ICP刻蚀系统的原理
ICP刻蚀系统的基本原理是在真空低压下，ICP射频电源产生的射频输出到环形耦合线圈，以一定比例的混合刻蚀气体经耦合辉光放电，产生高密度的等离子体，然后在下电极的RF射频作用下，这些离子体会对基片上的材料表面进行轰击，基片上材料的化学键会被打断，然后与刻蚀气体反应生成的物质挥发经真空管路被抽走。（如图1）
图1
ICP刻蚀系统的基本参数
ICP刻蚀系统是一种电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀系统，主要用于物理和化学领域的材料刻蚀。
其基本参数包括：
ICP源功率：通常在0-1200W之间，频率为13.56MHz。
Bias源功率：一般在0-1000W之间，频率为13.56MHz。
反应气体：常用的反应气体包括Ar、O2、CF4、SF6等。
ICP刻蚀系统的技术指标
ICP刻蚀系统的技术指标包括：
刻蚀均匀性：通常在±5%之间。
与光刻胶选择比：大于3:1。
反应腔室本底真空：小于1 x 10^-6 mbar。
反应腔室漏率：小于5 x 10^-4 mbar·l/s。
下电极温度控制：在-30°C到+200°C之间，或RT到+250°C。
反射功率：小于等于1%。
ICP刻蚀效果的影响因素
ICP工艺中影响刻蚀效果的因素包括ICP源功率、偏压功率、刻蚀气体及流量、工作气压和温度等。此外，掩膜的制备和反应室内壁的情况对刻蚀结果也有很重要的影响。
1. 掩膜的影响
ICP刻蚀是图形转移的过程，因此掩膜的制备对刻蚀非常重要。最常见的掩膜是光刻胶(PR)、SiO2和金属(如AI、Ni等)。一个好的掩膜要求陡直度较高，边缘光滑。底部去除干净无残留，抗高温和抗轰击能力强。（如图2）
图2
掩膜的陡直度和边缘的光滑程度直接影响刻蚀剖面的陡直度和侧壁的光滑程度，因此高质量的光刻技术对刻蚀非常重要。
2. 工艺参数的影响
2.1 ICP源功率
这个功率源的主要作用是产生高密度等离子体，控制离子通量。功率增加时，离子和活性基密度增加，刻蚀速率也增加。一般情况下，选择比也会增加。但过高时，均匀性会下降。
同时，源功率增加会带给衬底更多的热负荷，衬底温度会明显升高，对于需要低温的工艺影响较大，需要更好的温控系统。
2.2 Bias源功率
偏压功率源主要作用是控制离子轰击能量。对刻蚀速率和台阶角度影响很大。偏压功率增加，刻蚀速率明显增加。但是同时对掩膜的刻蚀也明显增加，可能导致选择比下降，台阶形貌变差。偏压功率过高有时会在台阶底部形成“subtrench”沟槽。（如图3）
图3
2.3 工作气压
ICP刻蚀的工作气压一般都小于 50mTorr，典型值在几个 mTorr 至十几mTorr。在这样的低气压条件下，粒子的平均自由程很长，方向性好，离子轰击作用也较强。同时，低气压也有利于挥发性刻蚀产物的解吸附，易获得好的刻蚀结果。气压对均匀性影响很大，气压减小时均匀性更好。因此，气压减小，刻蚀的各向异性增加，均匀性和台阶角度会更好。
气压对刻蚀速率的影响随刻蚀材料和气体的不同而有明显的差异。对于化学作用较强的工艺，如 GaAs的刻蚀，气压较大时因为活性基和离子密度增加，刻蚀速率和选择比会有较大增加。而对物理作用较强的工艺，如SiO2的刻蚀，气压增加时刻蚀速率变化不大。
2.4 气体组分和流量
等离子体刻蚀中多种成分的混合气体可分为三类。
第一类是主要刻蚀反应气体，与被刻蚀材料发生化学反应生成挥发性产物。如CI2、CF4、SF6等。
第二类是起抑制作用的气体,可以在侧壁形成阻挡层,实现高的各向异性刻蚀,如CHF3、BCl3、SiCI4、CH4等。
第三类是起稀释或特殊作用的惰性气体，如 Ar、He、N2等。可以增强等离子体的稳定性，改善刻蚀均匀性，或增加离子轰击作用在(如 Ar)来提高各向异性和提高选择比(如H2、O2)等。
为了实现不同的刻蚀结果，平衡每一类气体的作用(选用合适的流量比)非常重要。
2.5 温度
图4
温度对刻蚀速率的影响主要体现在化学反应速率的变化。因此为了保证刻蚀速率的均匀性和重复性，必须精确的控制衬底温度。
高温可以促进化学反应的进行，同时也有利于挥发性产物的解吸附。对于刻蚀生成物挥发温度较高的工艺，如 InP的刻蚀，高温会带来有利的影响，但是对于以光刻胶为掩膜的低温工艺来说，温度必须控制在较低的水平。温度过高时光刻胶会软化变形，造成刻蚀图形的偏差。严重时光刻胶会碳化，导致刻蚀后很难去除。如果必须使用较高的衬底温度，需要改为 SiO2、金属等硬掩膜。
外加功率在很大程度上会转化为热量。对于ICP 这种等离子体，功率一般很高，反应中衬底温升很快。如果工艺对温度非常敏感，在参数设置时应更加注意。
ICP刻蚀垂直度的影响
图5
ICP刻蚀的垂直性与ICP功率、Bias源功率、腔室内的压强、温度、刻蚀配方等都有较大的关系，下面将说明，各参数对刻蚀侧壁垂直性的影响。
1.气体流量的配方对垂直度的影响
在气体流量、压强以及功率都不变的情况下，随着物理刻蚀气体流量的减小，其侧壁垂直度逐渐提高。
出现这一现象的原因主要是，随着物理刻蚀气体的流量的减小，物理轰击逐渐减弱，减弱了对上层掩膜的刻蚀，且不能较快的清除刻蚀生成物，使其附着在刻蚀材料的侧壁上方，减小了侧壁上方的刻蚀，从而提高垂直度。（如图6）
图6
2. 腔室压强对垂直度的影响
压强降低，会使垂直度升高；因为压强降低，气体分子的自由程会提高，方向性会更好，而且便于刻蚀生成物的恢复，从而提高垂直度。
3. ICP功率对垂直度的影响
影响不大。
4. Bias源对垂直度的影响
Bias源升高，会使垂直度略微下降，因为Bias源的升高会导致离子的能量升高，刻蚀气体没来得及与样品表面发生反应便被溅射、减少了化学刻蚀的作用。
综上所述，把握刻蚀的影响因素，针对需求调节各个参数，提高刻蚀效果，得到好的刻蚀形貌，是微纳加工中重要的一环。
主要参考文章：
1. 公众号，光电Lightigo，ICP基本刻蚀原理；
2. 公众号，光电Lightigo，如何保证ICP刻蚀的波导垂直性；
3. 公众号，微纳研究院，【微纳加工】影响刻蚀效果的因素；
4. 鲁汶仪器。
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