等离子体被认为是除过固态、液态、气态物质存在的第四状态,是由正、负离子和中性粒子组成的集合体,整体表现为电中性。通常其产生的方法是利用气体放电原理激励气体使气体电离,发生辉光放电从而产生等离子体。其原理是给气体环境施加电场,使得气体内的自由电子加速到高能量与原子或分子发生碰撞使其电离,从而生成等离子体。

等离子刻蚀，就是利用等离子体中各种电子、离子、游离基等活性粒子与被蚀刻材料发生物理溅射或化学反应，生成挥发性的刻蚀产物，达到刻蚀材料的目的。物理溅射则是加工过程中,存在高能量带电离子在轰击被加工材料表面原子,达到去除表面材料的效果;化学反应则是加工过程中还存在大量化学活性的离子与加工材料表面原子化学键反应,实现材料表面去除,同时被去除的材料会被真空系统抽离反应腔室,使得材料被不断去除。

二氧化硅等离子体刻蚀原理

二氧化硅等离子刻蚀一般采用CF4、SF6等含氟气体和氧气作为刻蚀反应气体,在正常情况下,硅基材料和CF4和SF6等刻蚀气体是很难进行反应的。而将刻蚀气体通过等离子体源电离产生自由基等离子体,含有的大量自由基反应活性十分强,可以破坏硅基材料的化学键,从而发生了反应并且与之结合产生挥发性物质SiF4气体，实现表面材料的去除，达到刻蚀目的。其反应过程大致可以分以下为三个步骤:

反应物分子和自由基在材料表面的吸附

在材料表面上的吸附按其作用力性质不同可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是利用材料表面与活性分子之间的相互作用的物理引力或斥力,而化学吸附则是材料表面与被活性分子之间的化学键力,形成吸附键,自由基等离子体在这两种吸附力下吸附在二氧化硅表面,为后续的反应奠定了基础。

吸附的反应物分子和自由基与固体表面发生反应

在低压条件下,CF₄/O₂等离子体通常常用于刻蚀SiO₂,当含氧氟的自由基活性基团吸附在二氧化硅表面时,会与SiO₂表面的Si原子生成化学吸附键,一定区域内的二氧化硅表面Si-O键发生电子云偏移,会使得化学键强度减弱从而易于断裂,在反应中Si-O键的断裂是关键的阶段,也同时是最慢的阶段,同时含F的自由基会结合形成Si-F键,其强烈的极化作用也会使相邻的Si-O键的键强快速减小,并加快下一步的反应进程。以下是等离子体刻蚀SiO₂总的化学反应方程式:

Si0₂+4F→SiF₄+O₂

被吸附的产物分子从固体表面脱附

等离子体与二氧化硅材料经过复杂的化学反应过程,最终生成了大量的挥发性物质SiF4,硅基材料由固态向气态的转化,达到基底材料刻蚀去除的目的,最后将气态的SiF4被抽出真空室,完成刻蚀的总过程。