了解介質(zhì)層干法刻蝕，首先需要了解用于刻蝕等離子體的產(chǎn)生過程，以氧化硅為例，等離子體產(chǎn)生過程如下：首先，在射頻電極的作用下，CF₄氣體經(jīng)歷一系列步驟，包括解離、電離、離化、激發(fā)和復(fù)合（見圖2）。在這個過程中，CF₄氣體被分解為離子（正電、負電）、電子和氟自由基，它們相互反應(yīng)形成原子或分子。同時，這些反應(yīng)在刻蝕腔內(nèi)形成了輝光區(qū)，即我們通常在刻蝕腔中觀察到的明亮區(qū)域。

圖1

  然而，由于電子的運動速度遠遠高于離子，會在wafer和輝光區(qū)之間形成自發(fā)產(chǎn)生的電勢差（稱為暗區(qū)）。具體而言，Wafer區(qū)的電勢較低，而輝光區(qū)的電勢較高。受到這種自發(fā)產(chǎn)生的電壓的影響，離子會自發(fā)地轟擊襯底，而這種轟擊的能量與輝光區(qū)的等離子體濃度密切相關(guān)。通常情況下，等離子體濃度越大，自發(fā)產(chǎn)生的電壓越大，因此離子轟擊的能量也越強。

針對氧化硅刻蝕，主要評估指標包括側(cè)壁形貌和粗糙度。圖3展示了使用不同掩膜進行氧化硅刻蝕后的側(cè)壁形貌。其中，a采用正性光刻膠作為掩膜，CF₄作為刻蝕氣體，刻蝕后的角度小于光刻膠的角度。b采用正性光刻膠作為掩膜，CF₄+O₂作為刻蝕氣體，刻蝕后氧化硅角度大于光刻膠，這是由于氧氣的引入導(dǎo)致光刻膠變性以及刻蝕選擇比的降低。c采用負性光刻膠，CF₄作為刻蝕氣體，可以看到氧化硅側(cè)壁更趨向于90°。因此，對比得知，側(cè)壁角度隨刻蝕選擇比的減小而增大。這一系列實驗結(jié)果表明，在氧化硅刻蝕過程中，選擇合適的掩膜和刻蝕氣體組合對于側(cè)壁形貌至關(guān)重要。氧化硅刻蝕的選擇比變化會直接影響側(cè)壁的形狀，需要在側(cè)壁角度和材料選擇比之間取得平衡^[1]。

圖3

針對于此，研究人員通過計算給出了選擇比和刻蝕角度的計算公式，如圖3d和圖4所示。圖中α為二氧化硅的側(cè)壁角度，β為抗蝕掩模的側(cè)壁角度，d 為二氧化硅被刻蝕的深度，d'為抗蝕掩模被刻蝕的深度，若以 n 表示選擇比,則 d'=d/n。

根據(jù)芯云的了解，提高選擇比可以通過以下兩個方向進行：

1）選擇金屬作為刻蝕掩膜，例如鋁、鉻、鎳等。

2）由于一般氧化硅的刻蝕速率在達到一定平臺后趨于穩(wěn)定，因此可以通過優(yōu)化氧化硅和掩膜的刻蝕速率平衡來增加選擇比。

調(diào)節(jié)刻蝕粗糙度可以通過以下幾個方向進行：

1）射頻功率和氣體流量：適當?shù)纳漕l功率和氣體流量可以影響等離子體的密度和能量，從而調(diào)整刻蝕速率和表面質(zhì)量。不適當?shù)墓β屎土髁靠赡軐?dǎo)致表面粗糙度問題。

2）工作壓力：控制腔體壓力對于實現(xiàn)均勻的刻蝕表面至關(guān)重要。過高或過低的工作壓力可能導(dǎo)致不均勻的刻蝕表面。

3）表面處理：在刻蝕之前，確保樣品表面準備工作得當。保持干凈、平整的初始表面有助于獲得更好的刻蝕效果。

4）溫度控制：在刻蝕過程中合理控制溫度，避免過高的溫度可能引起材料結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致表面粗糙度。在某些情況下，降低刻蝕溫度可能有助于改善表面質(zhì)量。

此外，在硅上氧化硅刻蝕的過程中需要特別注意過刻蝕的問題。如下反應(yīng)方程所示，過刻蝕可能在硅表面留下碳層，不僅會對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響，甚至可能影響器件的性能。因此，對于硅上氧化硅刻蝕，需要謹慎處理過刻蝕，以確保獲得高質(zhì)量的刻蝕表面。

[1]: 杜文濤，曾志剛，胡志宇.氧化硅RIE刻蝕工藝研究[J]; 半導(dǎo)體光電,2014, 35(2),57-60.DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2014.01.015