MEMS科普 |微机械加工中的干法刻蚀（二）：等离子体刻蚀——物理与化学的精密协奏

在MEMS微结构的成形工艺中，等离子体刻蚀是最核心的图形转移工具。从惯性传感器的深硅槽到微流控芯片的流道结构，从硅通孔（TSV）到光栅波导，等离子体刻蚀通过物理轰击与化学反应的协同作用，在微观尺度上实现原子级精度的材料去除。

一、刻蚀的类型总结

1. 物理刻蚀：方向性的来源

物理刻蚀（溅射刻蚀）属于高能离子轰击下的动量传递过程。在高负偏压条件下，等离子体中的正离子在鞘层电场加速下垂直轰击材料表面，当离子能量足够高时，表面原子被直接“击出”晶格。离子轰击方向基本垂直于衬底，因此能够形成优异的各向异性结构。然而，纯物理溅射的缺陷同样显著：材料去除依赖机械动量而非化学反应，掩模与衬底会同步被去除，缺乏材料选择性；同时，高能离子轰击会造成晶格损伤、位错及界面非晶化等问题。因此，纯物理刻蚀在先进器件加工中已较少单独使用。

2. 化学刻蚀：选择性的来源

纯化学刻蚀中，等离子体的主要作用是生成高反应活性的自由基。例如在CF4等离子体中，电子与CF4分子碰撞后解离出活性氟原子，与硅反应生成易挥发的SiF4并被抽离反应腔。由于化学自由基能够在所有暴露表面均匀扩散，该类刻蚀具有较高选择性，但方向性较差——侧壁与底部会同时被刻蚀，容易出现横向底切现象。这一机制在需要低损伤、低应力及高选择性的工艺场景中仍有价值，如牺牲层去除与表面清洗。

3. 离子增强刻蚀：现代干法刻蚀的核心

真正推动现代等离子体刻蚀发展的，是离子增强刻蚀机制的建立。这一机制并非物理轰击与化学腐蚀的简单叠加，而是两者之间的协同耦合：

高能离子首先轰击衬底表面，打断局部原子键、移除钝化层，使材料表面进入高反应态；随后，化学自由基与活化表面快速反应，生成挥发性产物实现材料去除。这一机制的最大优势在于同时兼顾方向性与选择性。离子轰击集中于水平表面，底部反应活性显著增强；而侧壁几乎不承受离子轰击，化学反应速率大幅降低，从而形成优异的各向异性结构。现代硅刻蚀、介质层刻蚀与多晶硅栅极加工，大多建立在这一机制之上。

二、干法刻蚀设备、工艺原理和工艺能力

干法刻蚀目前以RIE及ICP模式使用较为普遍，两种均属于平行电极板的刻蚀，能量均采用射频功率。除了RIE及ICP 机台，MEMS最常用到的还有DRIE模式。

1.干法刻蚀设备的基本组成

一般干法刻蚀设备通常包括6个部分，如图所示。

1）工艺腔室

工艺腔室是刻蚀工艺进行的空间，要求具有较好的洁净度和较高的真空度。

2）真空模块

主要有传送（Loadlock）泵、主机械泵和分子泵。Loadlock泵用于Loadlock腔室的抽真空，实现晶圆从大气压状态到低真空状态的过渡；主机械泵是分子泵的前级泵，用于抽工艺腔室（chamber）的低真空；分子泵用于抽工艺室的高真空，确保工艺所需的真空值。

3）射频源模块

包括上电极射频源和下电极射频源。上电极射频源是一个螺旋感应线圈，连接功率为13.56MHz的射频电源，在电场作用下使刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。下电极板提供能量产生自偏压，使等离子体中的离子产生向下轰击的力，实现对晶圆的离子轰击，从而可得到垂直的侧壁。

4）工艺气体模块

根据工艺需要往刻蚀工艺腔室内充一些反应气体，比如SF6、C4F8、N2、Ar、O2等。反应气体在射频源作用下产生高密度等离子体，等离子体在电场作用下实现对晶圆的刻蚀。

5）冷却模块

刻蚀工艺需要保证晶圆在刻蚀过程中处于较低的温度，防止因高能量离子轰击而损伤晶圆器件。刻蚀设备的冷却系统主要为冷水机（Chiller），用于冷却工艺室的下电极。

6）尾气处理模块

刻蚀反应后的尾气具有较高的腐蚀性和毒性，在排放前需要进行尾气处理工作，对尾气进行高温燃烧或过滤网过滤，降低尾气的腐蚀性和毒性。

2.电感耦合等离子体刻蚀机

电感耦合等离子体（ICP）设备是一种非金属材料刻蚀机，该设备能够实现二氧化硅、氮化硅和硅材料的图形化，具有较高的选择比和刻蚀速率。

Si刻蚀是MEMS中一项必不可少的工序。MEMS工艺最常用到的电感耦合等离子体 ICP(Inductively Coupled Plasma）模式。ICP 上电极是一个螺旋感应线圈，连接频率为13.56MHz的射频电源来产生等离子体，感应线圈将电场与磁场集中，等离子体中电子受磁力作用而做螺旋运动，电子的平均自由程增加可使之获得较高的加速电压，这使得有效碰撞频率增加，离子解离率也因而大幅度增加，ICP模式下的离子密度可比一般解离等离子体高约10~100倍。另外，如果要获得化学和物理刻蚀，可以在下电极装产生偏置的射频发生器（一般频率小于13.56MHz），可利用控制射频功率的大小来控制偏置电压，进而控制离子轰击能量。这种用上电极感应线圈控制离子解离浓度，下电极控制离子轰击能量的方法，使得刻蚀效果可达到极为优良的控制，其所能运用的范围也更加宽广，缺点在于等离子体不容易匹配，设备多元性也容易造成维护上的困难。

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