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Plasma etching 处置资料的道理及利用

颁布功夫：2021-05-07 | 观光：6520

内容提要：Plasma 就是等离子（在台湾称为电浆），是由气体电离后产生的正负带电离子以及分子，原子和原子团组成。只有在强电场作用下雪崩电离产生时，plasma才会产生。

一、什么是Plasma（等离子）

Plasma 就是等离子（在台湾称为电浆），是由气体电离后产生的正负带电离子以及分子，原子和原子团组成。只有在强电场作用下雪崩电离产生时，plasma才会产生。

此表，气体从常态到等离子的转变，也是从绝缘体到半导体的转变。在铂莱国际现实生涯中也存在plasma，比图说荧光灯，闪电，太阳都是等离子。

二、什么是etching（刻蚀）

刻蚀是半导体造作、微电子IC造作以及微纳造作工艺中的一个沉要的步骤，是与光刻相联系的图形化处置的重要工艺�？淌聪烈謇斫饩褪枪饪糖质�，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处置，而后通过其它方式进行侵蚀，处置掉所需除去的部门。

图1：刻蚀技术的分类

广义上来讲，刻蚀是通过溶液、反映离子或其它机械方式来剥离、去除资料的一种统称，成为微加工造作的一衷煺适叫法�？淌醇际踔匾治ǹ淌从敫煞ǹ淌矗ㄈ缤�1）。湿法刻蚀蕴含有：化学刻蚀和电解刻蚀；干法刻蚀有：离子束溅射刻蚀（物理作用）、等离子刻蚀（化学作用）和反映离子刻蚀（物理化学作用）。

湿法刻蚀和干法刻蚀是两类齐全分歧刻蚀步骤。湿法刻蚀是使用特定的溶液与必要被刻蚀的薄膜资料进行化学反映，选择性的刻蚀掉该薄膜层上未掩模的区域，好比常用的金属离子刻蚀法就属于湿法刻蚀。而干法刻蚀通常指等离子表表刻蚀(plasma surface etching)，资料表表通过反映气体电离成等离子等自由基团与资料产生反映从而进行选择性地刻蚀，被刻蚀的资料转化为气相并被真空泵排出，处置后的资料微观比表表积增长并拥有优良亲水性。

表1：湿法刻蚀和干法刻蚀机能对比

图2：三种刻蚀类型

注：湿法刻蚀引起侧蚀，使得刻蚀不能精确节造尺寸，而干法刻蚀（等离子刻蚀）则能够选择性刻蚀�？淌蠢嘈陀腥�，别离是各向同性刻蚀(图2a)、斜向刻蚀(图2b)和垂直刻蚀/各向异性刻蚀(图2c). (a). 各向同性刻蚀

(b).斜向刻蚀；

(c).各向同性刻蚀。

三、plasma etching 的刻蚀1.刻蚀机理

等离子刻蚀是选取高频辉光放电反映，使反映气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀资料进行反映，形成挥发性反映物而被去除。对硅基资料的根基刻蚀道理是用“硅-卤”键包办“硅-硅”键，从而产生挥发性的硅卤化合物�？淌垂杌柿系目淌雌逵蠧F4、C2F6和SF6等。其中最常用的是CF4。CF4自身不会直接刻蚀硅。等离子中的高能电子撞击CF4分子使之裂解成CF3、CF2、C和F,这些都是拥有极强化学反映性的原子团。CF4等离子对Si和SiO2有很高的刻蚀选择比，所以很适合刻蚀SiO2上的多晶Si。（注：刻蚀选择比S=E1/E2，暗示在统一刻蚀前提下，被刻蚀资料的刻蚀速度与另一种资料的刻蚀速度的比）在CF4中掺入少量的其他气体可扭转刻蚀的选择比。掺入少量氧气可提高对Si的刻蚀速度；掺入少量的氢气则可提高对SiO2的刻蚀速度。

2.等离子刻蚀根基过程

气体→离化成活性粒子→扩散并吸附到带刻蚀表表→表表扩散→与表表膜反映→产品解吸附→脱离硅片表表并排除腔室。

图3是等离子刻蚀系统的机关图。在低压情况下，反映气体在射频功率的引发下，产生电离并形成等离子，等离子是由带电的电子和离子组成，反映腔体沉的气体在电子的撞击下，除了转造成离子表，还能吸收能力并形成大量的活性基团�；钚苑从郴藕捅豢淌次镏时肀硇� 成化学反映并形成挥发性的反映天生物，反映天生物脱离被刻蚀物质表表，并被真空系统抽出腔体。以CFx反映气体刻蚀硅为例，下图是等离子刻蚀反映的道理图及反映方程式。

图3：等离子刻蚀系统机关图

图4：刻蚀过程反映道理图 (a).经过一次循环钝化的步骤；(b).经过一次循环刻蚀的步骤；

(c).经历四次循环刻蚀后的概括；(d).参加反映过程的具体化学方程式。

单晶硅以表的很多资料也能够通过等离子刻蚀步骤进行处置，好比：多晶硅、氮化硅(SiNx)、氧化硅、玻璃、化合物半导体、金属、硅化物和聚合物等。处置分歧的资料用到的反映气体也不一样，也能够用个混合气体来得到特定的刻蚀选择比。表2是分歧资料所用到的反映气体。

表2：等离子刻蚀中分歧资料所用到的反映气体

四、等离子刻蚀的利用案例

等离子刻蚀重要利用在微电子造作工艺中，所有重要的处置对象是硅，用于精确图形转移。此表其还宽泛利用于等离子刻蚀平板、薄膜刻蚀以及纤维刻蚀中。

1.精确图形转移

在微电子造作工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是选取刻蚀工艺实现的。但是湿法刻蚀的宽度局限于3μm以上，因而要实现超大规模集成电路出产中的渺小图形高保真地从光刻模板转移到硅片上不成代替的工艺只能采用等离子刻蚀。

在等离子刻蚀工艺中，首先是在把硅晶片上面涂抹一层光敏物质，并在光敏物质上盖上拥有肯定图形的金属模板。而后进行紫表曝光，使部门晶片的表表袒露出来，接着再把这种待加工的硅晶片搁置到拥有化学活性的低温等离子中，进行等离子刻蚀。这种拥有化学活性的等离子通常选取氯气或碳氟气体电离产生，含有电子和离子和其他活性自由基（如?Cl、?Cl2、?F、?CF等）。这些活性基团沉积到袒露的硅晶片上时，与硅原子反映天生挥发性的氯化硅或氟化硅分子，从而对晶片进行各向异性刻蚀。另一方面，为了节造轰击到晶片上离子的能量散布和角度散布，还通常将晶片搁置在一个施加射频或脉冲偏压的电极上面，在晶片的上方将形成一个非电中性的等离子区，即鞘层-等离子中的离子在鞘层电场的作用下，轰击到袒露的晶片表表上，并与表表层的硅原子进行撞，使其溅射出来，从而实现对晶片的各向异性刻蚀。目前在一些蓬勃国度的尝试室里，刻蚀线宽已经突破0.1μm，并起头思考挑战纳米芯片的加工技术。

2.等离子刻蚀平板

两个大幼和地位对称的平行金属板作为等离子产生的电极，平板搁置于接地的阴极上面，RF 信号加在反映器的上电极。由于等离子电势总是高于地电势，因而是一种带能离子进行轰击的等离子刻蚀模式，进行各向异性刻蚀，可得险些垂直的侧边。另表，旋转晶圆盘可增长刻蚀的均匀性。该系统可设计成批量和单个晶圆反映室，可对刻蚀参数精密节造，以得到均匀刻蚀。

3.薄膜刻蚀

刻蚀技术是电子信息领域实现薄膜的微图形化的关键技术之一。为了提高芯片的集成度，要求铁电薄膜的图形线宽在微米或亚微米量级，目前多选取高密度等离子刻蚀步骤，刻蚀后能够形成很好的刻蚀剖面，且拥有较高的刻蚀速度。

4.纤维刻蚀

等离子对纤维资料的轰击作用不只能够显示出纤维表层和内部的结构特点，并且能够渗入使表层分子活化，使纤维得以改性。如吸湿性较差的化学纤维，经过等离子刻蚀处置，吸湿性变得良好。羊毛纤维的差微摩擦效应易于引起织物的毡缩，刻蚀处置后，防粘缩性提高；某些纤维原成纱性较差，刻蚀改性后，其可纺性和纱线强力提高。

图5：POM聚合物资料等离子刻蚀前后的SEM图

此表，等离子刻蚀也能够利用于聚合物的刻蚀，图5展示了等离子刻蚀POM聚合物资料前后的SEM图。经过等离子刻蚀后，POM聚合物的表表变得蓬松多孔，大大的增长了比表表积。

在微加工工艺中，等离子技术也会导致一些负面的问题。器件危险就是等离子刻蚀中的前沿问题之一，其他的前沿问题还有尘埃传染，离子迟滞和微负荷效应、幼介电常数的电介质和静电夹优等。在等离子加工中，由于高能量离子、电子和光子轰击，在器件中引起缺点，非定域晶格、悬空键等，扭转了器件的机械和电机能，这种效应称为器件危险。因而，在使用等离子刻蚀是必要把稳这方面给器件带来的不良影响。

五、利用等离子洗濯对资料表表进行改性

等离子刻蚀通常利用于对器件或资料进行结构化处置，等离子刻蚀机就是实现这种职能的仪器。此表，科研领域甚至工业领域也常利用等离子对资料表表进行洗濯来扭转资料表表机能，相对应的仪器叫做等离子洗濯机。作为资料领域的搬运工，我们对等离子刻蚀机所相识的可能不多，而对等离子洗濯机则较为熟悉。事实上，等离子刻蚀机和等离子洗濯机工作道理没有区别，只是利用的侧沉点不一样而已。等离子刻蚀机通常利用于半导体加工领域，而等离子洗濯机则通常利用于资料领域。等离子洗濯处置可扭转资料的表表化学。因而能扭转资料的表表性质。例如，大气或是氧气等离子常用在聚合物(例如聚苯乙烯, 聚乙烯)表表产生羟基。通常表表从疏水性(高水接触角)扭转至亲水性（水接触角幼于30度），并增长表表润湿机能。等离子处置也能扭转其它资料的表表化学（表表性质），如硅、不锈钢及玻璃。用低温等离子体在合适的工艺前提下处置PE、PP、PVF2、LDPE等资料，资料的表表状态产生显著的变动，引入了多种含氧基团，使表表由非极性、难粘性转为有肯定极性、易黏性和亲水性，有利于粘结、涂覆和印刷。

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