文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

主要介紹幾種常用于工業制備的刻蝕技術，其中包括離子束刻蝕（IBE）、反應離子刻蝕（RIE）、以及后來基于高密度等離子體反應離子的電子回旋共振等離子體刻蝕（ECR）和電感耦合等離子體刻蝕（ICP）。

刻蝕是指通過物理或化學方法對材料進行選擇性的去除，從而實現設計的結構圖形的一種技術。

目前的半導體器件許多采用臺面型器件結構設計，臺面形成的方法主要有濕法腐蝕和干法刻蝕兩種，盡管在半導體器件的制備中，簡單而快速的濕法腐蝕發揮了很大的作用，但由于該方法同時又具有腐蝕各向同性、均勻性較差等缺點，導致其在完成小尺寸的圖形轉移時表現出較差的控制性。

而干法刻蝕因具有高度的各向異性、均勻性好、重復性高等優勢開始在半導體器件的制備工藝中脫穎而出。

干法刻蝕技術其實是一個非常寬泛的概念，可泛指一切用于去除表面材料、實現微納圖形轉移的非濕法刻蝕技術，包括激光刻蝕、氣浴刻蝕以及化學蒸汽刻蝕等多種技術手段。

這篇文章提到的干法刻蝕技術是基于等離子體放電產生的物理或化學過程對材料表面進行加工處理的狹義的干法刻蝕。

離子束刻蝕

離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）又被稱為離子銑，是上個世紀 70 年代發展起來的一種純物理刻蝕技術，其原理是利用惰性氣體（例如 Ar，Xe 等）產生的離子束經加速電壓作用后高速轟擊靶材表面，轟擊過程中離子束不斷的將能量傳遞給材料表面原子，當表面原子積累的能量大于其自身結合能時，則會脫離固體表面發生濺射，從而達到刻蝕的目的，其原理示意圖如圖所示。

該技術采用加速電壓控制離子束的方向及能量，因而刻蝕表現出極好的各向異性和速率可控性，加之其完全屬于純物理刻蝕，可應用的材料范圍也非常廣，至今在刻蝕化學性質非常穩定的材料（例如陶瓷、某些金屬等）時依然發揮著重要作用。但正因為如此，該技術的掩膜選擇比往往較低，在刻蝕較深的溝槽時需要采用很厚的掩膜而影響刻蝕精度；且高速轟擊的離子束容易造成表面晶格損傷，給器件帶來不可避免的電學損傷。

反應離子刻蝕

反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）是在IBE基礎上發展而來的一類化學反應為主、離子物理轟擊為輔的干法刻蝕技術。與 IBE 相比，RIE 具有更高的刻蝕速率且同時也表現出優異的各向異性以及大面積均勻性，是目前微納加工過程中使用最為廣泛的刻蝕技術之一。

其具體結構示意圖如圖所示，當在平行板電極系統兩側施加射頻電壓時，腔室內的電子會加速轟擊反應氣體導致其發生電離，電離過程中會進一步產生自由電子繼續參與碰撞，直至達到平衡的輝光放電狀態，在平行板一側形成穩定的等離子體。由于電子的質量較輕因而運動速度也比較快，陽極附近的電子在射頻電壓的加速下碰撞到接地的金屬內壁被直接導走，而陰極附近的電子則被基板吸附形成負電荷積累，從而導致整個等離子體帶了一定的正電勢，而陰極基板處于負電位狀態，在腔室內部自然形成一定的電勢差，帶正電的等離子體在該偏置電壓的作用下加速轟擊到與陰極電極互連的待刻樣品表面，從而實現刻蝕作用。

刻蝕過程中整個腔室保持在一定的低壓環境下（0.1~10 Pa），半真空環境在一定程度提高了反應氣體電離率，同時也加速了中性活性基團到達樣品表面發生化學反應的過程。一般而言，RIE 刻蝕需要反應生成物具有一定的揮發性，以便在刻蝕過程中能及時有效的被真空系統抽離，從而避免二次沉積從而保持刻蝕的高精度。

在 RIE 刻蝕系統中，射頻電場的 RF 功率直接決定了等離子體的濃度以及加速偏置電壓的大小，繼而可以控制刻蝕速率。但遺憾的是，RIE 在提高等離子密度的同時也會提高加速偏置電壓，加速轟擊離子使其具有較高的能量，可能會導致材料產生晶格損傷，同時也降低了掩膜選擇比，因此在刻蝕應用中還是具有一定限制。隨著大規模集成電路的迅速發展，晶體管的尺寸不斷縮小，對微納加工技術的精度、深寬比等指標提出了更高的要求，由此基于高密度等離子體的干法刻蝕技術應運而生，為電子信息技術的進一步發展帶來了新的曙光。

電子回旋共振等離子體刻蝕

早期的一種實現高密度等離子體的方式是基于微波電子回旋共振技術實現的，即電子回旋共振等離子體刻蝕（Electron Cyclotron Resonance，ECR）技術，其結構示意圖如圖所示。

該系統從頂部導入高頻微波（~2.5GHz），利用微波與腔體內的電子形成共振，并在腔體外側施加與之頻率匹配的、均勻分布的磁場，使電子發生回旋共振以獲得較高的能量，從而提高電離率。通過該方法可以得到高于 10E11/cm3的等離子體密度，較RIE至少提高了兩個數量級（10E9~10E10/cm3）。同時，底部樣品臺依舊與射頻源相連，通過控制射頻源功率可以獨立控制等離子體的加速偏置電壓。

ECR 刻蝕技術的出現，彌補了RIE 刻蝕技術等離子體密度和偏置電壓不能分別控制的缺點，同時高密度的等離子體大大提高了刻蝕速率和掩膜選擇比，促進了微納加工中超高深寬比刻蝕圖形的實現。

但該技術的實現依托于微波源、射頻源、磁場等多個系統的共同作用，設備結構設計一般都比較復雜，同時存在各個射頻源之間相互調節匹配的問題，給實際操作也帶來一定難度。因此在 ECR 刻蝕技術提出不久后，又衍生出了新的 ICP 刻蝕技術。

電感耦合等離子體刻蝕

電感耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）技術在ECR技術的基礎上進一步簡化，采用兩個13.56MHz的射頻源分別控制等離子體的產生和加速偏置電壓的大小，同時通過螺旋線圈感應出交變電磁場的方式代替 ECR 中的外部磁場，其結構示意圖如圖所示，射頻源通過電磁耦合將能量傳遞給內部電子，電子在感應電磁場內做回旋運動碰撞反應氣體使其電離，且可以獲得與 ECR 相當的等離子體密度。ICP 刻蝕技術基本上兼顧了上述幾種刻蝕系統的所有優點，同時滿足了高刻蝕速率、高選擇比、大面積均勻性且設備結構簡單易控等需求，因此也迅速取代了 ECR 成為了新一代高密度等離子刻蝕技術的首選。

干法刻蝕的特點

干法刻蝕技術以各向異性度好、刻蝕速率高等優點取代了濕法腐蝕并迅速在微納加工中占領了主要地位。

好的干法刻蝕技術的評判標準主要有：掩膜選擇比、各向異性度、刻蝕速率、整體均勻性、表面平滑晶格損傷等。由于評估指標眾多，具體情況還是需要根據制備需求而定。

對于干法刻蝕而言，其最直觀的考察指標即表面形貌，包括刻蝕底面及側壁平整度、刻蝕臺面的各向異性度等，且二者均可通過控制化學反應與物理轟擊的比例調控。刻蝕后的微觀形貌表征主要采用掃描電子顯微鏡以及原子力顯微鏡完成。

掩膜選擇比即相同刻蝕條件、相同刻蝕時間內掩膜的刻蝕深度與材料的刻蝕深度之比，一般而言，選擇比越好，圖形轉移精度也越高。

ICP 刻蝕常用的掩膜主要有光刻膠、金屬以及介質膜等，其中光刻膠的選擇比較差且在高溫或高能量轟擊下容易變性；而金屬具有極高的選擇比，但在去除掩膜時存在一定難度，往往需要采取多層掩膜的方式進行，且金屬掩膜在刻蝕過程中可能會附著在臺面側壁形成漏電通道。因此采用合適的掩膜工藝對于刻蝕尤其重要，掩膜材料的選擇也要根據具體器件的性能來確定！