反應(yīng)離子刻蝕

概述：

反應(yīng)離子腐蝕技術(shù)是一種各向異性很強(qiáng)、選擇性高的干法腐蝕技術(shù)。它是在真空系統(tǒng)中利用分子氣體等離子來(lái)進(jìn)行刻蝕的，利用了離子誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，即是利用離子能量來(lái)使被刻蝕層的表面形成容易刻蝕的損傷層和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)離子還可清除表面生成物以露出清潔的刻蝕表面的作用。主要用于Si、SiO2、SiNx、半導(dǎo)體材料、聚合物、金屬的刻蝕以及光刻膠的去除等，廣泛應(yīng)用于物理，生物，化學(xué)，材料，電子等領(lǐng)域。

工作原理：

通常情況下，反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的整個(gè)真空壁接地, 作為陽(yáng)極, 陰極是功率電極, 陰極側(cè)面的接地屏蔽罩可防止功率電極受到濺射。要腐蝕的基片放在功率電極上。腐蝕氣體按照一定的工作壓力和搭配比例充滿(mǎn)整個(gè)反應(yīng)室。對(duì)反應(yīng)腔中的腐蝕氣體, 加上大于氣體擊穿臨界值的高頻電場(chǎng), 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被高頻電場(chǎng)加速的雜散電子與氣體分子或原子進(jìn)行隨機(jī)碰撞, 當(dāng)電子能量大到一定程度時(shí), 隨機(jī)碰撞變?yōu)榉菑椥耘鲎? 產(chǎn)生二次電子發(fā)射, 它們又進(jìn)一步與氣體分子碰撞, 不斷激發(fā)或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和復(fù)合。當(dāng)電子的產(chǎn)生和消失過(guò)程達(dá)到平衡時(shí), 放電能繼續(xù)不斷地維持下去。由非彈性碰撞產(chǎn)生的離子、電子及及游離基(游離態(tài)的原子、分子或原子團(tuán)) 也稱(chēng)為等離子體, 具有很強(qiáng)的化學(xué)活性, 可與被刻蝕樣品表面的原子起化學(xué)反應(yīng), 形成揮發(fā)性物質(zhì), 達(dá)到腐蝕樣品表層的目的。同時(shí), 由于陰極附近的電場(chǎng)方向垂直于陰極表面, 高能離子在一定的工作壓力下, 垂直地射向樣品表面, 進(jìn)行物理轟擊, 使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。所以，反應(yīng)離子刻蝕包括物理和化學(xué)刻蝕兩者的結(jié)合。

刻蝕氣體的選擇

對(duì)于多晶硅柵電極的刻蝕，腐蝕氣體可用Cl2或SF6，要求對(duì)其下層的柵氧化膜具有高的選擇比?？涛g單晶硅的腐蝕氣體可用Cl2/SF6或SiCl4/Cl2；刻蝕SiO2的腐蝕氣體可用CHF3或CF4/H2；刻蝕Si3N4的腐蝕氣體可用CF4/O2、SF6/O2或CH2F2/CHF3/O2；刻蝕Al（或Al-Si-Cu合金）的腐蝕氣體可用Cl2、BCl3或SiCl4；刻蝕W的腐蝕氣體可用SF6或CF4；刻蝕光刻膠的腐蝕氣體可用氧氣。

對(duì)于石英材料, 可選擇氣體種類(lèi)較多, 比如CF4、CF4+ H2、CHF3 等。我們選用CHF3 氣體作為石英的腐蝕氣體。其反應(yīng)過(guò)程可表示為：CHF3 + e——CHF+2 + F (游離基) + 2e，SiO 2 + 4F SiF4 (氣體) + O 2 (氣體)。SiO 2 分解出來(lái)的氧離子在高壓下與CHF+2 基團(tuán)反應(yīng)， 生成CO ↑、CO 2↑、H2O ↑、O F↑等多種揮發(fā)性氣體。

對(duì)于鍺材料、選用含F(xiàn) 的氣體是十分有效的。然而, 當(dāng)氣體成份中含有氫時(shí), 刻蝕將受到嚴(yán)重阻礙, 這是因?yàn)闅淇梢院头咏Y(jié)合, 形成穩(wěn)定的HF, 這種雙原子HF 是不參與腐蝕的。實(shí)驗(yàn)證明, SF6 氣體對(duì)Ge 有很好的腐蝕作用。反應(yīng)過(guò)程可表示為：SF6 + e——SF+5 + F (游離基) + 2e，Ge + 4F——GeF4 (揮發(fā)性氣體)   。

設(shè)備：

典型的（平行板）RIE系統(tǒng)包括圓柱形真空室，晶片盤(pán)位于室的底部。晶片盤(pán)與腔室的其余部分電隔離。氣體通過(guò)腔室頂部的小入口進(jìn)入，并通過(guò)底部離開(kāi)真空泵系統(tǒng)。所用氣體的類(lèi)型和數(shù)量取決于蝕刻工藝;例如，六氟化硫通常用于蝕刻硅。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流速和/或調(diào)節(jié)排氣孔，氣體壓力通常保持在幾毫托和幾百毫托之間的范圍內(nèi)。

存在其他類(lèi)型的RIE系統(tǒng)，包括電感耦合等離子體（ICP）RIE。在這種類(lèi)型的系統(tǒng)中，利用RF供電的磁場(chǎng)產(chǎn)生等離子體。雖然蝕刻輪廓傾向于更加各向同性，但可以實(shí)現(xiàn)非常高的等離子體密度。

平行板和電感耦合等離子體RIE的組合是可能的。在該系統(tǒng)中，ICP被用作高密度離子源，其增加了蝕刻速率，而單獨(dú)的RF偏壓被施加到襯底（硅晶片）以在襯底附近產(chǎn)生定向電場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)更多的各向異性蝕刻輪廓。

操作方法：

通過(guò)向晶片盤(pán)片施加強(qiáng)RF（射頻）電磁場(chǎng)，在系統(tǒng)中啟動(dòng)等離子體。該場(chǎng)通常設(shè)定為13.56兆赫茲的頻率，施加在幾百瓦特。振蕩電場(chǎng)通過(guò)剝離電子來(lái)電離氣體分子，從而產(chǎn)生等離子體 。

在場(chǎng)的每個(gè)循環(huán)中，電子在室中上下電加速，有時(shí)撞擊室的上壁和晶片盤(pán)。同時(shí)，響應(yīng)于RF電場(chǎng)，更大質(zhì)量的離子移動(dòng)相對(duì)較少。當(dāng)電子被吸收到腔室壁中時(shí)，它們被簡(jiǎn)單地送到地面并且不會(huì)改變系統(tǒng)的電子狀態(tài)。然而，沉積在晶片盤(pán)片上的電子由于其DC隔離而導(dǎo)致盤(pán)片積聚電荷。這種電荷積聚在盤(pán)片上產(chǎn)生大的負(fù)電壓，通常約為幾百伏。由于與自由電子相比較高的正離子濃度，等離子體本身產(chǎn)生略微正電荷。

由于大的電壓差，正離子傾向于朝向晶片盤(pán)漂移，在晶片盤(pán)中它們與待蝕刻的樣品碰撞。離子與樣品表面上的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但也可以通過(guò)轉(zhuǎn)移一些動(dòng)能來(lái)敲除（濺射）某些材料。由于反應(yīng)離子的大部分垂直傳遞，反應(yīng)離子蝕刻可以產(chǎn)生非常各向異性的蝕刻輪廓，這與濕化學(xué)蝕刻的典型各向同性輪廓形成對(duì)比。

RIE系統(tǒng)中的蝕刻條件很大程度上取決于許多工藝參數(shù)，例如壓力，氣體流量和RF功率。 RIE的改進(jìn)版本是深反應(yīng)離子蝕刻，用于挖掘深部特征。

反應(yīng)離子刻蝕機(jī)是一款獨(dú)立式RIE反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)，配套有淋浴頭氣體分布裝置以及水冷RF樣品。具有不銹鋼柜子以及13"的上蓋式圓柱形鋁腔，便于晶圓片裝載.腔體有兩個(gè)端口：一個(gè)帶有2"的視窗,另一個(gè)空置用于診斷。反應(yīng)離子刻蝕機(jī)可以支持zui大到12"的晶圓片。腔體為超凈設(shè)計(jì)，并且根據(jù)配套的真空泵可以達(dá)到10-6 Torr 或更小的極限真空。反應(yīng)離子刻蝕機(jī)系統(tǒng)可以在20mTorr到8Torr之間的真空下工作。真空泵組包含一個(gè)節(jié)流閥，一個(gè)250l/s的渦輪分子泵，濾網(wǎng)過(guò)濾器，以及一個(gè)10cfm的機(jī)械泵(帶Formblin泵油)。RF射頻功率通過(guò)600W，13.56MHz的電源和自動(dòng)調(diào)諧器提供。系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)控直流自偏壓，該自偏壓可以高達(dá)-500V，這對(duì)于各向異性的刻蝕至關(guān)重要。

反應(yīng)離子刻蝕機(jī)是基于PC控制的全自動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)真空壓力及DC直流偏壓將以圖形格式實(shí)時(shí)顯示，流量及功率則以數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)提供密碼保護(hù)的四級(jí)訪(fǎng)問(wèn)功能:操作員級(jí)、工程師級(jí)、工藝人員級(jí)，以及維護(hù)人員級(jí)。允許半自動(dòng)模式(工程師模式)、寫(xiě)程序模式(工藝模式)，和全自動(dòng)執(zhí)行程序模式(操作模式)運(yùn)行系統(tǒng)。基于全自動(dòng)的控制，該系統(tǒng)具有高度的可重復(fù)性。
   
反應(yīng)離子刻蝕機(jī)檢驗(yàn)操作及判斷
    1. 確認(rèn)萬(wàn)用表工作正常，量程置于200mV。
    2.冷探針連接電壓表的正電極，熱探針與電壓表的負(fù)極相連。
    3.用冷、熱探針接觸硅片一個(gè)邊沿不相連的兩個(gè)點(diǎn)，電壓表顯示這兩點(diǎn)間的電壓為正值，說(shuō)明導(dǎo)電類(lèi)型為P 型，刻蝕合格。相同的方法檢測(cè)另外三個(gè)邊沿的導(dǎo)電類(lèi)型是否為P型。
    4.如果經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，任何一個(gè)邊沿沒(méi)有刻蝕合格，則這一批硅片需要重新裝片，進(jìn)行刻蝕。

廣西師范大學(xué)RIE反應(yīng)離子刻蝕機(jī)順利驗(yàn)收

近日，NANO-MASTER工程師至廣西師范大學(xué)，順利安裝驗(yàn)收NRE-3000型RIE反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)！

詳細(xì)參數(shù)：

1.  腔體：10”直徑的圓柱形腔體；陽(yáng)極氧化鋁材質(zhì)，抗腐蝕性強(qiáng)；上下蓋設(shè)計(jì)，氣動(dòng)升降頂蓋，一鍵實(shí)現(xiàn)上蓋的開(kāi)啟/閉合；淋浴頭設(shè)計(jì)，最佳的氣流均勻分布

2. 樣品臺(tái)：4”樣品臺(tái)；冷卻功能；偏壓功能，支持各向異性的垂直刻蝕；

3. 質(zhì)量流量控制器：4路氣體，每路包含MFC、氣動(dòng)截止閥和不銹鋼管路氣體

4. 真空系統(tǒng)：分子泵與機(jī)械泵，4分鐘內(nèi)可達(dá)10-4Torr的高工藝真空度，12小時(shí)抽氣后，干凈腔體中的壓力可達(dá)極限真空6x10-7 Torr；分子泵與工藝腔體采用直連設(shè)計(jì)方案，具有最佳的真空傳導(dǎo)率

5. 射頻電源：13.56MHz，300W，反射功率≤5W，配套自動(dòng)調(diào)諧器，穩(wěn)定輸出功率為95%

6. 控制系統(tǒng)：Lab View軟件控制；四級(jí)密碼授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)；壓力、流量、功率等主要參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)顯示；20”的監(jiān)控屏幕

7. 系統(tǒng)信息：26”×26”占地面積；鋁質(zhì)柜體；完全的安全聯(lián)鎖

8. 主要工藝參數(shù)

（1）應(yīng)用范圍：有機(jī)物刻蝕、硅的化合物刻蝕、光刻膠去膠等；

（2）工藝參數(shù)：4”片為例；

（3）刻蝕均勻性?xún)?yōu)于：+/-3%；

（4）Si3N4的刻蝕速率：≥50nm/min；

（5）對(duì)PR選擇比：≥1.5:1；

（6）陡直度：≥82°；

（7）SiO2的刻蝕速率：≥40nm/min；

（8）對(duì)PR選擇比：≥1.5:1；

（9）陡直度：≥85°。

Digital FluidFM User Conference 2020

    單細(xì)胞層次上的多組學(xué)研究方興未艾，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)、單細(xì)胞基因組學(xué)、單細(xì)胞代謝組學(xué)等技術(shù)手段頻出，讓研究人員得以揭示同一組織不同細(xì)胞之間的基因與蛋白質(zhì)表達(dá)差異。而傳統(tǒng)細(xì)胞組學(xué)提取過(guò)程需要物理、化學(xué)或生物手段對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破膜處理，易產(chǎn)生裂解碎片；傳統(tǒng)的單細(xì)胞內(nèi)容物提取使用玻璃微管注射法，操作復(fù)雜、玻璃微光注射針制備困難，且提取的樣本量往往只有幾個(gè)pL，樣本處理十分困難。

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