反应离子刻蚀硅阵列实验
一、实验目的：
1、掌握反应离子刻蚀的基本原理。
2、掌握利用单晶硅刻蚀硅阵列的实验流程。
3、了解刻蚀后的硅阵列的表征方法。
二、实验原理
刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。
湿法刻蚀是传统的刻蚀工艺，把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现大批量生产，并且刻蚀的选择性也好。
但是，它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3μm以上。
干法刻蚀是应大规模集成电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。
反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)是干法刻蚀的一种，是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程，通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，其基本工作原理是刻蚀气体（主要是F基和Cl基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。
在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。
游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。
而质量较大的正离子，被阴极附近带负电的鞘层电压有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，以较大的动量进行物理刻蚀，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。
三、实验装置
ME-3A型多功能磁增强反应离子刻蚀机
四、实验内容和步骤
1. 硅片的清洗：采用RCA标准清洗法进行硅片的清洗，具体步骤：（1）SPM清洗：去除硅片表面的有机污物和部分金属，（2）DHF清洗：去除硅片表面的自然氧化膜，（3）APM清洗（SC-1）：去除硅片表面的颗粒和金属，（4）HPM清洗：去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。
每一步骤完成后用去离子水将硅片冲洗干净后方可进行下一步骤。
在硅片较为清洁的情况下可采用以下简化步骤进行清洗：（1）在丙酮中超声5min，去除表面有机污物，（2）在无水乙醇中超声5min，去除硅片表面的颗粒物等无机污物。
之后用去离子水冲洗干净。
2. 掩膜的制备：通过电子束蒸发技术，在已清洁的硅片上蒸镀上10nm Au膜，之后在快速退火炉中600℃退火2min，使Au膜熔成小颗粒，作为刻蚀的掩膜。
（注：前两步骤为实验准备工作，可以由实验指导人员提前完成，并向学生演示。
）
3.硅片的刻蚀：
（1）装片：开冷却水，开总电源，预热射频电源灯丝后放气，打开反应室盖，将硅片放在圆盘形金属下电极上，盖严反应室上盖。
（2）抽真空：检查“分子泵”旋钮是否处于“开”状态，若是，启动机械泵，约30s后分子泵自动启动，待分子泵进入稳定工作状态后进行后续操作。
（3）选择刻蚀方式：选择MERIE刻蚀方式，定时90min。
（4）通气：将流量计开关置于“阀控”，打开CF4进气阀门，调节气体流量40SCCM，通过“抽速调节”旋钮调节气压，保持工作气压4Pa。
（5）启辉刻蚀：按“启动”，开板压Ua至ON，启辉工作，调节输出功率并调节匹配器，使反射功率指示Pr最小
（6）刻蚀结束，关闭系统：关闭气路，抽反应室内残余气体1~3min后，按“关泵”，机械泵停止工作后放气，取出样品。
五、实验结果分析及思考
1、试讨论刻蚀精度用哪些参数进行衡量？并对每个参数进行简单的讨论。
刻蚀Si的化学反应方程式。
2、试写出利用CF
4
3、试总结本实验过程中对Si阵列质量的影响因素。
附：
RIE操作步骤
一、 刻蚀前的准备
1、开冷却水，抽气管放到窗外；
2、开“总电源”：将总电源开关向上拨（A、B、C三指示灯亮表明正常）；
3、预热射频电源灯丝：将“Uf”（橙黄色）开关置于“ON”，指示灯亮，一般须
预热5min才可加板压Ua；
4、开流量计电源：将流量显示面板的“电源”开关拨向上方，显示灯亮；
5、装片：按下“放气”（黑色）按钮，等待放气约1min，打开反应室盖，将待
刻蚀的样品放在圆盘形金属下电极上，盖严反应室上盖（注：一定要确认上盖已经平整地压在密封圈上后，才可进行后续操作！！！）；
6、检查气路：检查“阀1—阀4”、“总阀”、两“清洗”阀是否关闭，若未关闭，
应将它顺时针旋转至拧不动为止。
（注：关阀的时候顺时针转到不能动为止，开阀的时候逆时针转动1~2圈即可）；
7、检查“分子泵”旋钮是否处于“开”的位置：通常情况下，“分子泵”旋钮应
处于“开”的位置（启动机械泵之后约30s会自动启动分子泵；若开始“分子泵”旋钮不是处于“开”的位置，也可手动启动分子泵，不建议这样操作），如果不打算使用分子泵，则可将“分子泵”旋钮拨向“关”。
二、 刻蚀操作
6、抽真空：按“开泵”按钮，指示灯亮，启动机械泵（若“分子泵”旋钮处于
“开”位置，则机械泵启动30s后，分子泵会自动启动，默认为此种方式），约30s后，分子泵启动，指示灯亮，“分子泵电源”上的“频率显示”窗口显示分子泵电源提供的驱动频率，当“分子泵电源”窗口上绿灯亮，分子泵频率稳定在约为704Hz时，表明分子泵已完成加速过程进入稳定的工作状态（分子泵进入稳定工作状态才可进行后续操作）；
6、选择刻蚀方式：拨动MERIE/RIE开关选择在刻蚀时是否加磁场（选择MERIE
为加磁场，选择RIE为不加磁场）；
6、定时：确定是否采用“定时”模式，设定时间显示器（从左至右分别为X10
分、X1分、X10秒、X1秒）；
6、通气：
（1）此时分子泵频率应稳定在约704Hz，打开总阀；
（2）选择所用气体，流量计开关置于“阀控”，打开所用气体的进气阀
门；（注：通气顺序为开总阀—开流量计—开气体进气阀，刻蚀结束后关气顺序为关气体进气阀—关流量计—关总阀）
（3）调节气体流量和反应室内气压，气体流量稳定后，通过反应室右后方“抽速调节”旋钮调节气压，刻线水平时抽速最大，垂直时抽速最小；（若工作气压为1~10Pa，应用机械泵+分子泵，若工作气压为10~100Pa，应关闭分子泵只用机械泵）
注：（1）建议使用某种气体刻蚀之前先抽空该气体气路（若连续使用该种气体刻蚀，则只需在第一次刻蚀前进行该操作），具体步骤为：打开总阀、流量计及该气体阀门之后，打开该气体气瓶上的减压阀（此时气瓶总阀不打开），等待片刻至该气体流量计显示为0，表明该气体气路已抽空，关闭减压阀，打开气瓶总阀，开减压阀，减压阀输出0.1~0.2MPa即可，不可超过0.3MPa，若刻蚀时间较短，可在打开减压阀之后关闭总阀，以节约气体。
（2）当分子泵处于工作状态时，不允许将流量计置于“清洗”档，否则会使分子泵过载。
5、启辉刻蚀：
（1）对不定时情况：开板压Ua至ON，即可启辉，对定时情况：按一下“启动”，然后开板压Ua至ON，启辉工作，同时定时器开始计时，到所设定的时间后，板压会自动关闭；
（2）启辉后调节匹配器的“C1调节”和“C2调节”，使反射功率指示Pr最小；（若气流、气压条件不变，匹配只需开始调节一次，以后只需微调，条件改变，则需重新调节匹配）
（3）调节输出功率，先调节“Ua粗调”，分几次逐渐增大到所需功率值，再调节“Ua细调”，进行功率微调，每一次改变输出功率，都需要调节匹配器的“C1调节”和“C2调节”，使反射功率Pr最小；
注：（1）实际操作时，可先按下“启动”，迅速调节好匹配和输出功率，在按下
“启动”，这样定时器会重新计时；
（2）启辉时，若反射功率很大，应先降低输出功率，待调好匹配（即反射功率最小）后在调高输出功率；匹配器调节技巧请参见RIE说明书。
6、关气，关泵、关水：
刻蚀结束后，先关板压“Ua”开关（对于定时刻蚀情况，板压会自动关闭，若不能自动关闭，按下红色的“Ua-OFF”键结束刻蚀），然后关气体进气阀，抽空气路即流量计显示为0，关流量计，关总阀，抽反应室内残余腐蚀气体1~3min，然后按照以下步骤关机：
（1）按“关泵”，分子泵先停止工作，约1min后机械泵自动停机；
（2）机械泵停止工作后，按“放气”按键，约35s后充气完毕，可打开反应室上盖，取出样品（打开上盖前请确认板压“Ua-ON”开关已关闭）；
（3）关总电源；
（4）每天最后一次刻蚀结束后，应关闭气瓶减压阀和总阀并抽空管路里残余气体，关闭冷却水。
注：刻蚀机在不工作的时候，所有阀门及流量计应处于关闭状态；刻蚀结束后，对反应室抽真空；不用的气体及时关闭气瓶减压阀和总阀。