在等离子体刻蚀技术中,根据材料被去除的主要作用机制,可以将其核心区分为物理刻蚀和化学刻蚀两大类。

物理刻蚀,有时也称为溅射刻蚀或离子铣,其核心原理是利用高能量的物理粒子(通常是惰性气体离子,如氩离子)轰击材料表面。当这些高能粒子撞击到材料表面时,它们会将自身的动能直接传递给材料表面的原子或分子。如果传递的能量足够大(超过材料的结合能和晶格能),就能将这些原子或分子从晶格结构中“敲击”或“溅射”出来,使其脱离材料表面,从而达到去除材料的目的。这个过程本质上是一个纯物理的能量转移过程,不涉及或极少涉及化学反应。

化学刻蚀,核心原理则是利用刻蚀剂与材料表面发生化学反应来去除材料。刻蚀剂中的活性化学物质(如自由基、原子、分子)扩散到材料表面,与表面的原子或分子发生化学反应,生成易挥发的产物被真空系统抽走,从而将材料从表面移除。化学刻蚀的主要特点是选择性通常非常好(可以设计只与特定材料反应,而对其他材料刻蚀速率很低),并且对衬底的物理损伤较小(因为没有高能粒子轰击)。

在刻蚀工艺中,一般情况下,有4种基本的等离子体刻蚀工艺过程,即溅射、纯化学刻蚀、离子能量驱动刻蚀和离子—阻挡层复合作用刻蚀(图1)

4种基本的等离子体刻蚀工艺过程

溅射是载能离子轰击材料表面时,表面原子被弹出的过程,如图1(a)所示。等离子体为此过程提供载能离子,其典型能量约为数百伏特。溅射过程本身不具有选择性,在离子能量给定时,溅射产额取决于表面结合能和靶粒子及入射粒子的质量,但对质量的依赖关系较弱。一般情况下,不同材料之间的这些参量相差不会超过2~3倍。因此可以粗略地认为,不同材料的溅射速率大致相同。溅射速率一般比较低,因为典型的溅射产额是每个人射离子溅射出一个原子。

第二种工艺为纯化学刻蚀。在此过程中,等离子体与材料表面发生化学反应,并生成挥发性产物。该机制通常具有较高的化学选择性。如图1(b)所示,纯化学刻蚀通常表现为各向同性,这是因为刻蚀粒子以近乎均匀的角分布到达基片表面。因此,除非参与反应的某一方为晶体(其反应速率与晶向有关),一般认为其刻蚀速率在不同方向上基本一致。在用于材料处理的等离子体中,由于到达基片的刻蚀粒子通量通常较高,该过程的刻蚀速率可以很快。然而,实际刻蚀速率一般不受反应粒子输运过程的控制,而是受制于一系列复杂表面反应中的某个关键步骤。

第三种是离子能量驱动的增强型刻蚀,如图1(c)所示。该过程中,等离子体同时提供刻蚀粒子(如氟原子)与载能离子。二者协同作用所产生的刻蚀效果,远优于单纯的化学刻蚀或溅射刻蚀。与纯化学刻蚀类似,其反应产物也必须具有挥发性。由于载能离子具有高度定向的角分布,该刻蚀表现出良好的各向异性,但其化学选择性通常低于纯化学刻蚀。

第四种为离子—阻挡层复合刻蚀过程,如图1(d)所示。该工艺需引入能够形成表面阻挡层的粒子。离子轰击能有效抑制或去除阻挡层的形成,从而使下方基片暴露于化学刻蚀之中;而在离子未轰击的区域,阻挡层则起到保护作用,阻止刻蚀进行。通过合理调控,可获得侧壁陡直的高度各向异性刻蚀形貌。