干法刻蚀技术是利用等离子体来实现刻蚀的过程。一旦气体被引入腔体中,它们会被电离进而转化为等离子体状态。在等离子体状态下,其展现出两个显著特性:一是,等离子体中的气体相较于常态,展现出较高的化学活性。这意味着我们可以根据待刻蚀材料的特性,选择恰当的刻蚀气体(即反应剂),从而加速与材料的化学反应,达到刻蚀目的。其次,等离子体可通过电场进行导向和加速,使其携带一定的能量。当这些高能量的等离子体以加速度撞击被刻蚀物表面时,通过物理能量的传递机制来完成刻蚀。因此,干法刻蚀实际上是物理与化学双重作用下的结果。等离子体干法刻蚀技术的独特之处在于,它不仅能够执行各向异性刻蚀,还能够保持在特征临界尺寸极小的情况下,进行精确的图形转移。

在干法刻蚀的这一工艺流程里,首先利用辉光放电原理,在低压环境下生成一种包含中性自由基、离子及自由电子的气体,该气体处于电离或部分电离状态,统合称为等离子体。随后,通过施加于等离子体上的电压,电子得以加速,并与中性气体分子发生碰撞,进而产生离子和更多的中性自由基。如图1-1所示,由于电子的质量相对较小,它们在与等离子体接触后能够比离子更快地移动,导致表面迅速带上负电;因此,相较于等离子体,电子呈现负电位。所以,在电场力的作用下,离子进行加速运动,并同时排斥电子,确保材料表面的净电荷电流维持为零状态,而且由于离子携带高能量,它们能够与活性中性物质协同工作,共同实现去除材料表面杂质或不需要成分的目标。当通过发生化学反应的方式进行刻蚀,且仅涉及活性中性物质时,由于这些中性物质展现出的各向同性特性,包括其均匀的角度分布及较低的附着几率,导致刻蚀后的表面呈现出各向同性的轮廓。因此,这种化学刻蚀,或称各向同性刻蚀,具备相对较高的选择性优势,反,若不存在中性物种,表面遭受的是物理刻蚀或高能离子的撞击,那么由于离子撞击表面的方向各异,被刻蚀的表面将会展现出各向异性的特征。离子轰击材料表面时,刻蚀作用是通过加速离子在表面原子上的沉积和物理作用来实现的;然而,物理轰击的选择性相对较低。所以,在集成电路领域高速发展的今天,通常采用化学反应和物理轰击结合的方式进行刻蚀,这一类刻蚀工艺被称为反应离子刻蚀(RIE)。

图1-1 等离子体刻蚀过程图

电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术（ICP-RIE）

ICP-RIE是一种更优化的RIE刻蚀技术,通过分立的射频源分别控制等离子体的激发与刻蚀,来实现高密度、低能量的等离子体,具有低损伤、在低压下可保持较高刻蚀速率等优点。

图2-2 电感耦合等离子体反应离子刻蚀系统示意图 

图2-2展示了ICP-RIE(电感耦合等离子体反应离子刻蚀)的腔室结构示意图。从图中可以看出,该系统通过感应线圈将额外的射频能量从外部耦合,使腔室内的等离子体保持高密度(>10¹¹/cm³)。在低气压条件下,等离子体能够保持稳定,有助于精准控制刻蚀形貌。等离子体的产生和分布经过了等离子体发生腔,并与实际的刻蚀区域分开。高功率射频信号驱动自由电子在等离子体腔内高速回旋运动,从而大幅提高了电子的电离几率,提高了等离子体的浓度。除了主射频源外,与样品台基板相连的第二射频源(通常称为RF源或RIE源)可独立调节功率,从而实现对自偏置电压的精确控制,以优化刻蚀效果。整体来看,ICP-RIE刻蚀过程主要分为以下三个阶段:

1. 活性中性粒子吸附——刻蚀气体中的活性粒子附着在材料表面。

2. 化学反应——反应气体与被刻蚀材料相互作用,生成易挥发的反应产物。

3. 物理化学轰击——等离子体对表面反应产物施加能量,使其脱离表面,最终实现刻蚀。

ICP-RIE相较于传统的反应离子刻蚀(ReactiveIon Etching)进行了优化,通过增加射频(Inductively Coupled Plasma)源实现更高效的等离子体激发。该系统使用两个独立的射频源,分别用于等离子体生成和刻蚀速率控制,从而大幅提升加工精度和工艺可控性。与传统RIE技术相比,ICP-RIE具备高刻蚀速率、高选择比、低损伤等优势。其中高刻蚀速率有助于提高加工效率,高选择比能够确保在不同材料之间精准刻蚀,而低损伤特性则减少了对样品的影响,特别适用于对纳米级结构的精细加工。此外该技术还能在较低气压环境下运行,进一步提升刻蚀均匀性,使得刻蚀深度更易控制。综上ICP-RIE以其优异的刻蚀性能和高可控性,在微纳制造领域得到了广泛应用,特别适用于半导体器件、光学超表面和纳米级电子元件的加工。