干法刻蚀工作原理（干法刻蚀模式及原理）
干法刻蚀工作原理（干法刻蚀模式及原理）深反应离子刻蚀的原理与ICP类似，腔室外线圈产生感应耦合的电场，在电场作用下刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。但为了得到解离度更高、均匀性更好的等离子体，最新的深反应离子刻蚀机台采用了上下两套自动匹配网络控制的射频电源。初级射频腔室设计成喇叭口的形状，下开口与次级射频腔室连接。这样初级射频产生的等离子体通过喇叭口逐渐扩散到次级射频腔内可增加腔室内等离子体的均匀性。同时下电极提供能量产生自偏压，使等离子体中的离子产生向下轰击的力，对晶圆进行离子轰击，可得到垂直的侧壁形貌，如图6所示。图6 DRIE设备结构示意图 SPTS Rapier设备是英国SPTS公司最新一代深硅刻蚀机，该设备刻蚀结构的深宽比高，能够实现硅片的通孔刻蚀，如图5所示。图 5 深反应离子刻蚀机图3 SPTS ICP MEMS工艺最常用到的ICP（Inductively Coupled Plasma）模式，如图4所示。ICP
干法刻蚀目前以RIE及ICP模式使用较为普遍，两种均属于平行电极板的刻蚀，能量均采用RF Power。除了RIE及ICP机台，MEMS制程最常用到的还有DRIE模式。
一、反应离子刻蚀
RIE（Reactive Ion Etching）反应离子刻蚀机，是一台非金属材料刻蚀设备。该设备可精确控制刻蚀精度，且能够同时刻蚀5片小于等于150 mm单晶片，如图1所示。
图 1 RIE反应离子刻蚀机
反应离子刻蚀，它是一种采用化学反应和物理离子轰击共同作用进行刻蚀的技术。如图2所示，RIE腔室的上电极接地，下电极连接射频电源（13.56MHz），待刻蚀基板放置于下电极，当给平面电极加上高频电压后，反应物发生电离产生等离子体，等离子体在射频电场作用下，带负电的电子因质量较小首先到达基板表面，又因为下基板直接连接隔直流电容器，所以不能形成电流从下基板流走，这样就会在基板附近形成带负电的鞘层电压（DC偏压），这种现象被称为阴极降下。正离子在偏压作用下，沿着电场方向垂直轰击基板表面，离子轰击大大加快了表面的化学反应及反应生成物的脱附，因而RIE模式有很高的刻蚀速率，并且可以获得较好的各向异性侧壁图形，但相对的表面损伤也较严重。
图3 SPTS ICP
MEMS工艺最常用到的ICP（Inductively Coupled Plasma）模式，如图4所示。ICP的上电极是一个螺旋感应线圈，连接功率为13.56MHz的射频电源来产生等离子体，感应线圈将电场与磁场集中，等离子体中电子受磁力作用而做螺旋运动，电子的平均自由程增加可使之获得较高的加速电压，这使得有效碰撞频率增加，离子解离率也因而大幅度增加，ICP模式下的离子密度可比一般解离等离子体高约10～100倍。另外，如果要获得化学和物理刻蚀，可以在下电极装产生偏置（Bias Voltage）的RF发生器（一般频率小于13.56MHz），可利用控制RF power的大小来控制Bias Voltage，进而控制离子轰击能量。这种用上电极感应线圈控制离子解离浓度，下电极控制离子轰击能量的方法，使得刻蚀效果可达到极为优良的控制，其所能运用的范围也更加宽广，缺点在于等离子体不容易匹配，设备多元性也容易造成维护上的困难。
图 4 电感耦合等离子体刻蚀原理
三、深反应离子刻蚀
SPTS Rapier设备是英国SPTS公司最新一代深硅刻蚀机，该设备刻蚀结构的深宽比高，能够实现硅片的通孔刻蚀，如图5所示。
图 5 深反应离子刻蚀机
深反应离子刻蚀的原理与ICP类似，腔室外线圈产生感应耦合的电场，在电场作用下刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。但为了得到解离度更高、均匀性更好的等离子体，最新的深反应离子刻蚀机台采用了上下两套自动匹配网络控制的射频电源。初级射频腔室设计成喇叭口的形状，下开口与次级射频腔室连接。这样初级射频产生的等离子体通过喇叭口逐渐扩散到次级射频腔内可增加腔室内等离子体的均匀性。同时下电极提供能量产生自偏压，使等离子体中的离子产生向下轰击的力，对晶圆进行离子轰击，可得到垂直的侧壁形貌，如图6所示。
图6 DRIE设备结构示意图
深反应离子刻蚀除了硬件设计上的一些特点外，它还基于Bosch工艺原理提供了一种极好的各向异性的高速刻蚀硅的方法。Bosch工艺是由刻蚀工艺和钝化工艺两种工艺组成，并且循环往复交替进行最终完成了刻蚀动作。
1、钝化原理
钝化反应采用C4F8气体，C4F8在等离子体氛围内产生CF2活性自由基，CF2活性自由基在沟槽侧壁与底部淀积形成钝化层。反应式：
C4F8 e- > CFx nCF2 F- e-
由于自由基是电中性的，不受到暗区电场的加速，没有方向性，所以钝化膜的淀积在沟槽底部和侧壁都是均匀的，如图7所示。
图 7 CF2活性自由基形成钝化层
2、刻蚀原理
刻蚀反应主要采用SF6这种气体，为了提高选择比或刻蚀速率，有时会通入少量的O2。SF6在等离子体氛围内产生SxFy离子和F活性自由基，SxFy离子轰击沟槽侧壁与底部的钝化层。由于下电极的加速作用，离子在垂直方向比在水平方向上占优，首先将沟槽底部的钝化膜打穿，而这时候沟槽侧壁上尚留有一层厚度小于初始厚度的钝化膜，此时F与硅反应生成挥发性产物SiFx，实现对沟槽底部的刻蚀，直至侧壁的钝化膜消耗完毕再开始新的循环。反应式：
SF6 e- > SxFy SxFy- F e-
Si F-> SiFx ↑
图 9 刻蚀基底Si
四、XeF2干法刻蚀
SPTS Xetch X4设备是英国SPTS公司生产的一种用于硅结构释放的设备，如图10所示。该设备具有如下特点：1）能够实现硅片的横向刻蚀，并且保持较高的刻蚀速率；2）该设备有两个膨胀腔，可以交换使用来缩短刻蚀周期。
图 10 SPTS Xetch X4
XeF2为白色固体，室温下的饱和蒸气压为3.8 Torr，遇水会产生氢氟酸。XeF2与硅反应可分为以下步骤：1）非游离态的XeF2吸附在硅表面；2）XeF2分解，产生F基；3）F基与硅反应，生成SiF4；4）反应产物分子SiF4形成气相产物；5）不发生反应的残余气体（分解产生的Xe）从硅表面上挥发。对于CHF3、CF4以及CCl4等刻蚀气体，同样情况下自发发生反应的几率很小，因此需要应用等离子体技术来产生反应基F，而如果采用XeF2，在没有等离子体放电的情况下就可以得到高速率的硅刻蚀。这种刻蚀反应可用下述反应式描述：
2XeF2 Si→2Xe(g)↑ SiF4(g)↑
在实际刻蚀反应中SiF4是主要的反应产物，但是也有少量的其他反应副产物，包括SiF3、SiF2、SiF以及Si2F6。这些反应产物有时会沉积在刻蚀表面，影响刻蚀的均匀性，与其他硅刻蚀方法相比采用XeF2刻蚀硅具有一定的优越性。
优点：
1）选择比高：使用Si3N4和SiO2等作为掩模，对硅的刻蚀有高的刻蚀选择比，分别为200:1和1000:1；
2）基片可选择性大：由于刻蚀完全是一个化学反应过程，由于残余气体都可以排出，所以基片尺寸可以减小；
3）横向刻蚀：由于是各向同性的刻蚀，可以对掩模图形进行掏空；
4）刻蚀速率高：对硅刻蚀速率快，在其饱和蒸汽压下进行的硅刻蚀，刻蚀速率可以达到4 μm/ min；
5）成本较低：刻蚀设备相对简单，对环境的要求较低，不需要外加电源对气体进行电离。
缺点：
1）刻蚀方向不易控制：XeF2刻蚀速率与晶向或者硅掺杂物无关，不能用来做晶向有关的各向异性刻蚀。而湿法KOH刻蚀硅时，在<100>晶向上的刻蚀速率是<111>晶向上的400倍，因而可实现与晶向有关的各向异性控制刻蚀；
2）具有一定危险性：XeF2刻蚀过程有一定危险性，如果吸入太多的XeF2或者SiF2会对呼吸道造成化学烧灼，刻蚀产物中不仅有SiF4及相关副产物(SiF3、SiF2、SiF)也含有少量的F2，尾气需要进行严格的高温燃烧处理。
XeF2刻蚀是各向同性的XeF2蒸汽硅蚀刻系统。它提供了一个很有效的解决方案，用于去除Si作为牺牲层，XeF2去除是用于MEMS器件最好的释放工艺之一。XeF2除了刻蚀Si也可以刻蚀Ta，W，Mo等其他能被SF6等离子体刻蚀的材料。
五、金属ICP刻蚀
Sentech SI 500 ICP是德国Sentech公司生产的一种用于金属结构释放的设备，主要刻蚀Al、Ti等金属材料，每次工艺可以刻蚀1片6英寸及6英寸以下基片，如图11所示。
图 11 RIE反应离子刻蚀机
金属刻蚀，它是一种采用化学反应和物理离子轰击共同作用进行刻蚀的技术。设备主要利用Cl2、BCl3作为反应气体，Cl2在电离状态下与Al/Ti发生化学反应产生AlCl3/TiCln，从而去除待刻蚀金属。如图12所示，工艺腔室的上电极接地，下电极连接射频电源（13.56MHz），待刻蚀基板放置于下电极，当给平面电极加上高频电压后，反应物发生电离产生等离子体，等离子体在射频电场作用下，带负电的电子因质量较小首先到达基板表面，又因为下基板直接连接隔直流电容器，所以不能形成电流从下基板流走，这样就会在基板附近形成带负电的鞘层电压（DC偏压），这种现象被称为阴极降下。正离子在偏压作用下，沿着电场方向垂直轰击基板表面，离子轰击大大加快了表面的化学反应及反应生成物的脱附，故有很高的刻蚀速率，并且可以获得较好的各向异性侧壁图形。
图 12 金属ICP刻蚀原理
