純化學(xué)刻蝕、純物理刻蝕及反應(yīng)式離子刻蝕

刻蝕有三種:純化學(xué)刻蝕、純物理刻蝕，以及介于兩者之間的反應(yīng)式離子刻蝕（ReactiveIonEtch,RIE）。

純化學(xué)刻蝕包括濕法刻蝕和遙控等離子體光刻膠去除。純化學(xué)刻蝕中沒(méi)有物理轟擊，由化學(xué)反應(yīng)移除物質(zhì)。純化學(xué)刻蝕的速率根據(jù)工藝需要可以很高也可以很低。純化學(xué)刻蝕一定會(huì)有等向性刻蝕輪廓，因此當(dāng)圖形尺寸小于3um時(shí)，就無(wú)法使用純化學(xué)刻蝕進(jìn)行薄膜圖形化技術(shù)。

由于純化學(xué)刻蝕具有很好的刻蝕選擇性，所以純化學(xué)刻蝕通常用在剝除工藝上。例如，去光刻膠、去氮化硅、墊基氧化層、屏蔽氧化層和犧牲氧化層等。遙控等離子體(RP)刻蝕是在遠(yuǎn)端反應(yīng)室中利用等離子體產(chǎn)生自由基，再將自由基送入反應(yīng)室和晶圓產(chǎn)生反應(yīng)，因此屬于純化學(xué)刻蝕。

氯轟擊屬于純物理刻蝕，廣泛使用在電介質(zhì)濺射回刻削平開口部分，以利于后續(xù)的空隙填充。氯轟擊也用于金屬PVD前的清洗過(guò)程，用于移除氧化物以減少接觸電阻。氯是一種惰性氣體，制造中不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。材料受氯離子轟擊后從表面脫離，如用一只錘子把材料從表面敲擊移除一樣。

純物理刻蝕的速率一般很低，主要取決于離子轟擊的流量和能量。因?yàn)殡x子會(huì)轟擊并移除任何與襯底接觸的材料，所以純物理刻蝕的選擇性很低。等離子體刻蝕中，離子轟擊的方向通常和晶圓表面互相垂直。所以純物理刻蝕主要是朝垂直方向刻蝕，它是一種非等向性刻蝕過(guò)程。

反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的名稱可能是有些誤導(dǎo)。這種類型的蝕刻工藝的正確名稱應(yīng)為離子輔助蝕刻，因?yàn)樵诖宋g刻工藝中的離子不一定有化學(xué)反應(yīng)。例如在許多情況下氯離子被用來(lái)增加離子轟擊。而作為一種惰性原子，氯離子是沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的。大多數(shù)蝕刻制程中的化學(xué)活性物是中性的自由基。

在半導(dǎo)體蝕刻加工等離子體中，中性的自由基的濃度比離子濃度高得多。這是因?yàn)殡婋x活化能明顯高于解離的活化能，而物種濃度與活化能指數(shù)相關(guān)。然而,RIE這個(gè)詞在半導(dǎo)體業(yè)界已被用了很長(zhǎng)時(shí)間，可能沒(méi)有人會(huì)改變它。下圖顯示離子輔助蝕刻的原理與早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

首先將XeF2氣體單獨(dú)由閉鎖閥門注入。XeF2是一種不穩(wěn)定的氣體。徹是一種惰性氣體,所以不會(huì)與其他原子形成化學(xué)鍵。干法化學(xué)刻蝕中通常用于輸送氟自由基。當(dāng)XeF2接觸到已加熱的單晶硅時(shí)，就會(huì)分解并釋放出兩個(gè)氟自由基。因?yàn)榉杂苫挥幸粋€(gè)不成對(duì)的電子，所以能從其他原子獲得一個(gè)電子，在化學(xué)上很容易起反應(yīng)。氟會(huì)與樣品表面的硅反應(yīng)形成易揮發(fā)性的四氟化硅(SiF4)。下圖中的測(cè)量結(jié)果表明了這種純化學(xué)刻蝕的刻蝕速率很低。

接著開啟氯離子槍。結(jié)合了物理的離子束轟擊和氟自由基的化學(xué)刻蝕，硅的刻蝕速率明顯增加。當(dāng)關(guān)閉閥門停止輸送XeF2氣流后，硅就單獨(dú)由氯離子濺射刻蝕。這是一種純物理刻蝕，刻蝕速率比使用XeF2氣流的純化學(xué)刻蝕還要慢。

審核編輯：劉清