在半导体制造中，干法蚀刻是一种重要的工艺，用于去除硅片表面不需要的材料。干法蚀刻主要依赖于等离子体技术，它利用气体在高频电场的激发下形成等离子体，从而实现材料的去除。下面是干法蚀刻的几种主要类型及其工作原理的详细说明。
干法蚀刻概述
在干法蚀刻过程中，气体通常在1到100pa的压力下被高频电场或磁场激发，形成等离子体。等离子体中的粒子平均自由程从几毫米到几厘米不等，这决定了它们与硅片表面相互作用的方式。
主要类型的干法蚀刻
1.离子束蚀刻 (IBE)
离子束蚀刻是一种类似于溅射的工艺，它利用氩气 (Ar) 被电离后释放出的氩离子撞击晶圆表面。在这个过程中，氩离子通过电场加速，并以一定的动能撞击晶圆表面，逐个原子地去除材料。这种蚀刻方式完全依赖于离子的动能来实现材料的去除，因此属于物理过程。物理性质的优点是激励波明显分离加速并且具有较强的定向性，这使得蚀刻轮廓清晰且具有良好的宽度和高各向异性。然而，由于纯物理冲击会导致暴露在等离子体中的金属涂层也被蚀刻，因此选择性比较差。另外，由于受冲击的材料通常是固体颗粒，这些颗粒可能会沉积在蚀刻膜的表面和侧壁上，导致膜下的材料表面出现污染。
2.等离子刻蚀 (PE)
等离子体蚀刻是一种完全基于化学反应的过程。在蚀刻过程中，等离子体中的活性分子或自由基与材料表面发生化学反应，生成挥发性副产物，这些副产物随后被排出蚀刻室。这种蚀刻方式的优点包括良好的选择性比率、各向同性的蚀刻以及相对较低的成本。与湿法蚀刻类似，纯化学反应蚀刻能够实现较好的选择性，但蚀刻轮廓通常是各向同性的。
3.反应离子蚀刻 (RIE)
反应离子蚀刻是一种结合了物理和化学过程的蚀刻工艺。在蚀刻室内，晶圆放置在一个高频电极上，通过碰撞电离产生等离子体。自由电子被吸引到电极上，而带正电的离子则被吸引到晶圆表面。这些离子与化学反应产生的自由基一起去除材料。反应离子蚀刻的特点在于其高选择性，因为它可以蚀刻化学反应性物质。
此外，它还具有两个主要优点：首先，刻蚀膜中的分子键被粘合或断裂，使蚀刻速度更容易提高；其次，沉积在刻蚀膜上的聚合物和反应产物被蚀刻下来，使等离子体扩散回刻蚀膜中进行化学反应。这些再次沉淀的聚合物或化学反应产物不仅出现在被蚀刻的薄层上，还会在整个硅片上沉积，这样就可以在覆膜的侧壁上形成一层保护性的钝化层，防止侧壁进一步被蚀刻，从而提供各向异性蚀刻的效果。
反应离子蚀刻的机制包括：
进入蚀刻室的反应气体通过辉光放电排出，形成一组化学活性等离子体分子。
这些等离子体分子扩散并吸附到膜层中，被膜中的电场加速并撞击膜的表面层。
分子的输入能量通常较小（小于 1 keV），对膜的影响深度通常不超过 20 纳米。
膜表面吸收离子的动能，促进化学反应的发生，产生的物质随后与残余气体结合并被排出。
每个反应点都有一个入射的离子质量，它加速了最基本反应的速率，从而将能量转移到吸附在膜层上的各种自由基，增加了蚀刻速率的选择性。
在离子入射区，化学反应和物理侵蚀之间具有高选择性比率。
为了改善各向异性蚀刻，正离子束的辐射水平必须高于基态。基本模型的速度随温度降低而降低，因此这种过程被称为低温蚀刻过程。通过调整工艺参数，比如不同刻蚀气体比列，可以控制各向同性和各向异性蚀刻的比例，以适应不同的应用需求。
通过这些不同的干法蚀刻技术，芯片制造可以根据具体的需求选择最适合的蚀刻方法，以实现所需的结构和特性。
