慢。

审核编辑：刘清