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RIE,全稱是ReactiveIonEtching,即反應(yīng)離子刻蝕,它是一種微電子干法腐蝕工藝(也即一種常見(jiàn)的干法刻蝕)。其刻蝕反應(yīng)的基本原理為,反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)腔室內(nèi)部,平板電極集成在反應(yīng)腔室上下兩端,在電極之間施加10~100MHZ的高頻電壓(一般情況下頻率穩(wěn)定,輸出功率可調(diào))時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)百微米厚的離子層,由離子高速撞擊反應(yīng)腔室內(nèi)試樣而完成反應(yīng)蝕刻,稱作為RIE(Reactive Ion Etching)?；诜磻?yīng)離子刻蝕原理制造的裝備系統(tǒng)在納米圖形制作、材料表面清洗方面有著廣泛的應(yīng)用。針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域,刻蝕機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能部件都會(huì)呈現(xiàn)出不同的組成方式。從設(shè)備組成方式上而言,作為半導(dǎo)體專用設(shè)備,各類反應(yīng)離子刻蝕機(jī)功能組成的基本結(jié)構(gòu)類似,但依據(jù)不同的應(yīng)用層面,設(shè)備會(huì)有不同的系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)方式,其中就包括工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究專用設(shè)備等幾個(gè)方面的內(nèi)容。

RIE設(shè)備即反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備在工程應(yīng)用中較為廣泛,由于其設(shè)備成本相對(duì)于高密度等離子體裝備而言投入較低,因此針對(duì)一般性的刻蝕速率要求,設(shè)備發(fā)揮著重要作用。RIE反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。我們將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖2的幾部分控制結(jié)構(gòu)。

圖1 RIE反應(yīng)離子刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 RIE反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1. 氣體供給、流量控制兩部分模塊完成RIE設(shè)備氣體供給和流量控制工作,配合相關(guān)管路組成氣路系統(tǒng)。

氣體源提供工藝實(shí)驗(yàn)所需工藝氣體,常用工藝氣體有O2、Ar、CHF3、CF4等;流量控制模塊又由質(zhì)量流量計(jì)及相關(guān)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)組成。工藝氣體流經(jīng)流量計(jì),通過(guò)對(duì)流量計(jì)設(shè)定流量大小來(lái)獲得穩(wěn)定的流量預(yù)設(shè)值以供腔室內(nèi)部使用;而氣體管路正是連接著氣體源、流量控制模塊及腔室等工藝氣體流經(jīng)的部分。每一路流經(jīng)腔室的氣體由以上三部分進(jìn)行合作、連通、控制。

在應(yīng)用當(dāng)中依據(jù)不同的設(shè)備要求,氣路的種類和數(shù)量會(huì)有所增減。

2. 狀態(tài)檢測(cè)模塊包含真空開(kāi)關(guān)、閥限位信號(hào)、終點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)等部分,用于完成設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)工作。

真空開(kāi)關(guān)檢測(cè)設(shè)備腔室當(dāng)前工作條件是否變化;閥限位信號(hào)反應(yīng)設(shè)備當(dāng)中的閥當(dāng)前開(kāi)或關(guān)的狀態(tài);終點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)一般需要添加相關(guān)終點(diǎn)檢測(cè)裝置以提供刻蝕終點(diǎn)檢測(cè)。這幾種檢測(cè)信號(hào)將當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋給實(shí)驗(yàn)操作人員,以供進(jìn)行設(shè)備下一步操作。抑或由設(shè)備根據(jù)軟件預(yù)設(shè)進(jìn)行下一步動(dòng)作。

除了傳感器反饋的當(dāng)前狀態(tài)外,在設(shè)備當(dāng)中會(huì)依據(jù)不同需求對(duì)狀態(tài)檢測(cè)進(jìn)行相應(yīng)的模塊調(diào)整和選擇。

在未安裝終點(diǎn)檢測(cè)裝置的等離子體設(shè)備當(dāng)中,人們只能憑借經(jīng)驗(yàn)或試樣來(lái)估計(jì)產(chǎn)品刻蝕的終點(diǎn)。然而這種情況下不能保證刻蝕過(guò)程中的線條尺寸和襯底的過(guò)刻。

3. 壓力控制模塊由真空規(guī)、真空泵、氣動(dòng)閥及抽氣管路等組成。氣動(dòng)閥作用于真空規(guī)和腔室之間用于選擇在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間打開(kāi),以備真空規(guī)進(jìn)行腔室真空度的監(jiān)測(cè)。氣動(dòng)閥同時(shí)也作用于腔室與真空泵之間,用于選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定是否進(jìn)行抽真空。

在RIE設(shè)備工作過(guò)程中通常要求達(dá)到工藝實(shí)驗(yàn)所需低真空環(huán)境,考慮到不同的本底真空要求,需要添加不同的抽真空裝置,例如利用高真空所需分子泵或以機(jī)械泵、羅茨泵等泵組完成真空抽氣系統(tǒng)的搭建。有時(shí)可調(diào)節(jié)腔室抽氣閥門(mén)的開(kāi)度,可利用插板閥和抽氣管路的配合對(duì)腔室抽真空速率做進(jìn)一步細(xì)調(diào)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔室真空壓力并依據(jù)不同的真空壓力進(jìn)行抽真空動(dòng)作就成為一種經(jīng)常性的動(dòng)作。壓力控制主要對(duì)反應(yīng)腔室的內(nèi)部真空進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)配合不同流量大小的通入來(lái)達(dá)到所需壓力條件,在射頻開(kāi)啟時(shí)進(jìn)一步有效控制反應(yīng)腔室內(nèi)部等離子體濃度,進(jìn)而影響工藝實(shí)驗(yàn)。

4. 射頻模塊由射頻電源、匹配器和射頻輸出線纜等配件組成[30]。隨著應(yīng)用的進(jìn)步射頻電源與匹配器的一體機(jī)也在逐漸的應(yīng)用當(dāng)中。幾者配合工作用于產(chǎn)生射頻功率輸出并依據(jù)自動(dòng)匹配或者手動(dòng)匹配的控制方式將輸出的功率有效耦合進(jìn)腔室內(nèi)部,產(chǎn)生等離子體進(jìn)行刻蝕相關(guān)工藝。

5. 應(yīng)用中一般選擇工作頻率在13.56MHZ的射頻電源,射頻輸出功率可在零到幾百瓦功率大小的范圍內(nèi)選取。

6. RIE設(shè)備的反應(yīng)腔室部分是刻蝕工藝進(jìn)行的環(huán)境,由腔體及電極系統(tǒng)組成。其中電極系統(tǒng)又包括載片臺(tái)、水冷系統(tǒng)、勻氣盤(pán)和射頻輸入接頭等部件。

工藝實(shí)驗(yàn)中將需要刻蝕的硅片放于載片臺(tái),水冷系統(tǒng)用于冷卻載片臺(tái)溫度,接入的工藝氣體通過(guò)勻氣盤(pán)的作用下均勻進(jìn)入,再將射頻接頭與腔室內(nèi)部電極有效連接。由此組成了RIE腔室內(nèi)部基本環(huán)境。

以上的五個(gè)部分就是RIE反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)通過(guò)各個(gè)部分的配合才能有效的完成相關(guān)刻蝕工藝,達(dá)到刻蝕目標(biāo)。