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等離子態是固態、液態、氣態之外的物質第四態。當物質的溫度由低溫轉變到高溫時,物質將由固態向液態和氣態轉變,當氣態物體的溫度進一步升高時,氣體中的原子、分子出現電離,從而產生正離子、負離子、中性分子組成的混合體系,在該混合體系中含有大量的活性離子或分子,但整體又呈電中性,把處于這種特殊體系狀態的物體稱為等離子體。在半導體加工制造領域中,通常采用射頻離子源作為電源,即在兩個電極板之間施加一個射頻電壓從而產生等離子體。如圖1.1所示。在電場的作用下,自由電子會獲得能量,加速的自由電子與反應室中的氣體發生碰撞。氣體的原子或分子碰撞后產生一個離子和一個自由電子。離子的產生是與自由電子發生碰撞后失去一個自由電子形成的。反應碰撞是一個連續發生的過程,整個反應室會在極短的時間內充滿電子與離子,這個體系狀態稱為等離子體。

圖1.1等離子體形成過程示意圖

目前刻蝕工藝手段分為干法刻蝕和濕法刻蝕,但干法刻蝕屬于等離子體刻蝕技術。如圖1.2所示。其中,干法刻蝕是通過物理、化學方法對材料的某些區域進行有選擇性的去除和保留?；瘜W濕法刻蝕則是通過化學試劑將硅晶圓表面暴露出來的材料進行去除。在半導體制造過程中,干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術,其中以等離子體干法刻蝕為主。它具有高方向性、刻蝕剖面可控性、高分辨率、均勻性和材料選擇性等優點。而濕法刻蝕無法對線寬進行控制,無法加工精確的電路圖。因此,采用的場景也越來越少。

圖1.2(a)干法刻蝕,(b)濕法刻蝕

等離子體刻蝕原理

干法刻蝕技術是常見的等離子體刻蝕方法之一。如圖1.3所示,從刻蝕的形貌來分析,可分為:(1)均勻刻蝕;(2)不均勻刻蝕;(3)晶?？涛g(注:圖1.3(d)綠色方框);(4)晶界刻蝕(注:圖1.3(d)紅色方框)。

圖1.3(a)未刻蝕表面,(b)均勻刻蝕,(c)不均勻刻蝕,(d)晶粒和晶界刻蝕

圖1.4 等離子體刻蝕原理圖

從刻蝕原理來分析,可分為:(1)物理刻蝕;(2)化學刻蝕;(3)反應刻蝕。如圖1.4為等離子體刻蝕原理圖所示。物理刻蝕是依靠物理能量轉移去除表面材料,利用高能惰性氣體離子(如Ar、Xe)轟擊材料表面,將材料表面的原子和分子撞出,其主要核心是能量傳遞。物理刻蝕加工取決于入射離子的能量、轟擊功率、轟擊時間、角度、能量密度以及基材的物理性質(包括原子結合能、相對原子質量、材料致密度等)。物理刻蝕具有高各異相性和無選擇性等特點?；瘜W刻蝕是通過化學反應去除表面材料,利用等離子體中的活性分子與被刻蝕材料之間的化學反應產生刻蝕。化學刻蝕與分子的活性、密度、反應產物的物理性質等有關。反應刻蝕是通過加速帶電離子轟擊刻蝕基材表面,在表面發生一系列物理、化學反應,得到各向異性的刻蝕剖面,同時刻蝕過程中表現出較高的選擇性和刻蝕速率。