MEMS科普 |微机械加工中的干法刻蚀（一）：等离子体刻蚀——物理与化学的精密协奏

1.各向同性等离子体刻蚀

对于刻蚀来说，参与反应的等离子体由离子和自由基两种相关的成分构成。目前等离子体是以化学性质活泼的中性物质为主，这种物质称为自由基，其密度(10¹⁹至10²²m^-3)与电子和离子(10¹⁵至1020m^-3)相比更占优势。活性自由基是由等离子体中气体分子与高能电子碰撞后分解成较小部分而产生的，在多数情况下，一次碰撞将一个中性分子分解成几个自由基。不带电的自由基到达衬底时几乎没有方向性，粘附在衬底表面，而且极易与被刻蚀材料发生反应，或多或少地生成挥发性的化合物。如果反应很快且反应产物的挥发性足够强，生成的化合物就会迅速从刻蚀表面挥发，表现出各向同性的刻蚀行为。这种化学刻蚀主要取决于参与反应的材料的性质，它具有很好的选择比，一般情况下很容易找到合适的刻蚀掩膜材料(例如以SiO₂作为刻蚀Si的掩膜)。

六氟化硫SF₆、四氟化碳CF₄、三氟化氮NF₃这些含氟量高的氟化物放电形成等离子体时所产生的含氟自由基对硅均表现出各向同性的刻蚀行为。一经吸附到硅表面，含氟自由基即刻与硅反应生成硅的氟化物SiFx(x=1，2，3，4)。反应的主要产物为SiF₂和SiF₄，这些产物不需要其他物理作用就能够从表面挥发出去，从而将硅原子从刻蚀表面移除。因为这一机制中不包含方向性，所以硅刻蚀的过程不存在优先的方向，其刻蚀形态是各向同性的。这种行为对于微机械结构下的牺牲层刻蚀或者刻蚀释放工艺是非常理想的，可用于在圆片上制造自支撑和可活动元件。与硅材料相比，在没有高能离子的物理作用下，SiO₂之类的掩膜或光刻胶几乎不与含氟自由基反应。很多先进的微机械加工技术是将各向异性刻蚀与各向同性刻蚀结合使用:首先在垂直方向深度刻蚀，再将刻蚀完的结构保护起来并在横向进行刻蚀。

2.非等离子体各向同性刻蚀

对于硅牺牲层刻蚀，甚至并不一定需要使用含氟自由基的等离子体源。很多气体化合物都可以自发地与硅反应进行刻蚀，而不需要等离子体的激发。XeF₂、BrF₃和CIF₃可以释放含氟自由基并吸附到衬底表面，从而自发地对硅进行刻蚀。例如，XeF₂在常温常压下是一种白色固体，然而在气压约为395 Pa的常温下，它会升华成气态并能够与硅反应。气相氙的氟化物对硅的各向同性刻蚀是依据以下化学反应式进行的:

2XeF₂+ Si→2Xe + SiF₄

这个反应是放热的，可能会引起局部温度的升高;尤其是对于隔热的结构。使用脉冲模式刻蚀系统代替持续模式刻蚀系统可以减轻这种效应的影响。同时，不使用液相物质避免了与粘滞作用相关的问题。典型的1um/min以上的刻蚀速度已经有报道，可以通过氮气稀释XeF₂来降低。此外，刻蚀过程是纯粹的化学各向同性刻蚀过程，不需要其他形式的物理能量输入使其发生。XeF₂对于硅和其他所有已知半导体工艺中使用的材料之间的刻蚀选择比都非常高，对于大多数金属和电介质，其选择比都超过了1000。

3.各向异性刻蚀

衬底的等离子体刻蚀中第二重要的物质是带正电荷的离子，也称为阳离子。尽管其数量比自由基少，但离子是引起刻蚀的任何方向性与各向异性的原因。正离子产生于等离子体内中性气体分子与高能电子的碰撞过程中，分子中的电子由于碰撞脱离了分子，剩下一个正电荷。只需要给衬底加上直流或射频电压使其相对等离子体的电势形成负偏压，就可以通过充电使离子向着衬底加速，最终使离子近似垂直地打向衬底表面。这些离子表现出了等离子体提供的方向特性，所有产生各向异性等离子体刻蚀的方法都依赖于垂直衬底方向的离子流量。由于离子具有方向性，它们会优先撞击结构的底部而很少向侧壁扩散。同时，入射的离子会将能量转移到撞击部位的局部范围内。尽管离子的数量与化学性质活泼的中性粒子相比较少，但它们的能量会显著地影响或驱动局部刻蚀反应的进行。