RIE,全称是ReactiveIonEtching,即反应离子刻蚀,它是一种微电子干法腐蚀工艺(也即一种常见的干法刻蚀)。其刻蚀反应的基本原理为,反应发生在反应腔室内部,平板电极集成在反应腔室上下两端,在电极之间施加10~100MHZ的高频电压(一般情况下频率稳定,输出功率可调)时会产生数百微米厚的离子层,由离子高速撞击反应腔室内试样而完成反应蚀刻,称作为RIE(Reactive Ion Etching)。基于反应离子刻蚀原理制造的装备系统在纳米图形制作、材料表面清洗方面有着广泛的应用。针对不同应用领域,刻蚀机系统结构和功能部件都会呈现出不同的组成方式。从设备组成方式上而言,作为半导体专用设备,各类反应离子刻蚀机功能组成的基本结构类似,但依据不同的应用层面,设备会有不同的系统级实现方式,其中就包括工业现场应用、科学实验研究专用设备等几个方面的内容。

RIE设备即反应离子刻蚀设备在工程应用中较为广泛,由于其设备成本相对于高密度等离子体装备而言投入较低,因此针对一般性的刻蚀速率要求,设备发挥着重要作用。RIE反应离子刻蚀设备基本结构图如图1所示。我们将系统简化为图2的几部分控制结构。

图1 RIE反应离子刻蚀机结构图

图2 RIE反应离子刻蚀系统结构简图

1. 气体供给、流量控制两部分模块完成RIE设备气体供给和流量控制工作,配合相关管路组成气路系统。

气体源提供工艺实验所需工艺气体,常用工艺气体有O2、Ar、CHF3、CF4等;流量控制模块又由质量流量计及相关气动开关阀门组成。工艺气体流经流量计,通过对流量计设定流量大小来获得稳定的流量预设值以供腔室内部使用;而气体管路正是连接着气体源、流量控制模块及腔室等工艺气体流经的部分。每一路流经腔室的气体由以上三部分进行合作、连通、控制。

在应用当中依据不同的设备要求,气路的种类和数量会有所增减。

2. 状态检测模块包含真空开关、阀限位信号、终点检测信号等部分,用于完成设备的运行状态检测工作。

真空开关检测设备腔室当前工作条件是否变化;阀限位信号反应设备当中的阀当前开或关的状态;终点检测信号一般需要添加相关终点检测装置以提供刻蚀终点检测。这几种检测信号将当前设备运行状态反馈给实验操作人员,以供进行设备下一步操作。抑或由设备根据软件预设进行下一步动作。

除了传感器反馈的当前状态外,在设备当中会依据不同需求对状态检测进行相应的模块调整和选择。

在未安装终点检测装置的等离子体设备当中,人们只能凭借经验或试样来估计产品刻蚀的终点。然而这种情况下不能保证刻蚀过程中的线条尺寸和衬底的过刻。

3. 压力控制模块由真空规、真空泵、气动阀及抽气管路等组成。气动阀作用于真空规和腔室之间用于选择在恰当的时间打开,以备真空规进行腔室真空度的监测。气动阀同时也作用于腔室与真空泵之间,用于选择开关状态决定是否进行抽真空。

在RIE设备工作过程中通常要求达到工艺实验所需低真空环境,考虑到不同的本底真空要求,需要添加不同的抽真空装置,例如利用高真空所需分子泵或以机械泵、罗茨泵等泵组完成真空抽气系统的搭建。有时可调节腔室抽气阀门的开度,可利用插板阀和抽气管路的配合对腔室抽真空速率做进一步细调。

实时监测腔室真空压力并依据不同的真空压力进行抽真空动作就成为一种经常性的动作。压力控制主要对反应腔室的内部真空进行监测,同时配合不同流量大小的通入来达到所需压力条件,在射频开启时进一步有效控制反应腔室内部等离子体浓度,进而影响工艺实验。

4. 射频模块由射频电源、匹配器和射频输出线缆等配件组成[30]。随着应用的进步射频电源与匹配器的一体机也在逐渐的应用当中。几者配合工作用于产生射频功率输出并依据自动匹配或者手动匹配的控制方式将输出的功率有效耦合进腔室内部,产生等离子体进行刻蚀相关工艺。

5. 应用中一般选择工作频率在13.56MHZ的射频电源,射频输出功率可在零到几百瓦功率大小的范围内选取。

6. RIE设备的反应腔室部分是刻蚀工艺进行的环境,由腔体及电极系统组成。其中电极系统又包括载片台、水冷系统、匀气盘和射频输入接头等部件。

工艺实验中将需要刻蚀的硅片放于载片台,水冷系统用于冷却载片台温度,接入的工艺气体通过匀气盘的作用下均匀进入,再将射频接头与腔室内部电极有效连接。由此组成了RIE腔室内部基本环境。

以上的五个部分就是RIE反应离子刻蚀设备的基本结构通过各个部分的配合才能有效的完成相关刻蚀工艺,达到刻蚀目标。