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Plasma etching 处置惩罚质料的原理及应用

宣布时间：2021-05-07 | 游览：5088

内容摘要：Plasma 就是等离子（在台湾称为电浆），，，，，，是由气体电离后爆发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爆发时，，，，，，plasma才会爆发。。。。。。

一、什么是Plasma（等离子）

Plasma 就是等离子（在台湾称为电浆），，，，，，是由气体电离后爆发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爆发时，，，，，，plasma才会爆发。。。。。。

别的，，，，，，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。。。。。。在我们的现实生涯中也保存plasma，，，，，，比图说荧光灯，，，，，，闪电，，，，，，太阳都是等离子。。。。。。

二、什么是etching（刻蚀）

刻蚀是半导体制造、微电子IC制造以及微纳制造工艺中的一个主要的办法，，，，，，是与光刻相联系的图形化处置惩罚的主要工艺。。。。。� ？？？？？？淌聪烈迕魅肪褪枪饪糖质�，，，，，，先通过光刻将光刻胶举行光刻曝光处置惩罚，，，，，，然后通过其它方法举行侵蚀，，，，，，处置惩罚掉所需除去的部分。。。。。。

图1：刻蚀手艺的分类

广义上来讲，，，，，，刻蚀是通过溶液、反应离子或其它机械方法来剥离、去除质料的一种统称，，，，，，成为微加工制造的一种普适叫法。。。。。� ？？？？？？淌词忠罩饕治ǹ淌从敫煞ǹ淌矗ㄈ缤�1）。。。。。。 湿法刻蚀包括有：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）和反应离子刻蚀（物理化学作用）。。。。。。

湿法刻蚀和干法刻蚀是两类完全差别刻蚀要领。。。。。。湿法刻蚀是使用特定的溶液与需要被刻蚀的薄膜质料举行化学反应，，，，，，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。。。。。。而干法刻蚀一样平常指等离子外貌刻蚀(plasma surface etching)，，，，，，质料外貌通过反应气体电离成等离子等自由基团与质料爆发反应从而举行选择性地刻蚀，，，，，，被刻蚀 的质料转化为气相并被真空泵倾轧，，，，，，处置惩罚后的质料微观比外貌积增添并具有优异亲水性。。。。。。

表1：湿法刻蚀和干法刻蚀性能比照


图2：三种刻蚀类型

注：湿法刻蚀引起侧蚀，，，，，，使得刻蚀不可准确控制尺寸，，，，，，而干法刻蚀（等离子刻蚀）则可以选择性刻蚀。。。。。� ？？？？？？淌蠢嘈陀腥�，，，，，，划分是各向同性刻蚀(图2a)、斜向刻蚀(图2b)和笔直刻蚀/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

等离子刻蚀是接纳高频辉光放电反应，，，，，，使反应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，，，，，，在那里与被刻蚀质料举行反应，，，，，，形成挥发性反应物而被去除。。。。。。对硅基质料的基本刻蚀原理是用“硅-卤”键取代“硅-硅”键，，，，，，从而爆发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自己不会  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,这些都是具有极强化学反应性的原子团。。。。。。CF4等离子对Si和SiO2有很高的刻蚀选择比，，，，，，以是很适合刻蚀SiO2上的多晶Si。。。。。。（注：刻蚀选择比S=E1/E2，，，，，，体现在统一刻蚀条件下，，，，，，被刻蚀质料的刻蚀速率与另一种质料的刻蚀速率的比）在CF4中掺入少量的其他气体可改变刻蚀的选择比。。。。。。掺入少量氧气可提高对Si的刻蚀速率； ；；；；；掺入少量的氢气则可提高对SiO2的刻蚀速率。。。。。。

2.等离子刻蚀基本历程

气体→离化成活性粒子→扩散并吸附到带刻蚀外貌→外貌扩散→与外貌膜反应→产品解吸附→脱离硅片外貌并扫除腔室。。。。。。

图3是等离子刻蚀系统的结构图。。。。。。在低压情形下，，，，，，反应气体在射频功率的引发下，，，，，，爆发电离并形成等离子，，，，，，等离子是由带电的电子和离子组成，，，，，，反应腔体重的气体在电子的撞击下，，，，，，除了转酿成离子外，，，，，，还能吸收能力并形成大宗的活性基团。。。。。。� ；；；；；钚苑从藕捅豢淌次镏释饷残� 成化学反应并形成挥发性的反应天生物，，，，，，反应天生物脱离被刻蚀物质外貌，，，，，，并被真空系统抽 出腔体。。。。。。以CFx反应气体刻蚀硅为例，，，，，，下图是等离子刻蚀反应的原理图及反应方程式。。。。。。

图3：等离子刻蚀系统结构图

图4：刻蚀历程反应原理图 (a).经由一次循环钝化的办法； ；；；；；(b).经由一次循环刻蚀的办法； ；；；；；

(c).履历四次循环刻蚀后的轮廓； ；；；；；(d).加入反应历程的详细化学方程式。。。。。。

单晶硅以外的许多质料也可以通过等离子刻蚀要领举行处置惩罚，，，，，，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。。。。。。处置惩罚差别的质料用到的反应气体也纷歧样，，，，，，也可以用个混淆气体来获得特定的刻蚀选择比。。。。。。表2是差别质料所用到的反应气体。。。。。。

表2：等离子刻蚀中差别质料所用到的反应气体

四、等离子刻蚀的应用案例

等离子刻蚀主要应用在微电子制作工艺中，，，，，，所有主要的处置惩罚工具是硅，，，，，，用于准确图形转移。。。。。。 别的其还普遍应用于等离子刻蚀平板、薄膜刻蚀以及纤维刻蚀中。。。。。。

1.准确图形转移

在微电子制造工艺中，，，，，，光刻图形必需最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，，，，，，这种图形的转移是接纳刻蚀工艺完成的。。。。。。可是湿法刻蚀的宽度局限于3μm以上，，，，，，因此要实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片上不可替换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具有一定图形的金属模板。。。。。。然后举行紫外曝光，，，，，，使部分晶片的外貌裸露出来，，，，，，接着再把这种待加工的硅晶片安排到具有化学活性的低温等离子中，，，，，，举行等离子刻蚀。。。。。。这种具有化学活性的等离子一样平常接纳氯气或碳氟气体电离爆发，，，，，，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裸露的硅晶片上时，，，，，，与硅原子反应天生挥发性的氯化硅或氟化硅分子，，，，，，从而对晶片举行各向异性刻蚀。。。。。。另一方面，，，，，，为了控制轰击到晶片上离子的能量漫衍和角度漫衍，，，，，，还通常将晶片安排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，，，，，，轰击到裸露的晶片外貌上，，，，，，并与外貌层的硅原子举行撞，，，，，，使其溅射出来，，，，，，从而实现对晶片的各向异性刻蚀。。。。。。现在在一些蓬勃国家的实验室里，，，，，，刻蚀线宽已经突破0.1μm，，，，，，并最先思量挑战纳米芯片的加工手艺。。。。。。

2.等离子刻蚀平板

两个巨细和位置对称的平行金属板作为等离子爆发的电极，，，，，，平板安排于接地的阴极上面，，，，，，RF 信号加在反应器的上电极。。。。。。由于等离子电势总是高于地电势，，，，，，因而是一种带能离子举行轰击的等离子刻蚀模式，，，，，，举行各向异性刻蚀，，，，，，可得险些笔直的侧边。。。。。。另外，，，，，，旋转晶圆盘可增添刻蚀的匀称性。。。。。。该系统可设计成批量和单个晶圆反应室，，，，，，可对刻蚀参数细密控制，，，，，，以获得匀称刻蚀。。。。。。

3.薄膜刻蚀

刻蚀手艺是电子信息领域实现薄膜的微图形化的要害手艺之一。。。。。。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，，，，，，现在多接纳高密度等离子刻蚀要领，，，，，，刻蚀后能够形成很好的刻蚀剖面，，，，，，且具有较高的刻蚀速率。。。。。。

4.纤维刻蚀

等离子对纤维质料的轰击作用不但可以显示出纤维表层和内部的结构特征，，，，，，并且可以渗入使 表层分子活化，，，，，，使纤维得以改性。。。。。。如吸湿性较差的化学纤维，，，，，，经由等离子刻蚀处置惩罚，，，，，，吸湿性变得优良。。。。。。羊毛纤维的差微摩擦效应易于引起织物的毡缩，，，，，，刻蚀处置惩罚后，，，，，，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聚合物质料等离子刻蚀前后的SEM图

别的，，，，，，等离子刻蚀也可以应用于聚合物的刻蚀，，，，，，图5展示了等离子刻蚀POM聚合物质料前后的SEM图。。。。。。经由等离子刻蚀后，，，，，，POM聚合物的外貌变得蓬松多孔，，，，，，大大的增添了比外貌   积。。。。。。

在微加工工艺中，，，，，，等离子手艺也会导致一些负面的问题。。。。。。器件损伤就是等离子刻蚀中的前沿 问题之一，，，，，，其他的前沿问题尚有灰尘污染，，，，，，离子迟滞和微负荷效应、小介电常数的电介质和 静电夹头等。。。。。。在等离子加工中，，，，，，由于高能量离子、电子和光子轰击，，，，，，在器件中引起缺陷，，，，，，非 定域晶格、悬空键等，，，，，，改变了器件的机械和电性能，，，，，，这种效应称为器件损伤。。。。。。因此，，，，，，在使用 等离子刻蚀是需要注重这方面给器件带来的不良影响。。。。。。

五、使用等离子洗濯对证料外貌举行改性

等离子刻蚀一样平常应用于对器件或质料举行结构化处置惩罚，，，，，，等离子刻蚀机就是实现这种功效的仪 器。。。。。。别的，，，，，，科研领域甚至工业领域也常使用等离子对证料外貌举行洗濯来改变质料外貌性能，，，，，，相对应的仪器叫做等离子洗濯机。。。。。。作为质料领域的搬运工，，，，，，我们对等离子刻蚀机所相识的可能未几，，，，，，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事情原理没有区别，，，，，，只是应用的着重点纷歧样罢了。。。。。。等离子刻蚀机一样平常应用于半导体加工领域，，，，，，而等离子洗濯机则一样平常应用于质料领域。。。。。。等离子洗濯处置惩罚可改变质料的外貌化学。。。。。。因此能改变质料的外貌性子。。。。。。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)外貌爆发羟基。。。。。。通常外貌从疏水性(高水接触角)改变至亲水性（水接触角小于30度），，，，，，并增添外貌润湿性能。。。。。。等离子处置惩罚也能改变其它质料的外貌化学（外貌性子），，，，，，如硅、不锈钢及玻璃。。。。。。用低温等离子体在相宜的工艺条件下处置惩罚PE、PP、PVF2、LDPE等质料，，，，，，质料的外貌形态爆发显著的转变，，，，，，引入了多种含氧基团，，，，，，使外貌由非极性、难粘性转为有一定极性、易黏性和亲水性，，，，，，有利于粘结、涂覆和印刷。。。。。。

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