反応性イオンエッチング

反応性イオンエッチング( RIE ) は、微細加工に使用されるエッチング技術です。RIE はドライエッチングの一種で、ウェットエッチングとは異なる特性を持っています。RIE は化学的に反応するプラズマを使用して、ウェーハ上に堆積した材料を除去します。プラズマは、電磁場によって低圧(真空)下で生成されます。プラズマからの 高エネルギーイオンがウェーハ表面を攻撃し、反応します。

一般的な (平行プレート) RIE システムは、円筒形の真空チャンバーと、チャンバーの底部にあるウェーハプラッタで構成されています。ウェーハ プラッタは、チャンバーの残りの部分から電気的に絶縁されています。ガスは、チャンバーの上部にある小さな入口から入り、底部から真空ポンプシステムに排出されます。使用するガスの種類と量は、エッチング プロセスによって異なります。たとえば、シリコンのエッチングには、一般に六フッ化硫黄が使用されます。ガス圧は、通常、ガス流量の調整や排気口の調整によって、数ミリトルから数百ミリトル の範囲に維持されます。

他のタイプの RIE システムとしては、誘導結合プラズマ(ICP) RIE などがあります。このタイプのシステムでは、プラズマは無線周波数(RF) 駆動の磁場で生成されます。非常に高いプラズマ密度を実現できますが、エッチング プロファイルはより等方的になる傾向があります。

平行板と誘導結合プラズマRIEの組み合わせも可能です。このシステムでは、ICPを高密度イオン源として使用してエッチング速度を上げ、基板（シリコンウェーハ）に別のRFバイアスを適用して基板の近くに方向性のある電界を作り、より異方性のエッチングプロファイルを実現します。^[1]基板に与えられるRF電力は、多くの場合「プラテン電力」と呼ばれる調整可能なパラメータであり、表面に衝突するイオンのエネルギーを制御します。^[2]

システム内でプラズマを発生させるには、強力な RF (無線周波数) 電磁場をウェーハ プラッターに適用します。この電磁場は通常、13.56 メガヘルツの周波数に設定され、数百ワットで適用されます。振動する電界により、ガス分子から電子が剥ぎ取られてイオン化され、プラズマが生成されます。

電界の各サイクルで、電子はチャンバー内で電気的に上下に加速され、チャンバーの上部壁とウェーハ プラッターの両方に衝突することがあります。同時に、はるかに質量の大きいイオンは RF 電界に反応して比較的わずかに動きます。電子がチャンバー壁に吸収されると、それらは単に接地され、システムの電子状態は変化しません。ただし、ウェーハ プラッターに堆積した電子は、DC 絶縁のためプラッターに電荷を蓄積します。この電荷の蓄積により、プラッターに大きな負の電圧 (通常数百ボルト程度) が発生します。プラズマ自体は、自由電子と比較して正イオンの濃度が高いため、わずかに正の電荷を帯びます。

大きな電圧差のため、正イオンはウェーハ プラッターに向かってドリフトする傾向があり、そこでエッチングされるサンプルと衝突します。イオンはサンプル表面の材料と化学反応を起こしますが、運動エネルギーの一部を伝達することで一部の材料をはじき飛ばす (スパッタする) こともできます。反応性イオンのほとんどが垂直に供給されるため、反応性イオン エッチングは、ウェット ケミカル エッチングの一般的な等方性プロファイルとは対照的に、非常に異方性のエッチング プロファイルを生成することができます。

RIE システムにおけるエッチング条件は、圧力、ガス流量、RF 電力などの多くのプロセス パラメータに大きく依存します。RIE の改良版として、深い部分を掘り出すために使用されるディープ リアクティブ イオン エッチングがあります。

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