等离子表面处理机超低温等离子体蚀刻技术原理分析
等离子表面处理机超低温等离子体蚀刻技术原理分析：
大深宽比硅结构，如硅沟槽、硅通孔、硅椎体阵列以及氧化硅沟槽主要由以下两种等离子表面处理机蚀刻方法来实现:①博斯克(bosch)蚀刻工艺；②超低温蚀刻工艺。
等离子表面处理机bosch深度反应离子蚀刻( bosch deep reactive lon etching， bosch drie)工艺是在室温下发生的，利用c4f8气体等离子体产生保护层和sf6各向同性蚀刻交替作用，来产生各向异性的极大长宽比结构图形，在此工艺过程中产生的结构侧墙会有扇形皱褶。这种扇形皱褶就是由于在室温下sf6等离子体蚀刻所产生的横向蚀刻分量造成的。
在等离子表面处理机超低温深度反应离子蚀刻工艺中，运用o2连续等离子体蚀刻所产生的副产物保护层以及-100℃以下的sf6等离子体蚀刻来形成平整的大深宽比结构图形间隔。低温蚀刻工艺的主要机理是分别独立控制发生在硅沟槽底部和沟槽侧墙的蚀刻反应，并且通过改变阴极电压和降低硅材料晶圆衬底的温度，实现更高的硅蚀刻速率和更高的硅对光刻胶蚀刻选择比。
常温等离子体蚀刻过程中，存在着副产物以及高分子残留物附着在图形的侧墙上，从而阻挠进一步蚀刻的过程，同时这些副产物沉积在蚀刻腔体的内表面，影响了进一步反应的周边环境，从而使蚀刻速率随着反应时间发生改变，导致整个蚀刻过程极不稳定，甚至有可能产生蚀刻终止现象。所以在常温蚀刻过程中，不得不加人额外的等离子体清洁步骤。一般是用o2 等离子体清洁，目的是把副产物以及高分子残余物从蚀刻环境中去除。而对于等离子表面处理机超低温等离子体蚀刻来说，从根本原理上就克服了这个问题。在超低温蚀刻过程中，硅片或者图形化的硅衬底将会被冷却到约-100℃，然后应用sf6/o2等离子体蚀刻。一些含有sioxfy的无机副产物残留吸附并构成了图形侧墙的保护层，当反应升温至常温下之后，这些副产物会在离子轰击的条件下解除吸附。因此在等离子表面处理机蚀刻结束之后，图形侧墙和蚀刻腔侧壁会自清洁干净。另外，由于蚀刻和侧墙吸附保护的步骤同时进行，特征图形的侧墙会变得相当光滑。这种同时进行的蚀刻和保护步骤也会加快蚀刻进程。所以，这种在超低温条件下运用等离子表面处理机sf6/o2连续等离子体蚀刻硅基材的过程被称作标准超低温过程。
精准控制含sioxfy无机副产物构成图形侧墙的保护层将会是标准超低温蚀刻工艺中的关键步骤。首先是需要控制等离子表面处理机o2在sf6/o2连续等离子体中的含量，从而使副产物保护层既可以保护到图形侧墙，同时也可以使进一步的等离子体蚀刻发生在沟槽底部。
蚀刻速率比较显示，光刻胶以及氧化硅的蚀刻速率随着温度的降低而降低，特别是低于-100℃之后。 但是硅的蚀刻速率在温度低于-100℃时反而有一定增 加，从而显著增加了硅蚀刻对于氧化硅以及光刻胶的蚀刻选择比。进而在温度低于-100℃的条件下实现更加明显的各向异性的蚀刻特性。
因此可把等离子表面处理机等离子体蚀刻反应阴极温度低于-100℃作为超低温蚀刻的标准，并且可以作为后续工艺研发及优化的起始点。但是仅仅是低温工艺并不能保证很好的各向异性蚀刻特性，甚至在低于-120℃的等离子体蚀刻过程中。各向同性的现象也时有发生。 所以侧墙保护在减少横向蚀刻方面起到了重要的作用。只有在加入侧墙保护层生成气体氧气之后， 真正的各向异性蚀刻才可以达成。另外，有报道说在很多低温等离子体蚀刻过程中，等离子表面处理机离子轰击才是决定性因素，这主要是因为降低反应温度可以有效减慢表面化学反应。
等离子表面处理机低温反应中应用sf6/o2连续等离子体蚀刻硅基材的过程被称作标准超低温过程，从而来实现蚀刻和保护并行进行。保护层的大分子薄膜中主要含有sioxfy无机化合物。在等离子表面处理机等离子体蚀刻的工艺中，和含氟的高分子化合物保护层相比，sioxfy无机化合物薄膜更加难以蚀刻，从而在蚀刻过程中需要更高的离子轰击能量来清除硅沟槽底部的保护层，进而避免明显的横向蚀刻，可以形成更加垂直的蚀刻侧墙结构。虽然更高的离子轰击能量将会进一步增加光刻胶的蚀刻速率，但是在极低温度下(低于-100℃），光刻胶的蚀刻速率可以降低至几乎可以忽略不计，从而抵消增加轰击能量所带来的影响。 对于低温蚀刻来说，一个很重要的优点就是等离子表面处理机蚀刻后结构拥有非常低的侧墙表面粗糙度。
除改善蚀刻各向异性控制临界尺寸外，研究还发现等离子表面处理机超低温蚀刻工艺可有效改善微观均匀性并减小负载效应。在高温下，观测到对关键尺寸(cd)较大样品的蚀刻比对较小的蚀刻要慢(loading effect，负载效应）。此时，蚀刻速率将受蚀刻反应物向晶片表面传输能力的限制。在这种状态下，微观均匀性和宏观均匀性都很差。随着温度的下降，由于表面上形成含有半导体元素、蚀刻气体和剩余本底气体等残留物，结果蚀刻速率受到表面环境的限制。
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等离子表面处理机bosch深度反应离子蚀刻( bosch deep reactive lon etching， bosch drie)工艺是在室温下发生的，利用c4f8气体等离子体产生保护层和sf6各向同性蚀刻交替作用，来产生各向异性的极大长宽比结构图形，在此工艺过程中产生的结构侧墙会有扇形皱褶。这种扇形皱褶就是由于在室温下sf6等离子体蚀刻所产生的横向蚀刻分量造成的。
在等离子表面处理机超低温深度反应离子蚀刻工艺中，运用o2连续等离子体蚀刻所产生的副产物保护层以及-100℃以下的sf6等离子体蚀刻来形成平整的大深宽比结构图形间隔。低温蚀刻工艺的主要机理是分别独立控制发生在硅沟槽底部和沟槽侧墙的蚀刻反应，并且通过改变阴极电压和降低硅材料晶圆衬底的温度，实现更高的硅蚀刻速率和更高的硅对光刻胶蚀刻选择比。
常温等离子体蚀刻过程中，存在着副产物以及高分子残留物附着在图形的侧墙上，从而阻挠进一步蚀刻的过程，同时这些副产物沉积在蚀刻腔体的内表面，影响了进一步反应的周边环境，从而使蚀刻速率随着反应时间发生改变，导致整个蚀刻过程极不稳定，甚至有可能产生蚀刻终止现象。所以在常温蚀刻过程中，不得不加人额外的等离子体清洁步骤。一般是用o2 等离子体清洁，目的是把副产物以及高分子残余物从蚀刻环境中去除。而对于等离子表面处理机超低温等离子体蚀刻来说，从根本原理上就克服了这个问题。在超低温蚀刻过程中，硅片或者图形化的硅衬底将会被冷却到约-100℃，然后应用sf6/o2等离子体蚀刻。一些含有sioxfy的无机副产物残留吸附并构成了图形侧墙的保护层，当反应升温至常温下之后，这些副产物会在离子轰击的条件下解除吸附。因此在等离子表面处理机蚀刻结束之后，图形侧墙和蚀刻腔侧壁会自清洁干净。另外，由于蚀刻和侧墙吸附保护的步骤同时进行，特征图形的侧墙会变得相当光滑。这种同时进行的蚀刻和保护步骤也会加快蚀刻进程。所以，这种在超低温条件下运用等离子表面处理机sf6/o2连续等离子体蚀刻硅基材的过程被称作标准超低温过程。
精准控制含sioxfy无机副产物构成图形侧墙的保护层将会是标准超低温蚀刻工艺中的关键步骤。首先是需要控制等离子表面处理机o2在sf6/o2连续等离子体中的含量，从而使副产物保护层既可以保护到图形侧墙，同时也可以使进一步的等离子体蚀刻发生在沟槽底部。
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