從下圖中可以看出結(jié)合使用XeF2氣流和氯離子轟擊的刻蝕速率最高，明顯高于這兩種工藝單獨(dú)使用時(shí)的刻蝕速率總和。原因在于氯離子轟擊會(huì)打斷表面硅原子的化學(xué)鍵形成懸浮鍵。

表面上帶有懸浮鍵的硅原子比沒(méi)有斷裂的硅原子更易于和氟自由基形成四氟化硅。由于離子轟擊以垂直方向?yàn)橹鳎虼舜怪狈较虻目涛g速率比水平方向高，所以RIE具有非等向性刻蝕輪廓。

先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中，幾乎所有的圖形化刻蝕都是RIE過(guò)程。RIE的刻蝕速率和刻蝕選擇性可以控制，刻蝕輪廓是非等向性且可控的，下表給出了這三種刻蝕工藝的比較。

刻蝕工藝原理

等離子體刻蝕中，首先將刻蝕氣體注入真空反應(yīng)室。當(dāng)壓力穩(wěn)定后再利用射頻產(chǎn)生輝光放電等離子體。部分刻蝕劑受高速電子撞擊后將分解產(chǎn)生自由基，接著自由基擴(kuò)散到邊界層下的晶圓表面并被表面吸附。

在離子轟擊作用下，自由基很快和表面的原子或分子發(fā)生反應(yīng)而形成氣態(tài)的副產(chǎn)品。從晶圓表面脫附而岀的易揮發(fā)性副產(chǎn)品擴(kuò)散穿過(guò)邊界層進(jìn)入對(duì)流氣流中，并從反應(yīng)室中排出。整個(gè)等離子體刻蝕過(guò)程如下圖所示。

等離子體刻蝕由于具有等離子體的離子轟擊，所以能達(dá)到非等向性的刻蝕輪廓，非等向性原理有兩種:損傷機(jī)制和阻絕機(jī)制，這兩者都和離子轟擊有關(guān)。

對(duì)于損傷機(jī)制，有力的離子轟擊將打斷晶圓表面上原子之間的化學(xué)鍵，帶有懸浮鍵的原子就會(huì)受到刻蝕自由基的作用。這些原子容易和刻蝕劑的自由基產(chǎn)生化學(xué)鍵而形成揮發(fā)性的副產(chǎn)品，并從表面移除掉。由于離子轟擊的方向垂直于晶圓表面，因此垂直方向的刻蝕速率遠(yuǎn)高于水平方向，所以等離子體刻蝕能形成非等向性的刻蝕輪廓。釆用損傷機(jī)理刻蝕是一種接近于物理刻蝕的RIE工藝。下圖顯示了非等向性刻蝕的損傷機(jī)理。

電介質(zhì)刻蝕包括二氧化硅、氮化硅和低左介質(zhì)層刻蝕，是傾向于物理刻蝕的RIE技術(shù)。使用損傷機(jī)制的刻蝕如果要增強(qiáng)非等向性輪廓就必須增加離子轟擊。低壓和高射頻采用重離子轟擊，能夠得到接近理想的垂直刻蝕輪廓。然而此舉會(huì)使等離子體造成器件的損壞，尤其對(duì)于多晶硅柵刻蝕，因此一般常選擇另一種離子轟擊較少的非等向性刻蝕機(jī)制。

當(dāng)發(fā)展單晶硅刻蝕時(shí)，在進(jìn)行硅刻蝕之前，沒(méi)有將二氧化硅硬遮蔽層圖形化的光刻膠去除（一般要求硅刻蝕之前先去光刻膠以避免污染），接著刻蝕的結(jié)果導(dǎo)致了另一種非等向性刻蝕機(jī)制，這就是阻擋機(jī)制。在等離子體刻蝕工藝中，離子轟擊會(huì)濺鍍一些光刻膠進(jìn)入空洞中。當(dāng)光刻膠沉積在側(cè)壁時(shí)就阻擋側(cè)壁方向的刻蝕，沉積在底層的光刻膠會(huì)逐漸被等離子體的離子轟擊移除，所以使底部的晶圓表面暴露在刻蝕劑中，因此這種刻蝕過(guò)程以垂直方向?yàn)橹鳎ㄒ娤聢D）。

這種刻蝕很長(zhǎng)時(shí)間被用來(lái)發(fā)展各種非等向性刻蝕技術(shù)，如非等向性刻蝕中所產(chǎn)生的化學(xué)沉積物將會(huì)保護(hù)側(cè)壁，并且阻擋水平方向的刻蝕。使用阻擋機(jī)制的刻蝕所需的離子轟擊比使用損傷機(jī)制少，從而可以達(dá)到非等向刻蝕的目的。單晶硅刻蝕、多晶硅刻蝕和金屬刻蝕一般都釆用這種機(jī)制，它們屬于接近化學(xué)刻蝕的RIE過(guò)程。對(duì)于側(cè)壁的沉積物則需要通過(guò)干法/濕法清洗，或者二者并用的清洗方式來(lái)處理。

審核編輯：劉清