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等離子體蝕刻
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等離子體蝕刻是一種用於製造集成電路的等離子體處理形式。它是將適當氣體混合物的高能輝光放電（等離子體）高速脈衝噴射到樣品上。等離子體源，稱為蝕刻物質，可以是帶電的（離子）或中性的（原子和自由基）。在這一過程中，等離子體通過與被蝕刻材料元素之間的化學反應，在室溫下生成可揮發的蝕刻產物。最終，轟擊元素的原子嵌入到目標表面或表面以下，從而改變目標的物理性質。[1]
機制
等離子體是一種高能態，在此狀態下可以發生多種過程。這些過程由電子和原子引發。要形成等離子體，需要加速電子以使其獲得能量。高能電子通過碰撞將能量傳遞給原子。由於這些碰撞，可以發生三種不同的過程：[2]
等離子體中存在不同的類型，如電子、離子、自由基和中性粒子。這些類型不斷相互作用。在等離子體蝕刻過程中，會發生兩個過程：[3]
- 化學物質的生成
- 與周圍表面的相互作用
沒有等離子體時，這些過程都需要在更高溫度下進行。可以通過不同方式改變等離子體化學成分，以獲得不同種類的等離子體蝕刻或沉積。一種形成等離子體的方法是使用頻率為13.56 MHz的射頻激勵，該頻率被分配用於此應用的ISM頻段。
系統的工作模式會隨操作壓力變化而改變，反應室結構的不同也會影響等離子體的行為。在簡單情況下，電極結構對稱，樣品放置在接地電極上。
成功開發複雜蝕刻工藝的關鍵在於找到合適的氣體蝕刻化學成分，以與待蝕刻材料形成可揮發產物，如下表所示。對於一些難以蝕刻的材料（如磁性材料），只有在提高晶片溫度時才能獲得足夠的揮發性。影響等離子體工藝的主要因素包括：
- 電子源
- 壓力
- 氣體種類
- 真空
產物的反應取決於不同原子、光子或自由基形成化合物的幾率。表面溫度也會影響產物的反應。當物質能夠聚集並以凝聚層形式到達表面時發生吸附，該凝聚層厚度各異（通常是一層薄薄的氧化層）。可揮發產物在等離子相中脫附，並在材料與樣品壁相互作用時促進蝕刻過程。如果產物不可揮發，將在材料表面形成薄膜。影響樣品等離子體蝕刻能力的因素包括：[4]
等離子體蝕刻可以改變表面接觸角，例如將其從親水性轉變為疏水性，或反之。據報道，氬等離子體蝕刻可將接觸角從52°提高到68°，[5]而氧等離子體蝕刻可將碳纖維增強聚合物的接觸角從52°降低到19°，用於骨板應用。等離子體蝕刻還可使金屬表面粗糙度從數百納米降低至最低約3 nm。[6]
類型
壓力會影響等離子體蝕刻工藝。為了實現等離子體蝕刻，反應室必須處於低壓狀態（低於100 Pa）。為了產生低壓等離子體，必須對氣體進行電離。電離通過輝光放電實現。外部激勵源可提供高達30 kW的功率，且其頻率範圍從50 Hz（直流）到5–10 Hz（脈衝直流），以及射頻和微波頻段（MHz–GHz）。[2][7]
微波蝕刻使用微波頻段（MHz–GHz）的激勵源。以下示例展示了一種微波等離子體蝕刻裝置：[8]
氫等離子體蝕刻是一種利用氫氣進行等離子體蝕刻的方法。實驗裝置示例如下：[9]
等離子體蝕刻機
等離子體蝕刻機（或蝕刻工具）是一種用於生產半導體器件的設備。等離子體蝕刻機利用高頻電場（通常為13.56 MHz）使工藝氣體（通常為氧氣或含氟氣體）電離並產生等離子體。將晶圓置於蝕刻機中，首先通過真空泵系統將反應室內的空氣抽空，然後在低壓下引入工藝氣體，並使其發生電擊穿後形成等離子體。
工業等離子體蝕刻機通常採用等離子體約束技術，以實現可重複的蝕刻速率和精確的空間分布，並常用於RF等離子體中。[10]一種約束等離子體的方法是利用德拜層，這是等離子體近表面的一層結構，類似於其他流體中的雙電層。例如，當槽狀石英部件上的德拜層厚度至少為槽寬的一半時，鞘層會封閉槽口並將等離子體約束在內部，同時允許未帶電粒子通過。
應用
等離子體蝕刻目前廣泛應用於半導體材料的加工，用於電子器件的製造。可在半導體材料表面蝕刻出微小結構，以提高效率或增強在電子器件中的性能。[11]例如，等離子體蝕刻可在硅表面刻出深溝槽，用於微機電系統，顯示出在微電子生產中的潛力。[11] 同樣，目前也在研究如何將該工藝調整至納米級別。[11]
氫等離子體蝕刻在去除半導體表面的本徵氧化物方面表現出色，能留下潔淨且化學平衡的表面，適用於多種應用。[9]
氧等離子體蝕刻可通過在感應耦合等離子體/反應離子蝕刻（ICP/RIE）反應器中施加高偏壓，實現對單晶金剛石納米結構的各向異性深蝕刻。[12]另一方面，使用零偏壓氧等離子體可實現C–H端基金剛石表面的各向同性終端化。[13]
等離子體可用於在硅片上生長二氧化硅薄膜（使用氧等離子體），也可使用含氟氣體去除二氧化硅。結合光刻，二氧化硅可選擇性塗敷或去除，以繪製電路走線。
為了形成集成電路，有必要對各層進行成型。這可以通過等離子體蝕刻機完成。蝕刻前，在表面上沉積光刻膠，通過掩膜曝光並顯影。然後進行干法蝕刻，以獲得所需結構。工藝完成後，需要去除殘留光刻膠。這也在一種稱為灰化機的專用等離子體蝕刻機中完成。[14]
干法蝕刻可對硅和III–V族半導體技術中使用的所有材料進行可重複且均勻的蝕刻。通過使用感應耦合等離子體/反應離子蝕刻（ICP/RIE），即使是如金剛石等最堅硬的材料也能實現納米結構化。[15][16]
等離子體蝕刻機也用於失效分析中的集成電路分層。
相關
- 等離子清洗
參考
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