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反应离子刻蚀

概述：

反应离子腐蚀技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术。它是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时离子还可清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表面的作用。主要用于Si、SiO2、SiNx、半导体材料、聚合物、金属的刻蚀以及光刻胶的去除等，广泛应用于物理，生物，化学，材料，电子等领域。

工作原理：

通常情况下，反应离子刻蚀机的整个真空壁接地, 作为阳极, 阴极是功率电极, 阴极侧面的接地屏蔽罩可防止功率电极受到溅射。要腐蚀的基片放在功率电极上。腐蚀气体按照一定的工作压力和搭配比例充满整个反应室。对反应腔中的腐蚀气体, 加上大于气体击穿临界值的高频电场, 在强电场作用下, 被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行随机碰撞, 当电子能量大到一定程度时, 随机碰撞变为非弹性碰撞, 产生二次电子发射, 它们又进一步与气体分子碰撞, 不断激发或电离气体分子。这种激烈碰撞引起电离和复合。当电子的产生和消失过程达到平衡时, 放电能继续不断地维持下去。由非弹性碰撞产生的离子、电子及及游离基(游离态的原子、分子或原子团) 也称为等离子体, 具有很强的化学活性, 可与被刻蚀样品表面的原子起化学反应, 形成挥发性物质, 达到腐蚀样品表层的目的。同时, 由于阴极附近的电场方向垂直于阴极表面, 高能离子在一定的工作压力下, 垂直地射向样品表面, 进行物理轰击, 使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性。所以，反应离子刻蚀包括物理和化学刻蚀两者的结合。

刻蚀气体的选择

对于多晶硅栅电极的刻蚀，腐蚀气体可用Cl2或SF6，要求对其下层的栅氧化膜具有高的选择比。刻蚀单晶硅的腐蚀气体可用Cl2/SF6或SiCl4/Cl2；刻蚀SiO2的腐蚀气体可用CHF3或CF4/H2；刻蚀Si3N4的腐蚀气体可用CF4/O2、SF6/O2或CH2F2/CHF3/O2；刻蚀Al（或Al-Si-Cu合金）的腐蚀气体可用Cl2、BCl3或SiCl4；刻蚀W的腐蚀气体可用SF6或CF4；刻蚀光刻胶的腐蚀气体可用氧气。

对于石英材料, 可选择气体种类较多, 比如CF4、CF4+ H2、CHF3 等。我们选用CHF3 气体作为石英的腐蚀气体。其反应过程可表示为：CHF3 + e——CHF+2 + F (游离基) + 2e，SiO 2 + 4F SiF4 (气体) + O 2 (气体)。SiO 2 分解出来的氧离子在高压下与CHF+2 基团反应， 生成CO ↑、CO 2↑、H2O ↑、O F↑等多种挥发性气体。

对于锗材料、选用含F 的气体是十分有效的。然而, 当气体成份中含有氢时, 刻蚀将受到严重阻碍, 这是因为氢可以和氟原子结合, 形成稳定的HF, 这种双原子HF 是不参与腐蚀的。实验证明, SF6 气体对Ge 有很好的腐蚀作用。反应过程可表示为：SF6 + e——SF+5 + F (游离基) + 2e，Ge + 4F——GeF4 (挥发性气体)   。

设备：

典型的（平行板）RIE系统包括圆柱形真空室，晶片盘位于室的底部。晶片盘与腔室的其余部分电隔离。气体通过腔室顶部的小入口进入，并通过底部离开真空泵系统。所用气体的类型和数量取决于蚀刻工艺;例如，六氟化硫通常用于蚀刻硅。通过调节气体流速和/或调节排气孔，气体压力通常保持在几毫托和几百毫托之间的范围内。

存在其他类型的RIE系统，包括电感耦合等离子体（ICP）RIE。在这种类型的系统中，利用RF供电的磁场产生等离子体。虽然蚀刻轮廓倾向于更加各向同性，但可以实现非常高的等离子体密度。

平行板和电感耦合等离子体RIE的组合是可能的。在该系统中，ICP被用作高密度离子源，其增加了蚀刻速率，而单独的RF偏压被施加到衬底（硅晶片）以在衬底附近产生定向电场以实现更多的各向异性蚀刻轮廓。

操作方法：

通过向晶片盘片施加强RF（射频）电磁场，在系统中启动等离子体。该场通常设定为13.56兆赫兹的频率，施加在几百瓦特。振荡电场通过剥离电子来电离气体分子，从而产生等离子体 。

在场的每个循环中，电子在室中上下电加速，有时撞击室的上壁和晶片盘。同时，响应于RF电场，更大质量的离子移动相对较少。当电子被吸收到腔室壁中时，它们被简单地送到地面并且不会改变系统的电子状态。然而，沉积在晶片盘片上的电子由于其DC隔离而导致盘片积聚电荷。这种电荷积聚在盘片上产生大的负电压，通常约为几百伏。由于与自由电子相比较高的正离子浓度，等离子体本身产生略微正电荷。

由于大的电压差，正离子倾向于朝向晶片盘漂移，在晶片盘中它们与待蚀刻的样品碰撞。离子与样品表面上的材料发生化学反应，但也可以通过转移一些动能来敲除（溅射）某些材料。由于反应离子的大部分垂直传递，反应离子蚀刻可以产生非常各向异性的蚀刻轮廓，这与湿化学蚀刻的典型各向同性轮廓形成对比。

RIE系统中的蚀刻条件很大程度上取决于许多工艺参数，例如压力，气体流量和RF功率。 RIE的改进版本是深反应离子蚀刻，用于挖掘深部特征。

反应离子刻蚀机是一款独立式RIE反应离子刻蚀系统，配套有淋浴头气体分布装置以及水冷RF样品。具有不锈钢柜子以及13"的上盖式圆柱形铝腔，便于晶圆片装载.腔体有两个端口：一个带有2"的视窗,另一个空置用于诊断。反应离子刻蚀机可以支持zui大到12"的晶圆片。腔体为超净设计，并且根据配套的真空泵可以达到10-6 Torr 或更小的极限真空。反应离子刻蚀机系统可以在20mTorr到8Torr之间的真空下工作。真空泵组包含一个节流阀，一个250l/s的涡轮分子泵，滤网过滤器，以及一个10cfm的机械泵(带Formblin泵油)。RF射频功率通过600W，13.56MHz的电源和自动调谐器提供。系统将持续监控直流自偏压，该自偏压可以高达-500V，这对于各向异性的刻蚀至关重要。

反应离子刻蚀机是基于PC控制的全自动系统。系统真空压力及DC直流偏压将以图形格式实时显示，流量及功率则以数字形式实时显示。系统提供密码保护的四级访问功能:操作员级、工程师级、工艺人员级，以及维护人员级。允许半自动模式(工程师模式)、写程序模式(工艺模式)，和全自动执行程序模式(操作模式)运行系统。基于全自动的控制，该系统具有高度的可重复性。
   
反应离子刻蚀机检验操作及判断
    1. 确认万用表工作正常，量程置于200mV。
    2.冷探针连接电压表的正电极，热探针与电压表的负极相连。
    3.用冷、热探针接触硅片一个边沿不相连的两个点，电压表显示这两点间的电压为正值，说明导电类型为P 型，刻蚀合格。相同的方法检测另外三个边沿的导电类型是否为P型。
    4.如果经过检验，任何一个边沿没有刻蚀合格，则这一批硅片需要重新装片，进行刻蚀。

广西师范大学RIE反应离子刻蚀机顺利验收

近日，NANO-MASTER工程师至广西师范大学，顺利安装验收NRE-3000型RIE反应离子刻蚀系统！

详细参数：

1.  腔体：10”直径的圆柱形腔体；阳极氧化铝材质，抗腐蚀性强；上下盖设计，气动升降顶盖，一键实现上盖的开启/闭合；淋浴头设计，最佳的气流均匀分布

2. 样品台：4”样品台；冷却功能；偏压功能，支持各向异性的垂直刻蚀；

3. 质量流量控制器：4路气体，每路包含MFC、气动截止阀和不锈钢管路气体

4. 真空系统：分子泵与机械泵，4分钟内可达10-4Torr的高工艺真空度，12小时抽气后，干净腔体中的压力可达极限真空6x10-7 Torr；分子泵与工艺腔体采用直连设计方案，具有最佳的真空传导率

5. 射频电源：13.56MHz，300W，反射功率≤5W，配套自动调谐器，稳定输出功率为95%

6. 控制系统：Lab View软件控制；四级密码授权访问；压力、流量、功率等主要参数指标实时显示；20”的监控屏幕

7. 系统信息：26”×26”占地面积；铝质柜体；完全的安全联锁

8. 主要工艺参数

（1）应用范围：有机物刻蚀、硅的化合物刻蚀、光刻胶去胶等；

（2）工艺参数：4”片为例；

（3）刻蚀均匀性优于：+/-3%；

（4）Si3N4的刻蚀速率：≥50nm/min；

（5）对PR选择比：≥1.5:1；

（6）陡直度：≥82°；

（7）SiO2的刻蚀速率：≥40nm/min；

（8）对PR选择比：≥1.5:1；

（9）陡直度：≥85°。

Digital FluidFM User Conference 2020

    单细胞层次上的多组学研究方兴未艾，单细胞转录组学、单细胞基因组学、单细胞代谢组学等技术手段频出，让研究人员得以揭示同一组织不同细胞之间的基因与蛋白质表达差异。而传统细胞组学提取过程需要物理、化学或生物手段对细胞进行破膜处理，易产生裂解碎片；传统的单细胞内容物提取使用玻璃微管注射法，操作复杂、玻璃微光注射针制备困难，且提取的样本量往往只有几个pL，样本处理十分困难。

    FluidFM BOT是瑞士科技公司Cytosurge开发的单细胞显微操作平台，它独有的微型纳米注射器以及液体微流控技术使得FluidFM BOT可以轻松实现对单细胞内容物的自动化无损提取，操作方便，样本品质高。同时FluidFM BOT单细胞显微操作系统还可以实现对单个细胞进行注射、分离，单细胞粘附力测定、3D打印等诸多功能。为了更好地了解这一技术，全世界各地使用FluidFM 技术的科研工作者们将于2020年9月16日15:30—18:00（北京时间）汇聚一堂，一起讨论并分享FluidFM 技术的使用经验，交流近期科研成果。我们诚挚的邀请您莅临参加FluidFM BOT的用户研讨会。

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