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硅刻蚀工艺是集成电路及微机电系统（MEMS）工艺中最为重要的工艺之一［1］。其中，不同于湿法刻蚀技术［2］，以深反应离子（DRIE）为代表的干法腐蚀技术广泛用于多晶硅、氮化硅、二氧化硅薄膜等材料的刻蚀［3–4］。DRIE的刻蚀深度可达数百微米，且可以在开口很小的情况下刻蚀得到很高的深宽比，同时保持侧壁的陡直性［5］。干法刻蚀主要有BOSCH工艺、低温刻蚀和混合气体刻蚀3类。BOSCH工艺使用SF6和C4F8交替通入反应室内，可以得到近乎垂直的侧壁和较高的深宽比［6］。但由于BOSCH工艺是交替进行，会使得刻蚀后的侧壁呈现波纹状，这对某些器件而言是致命性的缺陷［7］。低温刻蚀工艺相比较于BOSCH工艺可以降低侧壁粗糙度，同时会极大的提高选择比［8］。但是低温工艺同样有其缺陷，使用低温装置会使设备的构造更复杂、提高成本、引入冷凝杂质。
混合气体刻蚀工艺拥有工艺步骤简单、应用多样化等优势。本文研究了在室温下使用SF6，C4F8和O2混合气体对硅进行刻蚀，考察了不同气体组合、工艺参数对刻蚀速率、刻蚀轮廓、选择比和粗糙度的影响。
本文实验使用的是麻省理工学院（MIT）开发的基于微桌面系统下的深硅刻蚀设备［9］。不同于传统的大型刻蚀设备，该设备可用来加工特征尺寸为1英寸（1英寸=2.54 cm）的硅片，这使其在研究开发与小规模生产上具有优势。其相较于传统集成电路封装（ICP）设备更灵活，拥有更多的可调节参数，具有改变气体喷头、线圈、基板之间的间距等功能。
实验中使用正胶AZ P4620作为掩膜，匀胶转速为2500 r·min−1，胶厚约10 μm，光刻显影后将样品放入刻蚀设备中分别以SF6/O2，SF6/C4F8和SF6/O2/C4F8这3组刻蚀气体进行刻蚀工艺实验研究。
在使用SF6刻蚀硅时引入少量氧气有两个主要影响［10］。首先，氧气在提高等离子体产生的氟自由基浓度时起催化作用。由于氟自由基是SF6刻蚀工艺的主要参与者，因此增加氟自由基会得到更高的刻蚀速率。图1是在室温下，SF6混合O2的刻蚀情况。由图1可以看出，随着氧气含量的增加，刻蚀速率是在不断增大的，在氧气含量达到36％左右时，刻蚀速率达到了最大。这时，继续增加氧气的含量，刻蚀速率不增反减，这说明氧气对刻蚀有促进效果，但过多O2会对刻蚀速率产生抑制的作用。
从图1也可以看出刻蚀速率并不是随着压强的增大而呈线性增加，而是有一个最佳的点。反应离子刻蚀一般都在低气压条件下工作，如图中所示，刻蚀在4.7 Pa的气压下获得了最大的刻蚀速率，无论高于还是低于这个气压都会使刻蚀速率降低。所以反应离子刻蚀存在一个最佳工作气压，在这一气压可获得最高刻蚀速率。
在使用SF6刻蚀硅时引入少量氧气的第二个影响是氧与游离的氟自由基和硅表面反应会形成聚合物SixOyFz。这种聚合物会有效钝化硅表面，如果任由这些化合物的生成，它将通过阻止氟自由基接触裸露的硅表面来延缓蚀刻速率。这些生成的聚合物只能通过在蚀刻期间产生的离子轰击来去除。离子轰击的方向性意味着在蚀刻产生的沟槽的侧壁上形成的聚合物会以比沟槽底部更低的速率去除。这种现象如果与来自氟自由基的蚀刻速率适当地平衡，可以用来制造各向异性的蚀刻轮廓。
如果两种机制不能平衡，蚀刻形貌可能会表现为增大的横向蚀刻和各向同性的刻蚀轮廓，底面粗糙度也会不断增大。当蚀刻表面积聚微尺度的材料沉积物时，该沉积材料会成为阻止在沉积物区域下方进一步蚀刻的掩膜［11］。这种微掩膜可能由蚀刻过程中的掩膜材料的溅射和再沉积引起，也可能由钝化的SixOyFz分子聚集的小岛形成，甚至可能简单地是由于基底表面不干净造成的［12］。由表1可以看出在氧气含量为20%~33.3%之间时，刻蚀为平衡状态，因此形貌表现出各向异性刻蚀。低于20%时，SF6起主要作用，生成的SixOyFz不足以影响到SF6的刻蚀效果。含量高于33.3％时，刻蚀处于不平衡的状态，因此形貌呈现为各向同性。
因为BOSCH工艺在刻蚀过程中会造成侧壁上的扇形剖面，如果使用这种工艺制造硅通孔（TSV），它们会在随后的金属填充过程中产生空洞和缺陷，导致设备的物理和电气故障。所以有研究者提出能不能同时通入SF6和C4F8，让刻蚀达到动态平衡，改善这种情况［13］。
SF6/C4F8等离子体中的化学反应远比纯SF6或C4F8等离子体中的反应要复杂的多。可是，至今为止无论是理论模拟还是实验都无法确切说明其中发生了哪些化学反应。但是通过观测氟的正离子、负离子及氟自由基的密度变化，可以推测出C4F8分解出的CxFy会影响SF6分子的分解进而影响等离子体中氟的化学平衡。若氟自由基的数量减少，会降低刻蚀速率。表2也证明了这点，随着C4F8流量的增加，刻蚀速率急剧下降。
在研究SF6/C4F8等离子体刻蚀对于形貌的控制时，出现了如图2（a）中上宽下窄，且有较大开口的形貌。可以推测，造成沟槽顶部粗糙和开口形貌与蚀刻剖面顶部存在较大的扩散离子轰击以及表面沉积不足有关。随着刻蚀深度的增加，在剖面侧壁上会有一个正离子溅射、氟自由基反应和沉积形成平衡的位置。该位置上方的侧壁以蚀刻为主，该位置下方的侧壁以钝化为主。这也是侧壁逐渐倾斜的原因。图2（a~c）分别为样品在6.00，5.33和4.67 Pa压强下硅的刻蚀截面轮廓形貌图，从图中看出，随着压强的减小，侧壁的垂直度越来越高。
另一方面，随着刻蚀深度的增加，离子和蚀刻自由基的耗竭，可能无法继续得到垂直的侧壁。 自由基和离子的损耗机制是不同的，自由基的损耗是由克努森输运和表面反应决定的，离子的损耗是由初始角分布向侧壁散射和偏转造成的，因此偏压功率很可能也是一个影响沟槽形貌的重要因素［14］。如图2（d~f）分别是在偏压功率为0，3和5 W的情况下的刻蚀剖面图。从图中可以看出在偏压功率增大时，沟槽侧壁更加垂直，说明偏置电压越高，离子角分布越紧。而刻蚀速率作为偏置电压的函数的增大几乎是线性的，这是由于氟的正离子被加速轰击沟槽底部的结果。
在SF6和C4F8的比例不变的情况下，选择合适的偏置电压和压强的组合可以得到侧壁垂直平滑的沟槽形貌。SF6/C4F8等离子体刻蚀可以刻蚀出侧壁光滑的形貌，而且对刻蚀系统要求较低。然而，它的优势是在牺牲了刻蚀速率后得到的。这又给我们提出了新的问题。
SF6/O2刻蚀工艺在室温下选择比极低，而且侧壁垂直度并不理想。而SF6/C4F8刻蚀工艺的刻蚀速率并不理想。因此，本文决定在SF6/O2中加入C4F8，在保留SF6/O2刻蚀工艺的较高的刻蚀速率情况下，改善其刻蚀轮廓、选择比并研究参数对其的影响。
本文采用固定SF6/O2的流量，添加不同流量C4F8的方法对SF6/O2/C4F8刻蚀进行研究。确定使用2标准立方厘米每分钟（sccm）的SF6和0.5 sccm的O2，并分别加入不同流量的C4F8进行刻蚀，如表3所示。
从表3可以看出，相比于室温下SF6/O2的刻蚀速率，加入少量C4F8反而使刻蚀速率得到了提高。推测可能是由于C4F8的添加使得等离子体中正离子的数目增加，在偏压功率的作用下，轰击硅片提高了刻蚀速率［15］。随着C4F8的增多，达到1 sccm时，刻蚀速率开始下降，需要注意的是本实验的总流量不是恒定的，在压强相同的情况下，实际上气体的流速是不同的，C4F8加入越多，气体在腔室内停留的时间越短，刻蚀的速率也会越低［16］。因此，虽然加入4 sccm C4F8也能得到各向异性的刻蚀形貌，但是由于其过低的刻蚀速率而被舍弃。而在2 sccm SF6和0.5 sccm O2的配比下，加入0.5 sccm的C4F8后，得到了最快的刻蚀速率，由此得知，三种气体的最佳配比为4∶1∶1。
SF6/O2等离子体的正常刻蚀通常会产生粗糙的刻蚀表面。经研究发现，在SF6/O2等离子体中加入少量C4F8可以产生光滑的蚀刻表面。如图3中所示，图3（a）为SF6/O2刻蚀，图3（b）为在SF6/O2中加入C4F8后的刻蚀结果。经测试得到图3（a）的底面平均粗糙度为2 μm，而图3（b）的平均粗糙度仅有600 nm。
在室温下SF6/O2的刻蚀对光刻胶的损伤很大，经实验发现在SF6/O2的流量为2 sccm和0.5 sccm时，光刻胶的选择比仅有10左右。而在加入少量的C4F8后，选择比达到了将近20。
由前文我们知道压强、偏压功率都会对各向异性的结果产生影响，O2本身也会使其产生各向异性的形貌。由图3（c，d）所示，加入C4F8使刻蚀速率增大，但并未发现侧壁产生明显变化，因此推测各向异性对C4F8的依赖性较弱。
本文实验使用MIT研发的基于微桌面加工系统的深硅刻蚀设备，对SF6/O2，SF6/C4F8和SF6/O2/C4F8刻蚀工艺进行了研究，发现室温下在SF6/O2中添加少量的C4F8优化了刻蚀结果，实验中使用的最佳线圈功率为250 W，偏压功率为5 W，最佳的压强为4.7 Pa。通过实验得到了三元混合气体刻蚀中SF6，O2和C4F8三种气体的最佳比例为4∶1∶1。实验中使用的三元混合气体刻蚀相比较于二元混合气体刻蚀提高了刻蚀速率，从2.1 μm·min−1提高到了3.5 μm·min−1。降低了底部表面的粗糙度，将平均粗糙度从2 μm降低到了600 nm。同时还极大的提高了选择比，从10提高到了20。解决了SF6/O2必须在低温下才能进行深硅刻蚀的缺点。
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