什么是金属蚀刻和蚀刻工艺？

什么是金属蚀刻和蚀刻工艺？

蚀刻是一种利用化学强酸腐蚀、机械抛光或电化学电解对物体表面进行处理的技术。除了增强美感之外，它还增加了对象的附加值。从传统的金属加工到高科技半导体制造，都在蚀刻技术的应用范围之内。

什么是金属蚀刻？

金属蚀刻是一种通过化学反应或物理冲击去除金属材料的技术。金属蚀刻技术可分为湿蚀刻和干蚀刻。金属蚀刻由一系列化学过程组成。不同的蚀刻剂对不同的金属材料具有不同的腐蚀特性和强度。

金属蚀刻又称光化学蚀刻，是指在金属蚀刻过程中经过曝光、制版、显影，与化学溶液接触后，去除金属蚀刻区的保护膜，以达到溶解腐蚀、形成凸点、或挖空。最早用于制造铜板、锌板等印刷凹凸板，广泛用于减轻仪表板的重量，或加工铭牌等薄型工件。经过技术和工艺设备的不断改进，蚀刻技术现已应用于航空、机械、化工、半导体制造工艺，进行电子薄件精密金属蚀刻产品的加工。

蚀刻技术的类型

湿蚀刻：

（图片来源于互联网，如有侵权，联系删除）

湿法蚀刻是将晶圆浸入合适的化学溶液中，或将化学溶液喷射到晶圆上进行淬火，通过溶液与被蚀刻物体的化学反应去除薄膜表面的原子，从而达到蚀刻的目的. 进行湿法刻蚀时，溶液中的反应物首先通过停滞边界层扩散，然后到达晶片表面，发生化学反应，产生各种产物。蚀刻化学反应的产物是液相或气相产物，然后这些产物通过边界层扩散并溶解到主溶液中。湿法蚀刻不仅会在垂直方向蚀刻，还会有水平蚀刻效果。

干蚀刻：

（图片来源于互联网，如有侵权，联系删除）

干蚀刻通常是等离子蚀刻或化学蚀刻的一种。由于蚀刻效果的不同，等离子体中离子的物理原子、活性自由基的化学反应以及器件（晶圆）的表面原子，或两者的结合，包括以下内容：

l 物理蚀刻：溅射蚀刻、离子束蚀刻

l 化学蚀刻：等离子蚀刻

l 物理化学复合蚀刻：反应离子蚀刻（RIE）

干蚀刻是一种各向异性蚀刻，具有良好的方向性，但选择性比湿蚀刻差。在等离子体蚀刻中，等离子体是一种部分离解的气体，气体分子被离解成电子、离子和其他具有高化学活性的物质。干蚀刻最大的优点是“各向异性蚀刻”。然而，（自由基）干蚀刻的选择性低于湿蚀刻。这是因为干蚀刻的蚀刻机理是物理相互作用；因此，离子的冲击不仅可以去除蚀刻膜，还可以去除光刻胶掩模。

蚀刻工艺

根据金属的种类，蚀刻工艺会有所不同，但一般蚀刻工艺如下：金属蚀刻板→清洗脱脂→水洗→烘干→覆膜或丝印油墨→烘干→曝光制图→显影→水洗干燥→蚀刻→脱膜→干燥→检验→成品包装。

1. 金属蚀刻前的清洗工艺：

不锈钢或其他金属蚀刻前的工序是清洗处理，主要作用是去除材料表面的污垢、灰尘、油渍等。清洗工艺是保证后续薄膜或丝印油墨对金属表面有良好附着力的关键。因此，必须彻底清除金属蚀刻表面的油污和氧化膜。脱脂应根据工件的油污情况而定。最好在丝印油墨前进行电脱脂，以保证脱脂效果。除氧化膜外，还应根据金属种类和膜厚选择最佳蚀刻液，以保证表面清洁。丝网印刷前必须干燥。如果有水分，

2. 贴干膜或丝印感光胶层：

根据实际产品材质、厚度、图形的精确宽度，确定使用干膜或湿膜丝印。对于不同厚度的产品，在应用感光层时，应考虑产品图形所需的蚀刻处理时间等因素。可以制作更厚或更薄的感光胶层，覆盖性能好，金属蚀刻产生的图案清晰度高。

3. 干燥：

薄膜或滚印丝印油墨完成后，感光胶层需要彻底干燥，为曝光过程做准备。同时要保证表面清洁，无粘连、杂质等。

4. 曝光：

此工序是金属蚀刻的重要工序，曝光能量会根据产品材质的厚度和精度来考虑。这也是蚀刻加工企业技术能力的体现。曝光工艺决定了蚀刻能否保证更好的尺寸控制精度等要求。

5. 显影：

将金属蚀刻版表面的感光胶层曝光后，图案胶层曝光后固化。之后，将图案中不需要的部分，即需要腐蚀的部分暴露出来。开发过程也决定了产品的最终尺寸是否能满足要求。此过程将彻底去除产品上不需要的感光胶层。

6. 蚀刻或蚀刻工艺：

产品预制工艺完成后，化学溶液将被蚀刻。这个过程决定了最终产品是否合格。这个过程涉及到蚀刻液的浓度、温度、压力、速度等参数。产品的质量需要由这些参数共同决定。

7. 去除：

蚀刻后的产品表面仍覆盖一层感光胶，需要去除蚀刻后产品表面的感光胶层。由于感光胶层是酸性物质，所以大多采用酸碱中和法进行膨化。经溢水清洗和超声波清洗后，去除表面的感光胶层，防止感光胶残留。

8. 检测：

取膜完成后，后续是检测，包装，最终成品确认是否符合其规格。

蚀刻工艺中的注意事项

l 减少侧面腐蚀和突出边缘，提高金属蚀刻加工系数：
一般印制板在金属蚀刻液中的时间越长，侧面蚀刻越严重。底切严重影响印制线的精度，严重的底切将无法制作细线。当底切和边缘减少时，蚀刻系数增加。高蚀刻系数表明能够保持细线并使蚀刻的线接近原始图像的尺寸。无论电镀抗蚀剂是锡铅合金、锡、锡镍合金还是镍等，过度突出的边缘都会导致导线短路。由于突出的边缘容易折断，因此在导线的两点之间形成了电桥。

l 提高板与板之间蚀刻加工速率的一致性：
在连续板蚀刻中，金属蚀刻加工速率越一致，可以获得越均匀的蚀刻板。为了在预蚀刻过程中始终保持最佳蚀刻状态，需要选择易于再生和补偿、蚀刻速率易于控制的蚀刻溶液。选择能够提供恒定操作条件并能够自动控制各种溶液参数的技术和设备。可通过控制溶铜量、PH值、溶液浓度、温度、溶液流动的均匀性等来实现。

l 提高整个板面金属蚀刻加工速度的均匀性：
板的上下两面及板面各部分的蚀刻均匀性是由板面金属蚀刻液流速的均匀性决定的。在蚀刻过程中，上下板的蚀刻速率往往不一致。下板面的蚀刻速率高于上板面。由于溶液在上板表面的积累，蚀刻反应减弱。上下板蚀刻不均可以通过调节上下喷嘴的喷射压力来解决。采用喷雾系统，摆动喷嘴，通过使板中心和边缘的喷雾压力不同，可以进一步提高板整个表面的均匀性。

蚀刻工艺的优点

因为金属蚀刻工艺是通过化学溶液蚀刻的。

l 保持与原材料的高度一致性。它不改变材料的性能，材料的应力，以及材料的硬度、抗拉强度、屈服强度和延展性。基加工工艺在设备内以雾化状态蚀刻，表面无明显压力。

l 没有毛刺。产品加工过程中，全程无压紧力，不会出现卷边、磕碰、压点。

l 可配合后工序冲压完成产品的个性化成型动作，可采用挂点方式进行整版电镀、粘合、电泳、发黑等，更具性价比。

l 还可以应对小型化和多样化，周期短，成本低。

电子束加工和离子束加工

电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新型特种加工.他们在精密微细加工方面,尤其是在微电子学领域中得到较多的应用.通常来说,电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工,而离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工.

电子束加工原理

电子束加工(Electron Beam Machining 简称EBM)起源于德国.1948年德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备.它是一种利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的方法统.

在真空条件下,利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106~109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位,并在几分之一微秒时间内,其能量大部分转换为热能,使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度,致使材料局部熔化或蒸发,来去除材料.

控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的:

1、只使材料局部加热就可进行电子束热处理;

2、使材料局部熔化就可以进行电子束焊接;

3、提高电子束能量密度,使材料熔化和汽化,就可进行打孔、切割等加工;

4、利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,即可进行电子束光刻加工.

电子束主要加工装置

电子束加工装置主要由以下几部分组成:

电子枪

获得电子束的装置,它包括:

1、电子发射阴极-用钨或钽制成,在加热状态下发射电子.

2、控制栅极-既控制电子束的强弱,又有初步的聚焦作用.

3、加速阳极-通常接地,由于阴极为很高的负压,所以能驱使电子加速.

真空系统

保证电子加工时所需要的真空度.一般电子束加工的的真空度维持在1.33×10-2~ 1.33×10-4 Pa.

控制系统和电源

控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制.

束流聚焦控制:提高电子束的能量密度,它决定加工点的孔径或缝宽.

聚焦方法:一是利用高压静电场是电子流聚焦成细束;另一种方法是利用"电磁透镜"靠磁场聚焦.

束流位置控制:改变电子的方向.

工作台位移控制:加工时控制工作台的位置.

电源:对电压的稳定性要求较高,常用稳压电源.

电子束加工工艺的特点

电子束能够极其微细地聚焦(可达l~0.1 μm),故可进行微细加工.

加工材料的范围广.能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料.

加工效率很高.

加工在真空中进行,污染少,加工表面不易被氧化.

电子束加工需要整套的专用设备和真空系统,价格较贵,故在生产中受到一定程度的限制.

离子束加工原理

在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面.由于离子带正电荷,其质量数比电子大数千倍甚至上万倍,它撞击工件时具有很大撞击动能,通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工.

离子束与电子束加工原理基本相同.主要是不同是离子带正电荷,其质量比电子大数千倍乃至数万倍,故在电场中加速较慢,但一旦加至较高速度,就比电子束具有更大的撞击动能.

电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的.离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的.

离子束加工的分类

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应.通常分以下四类:

离子刻蚀

采用能量为0.1~5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时,此高能离子所传递的能量超过工件表面原子(或分子)间键合力时,材料表面的原子(或分子)被逐个溅射出来,以达到加工目的.这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工,通常又称为离子铣削.

离子刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜,还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形.

离子溅射沉积

采用能量为0.1~5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材,将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜.实际上此法为一种镀膜工艺 .

离子镀膜

离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积,另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力(可达10~20MPa).

该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快,目前已获得广泛应用.

离子注入

用5~500keV能量的离子束,直接轰击工件表面,由于离子能量相当大,可使离子钻进被加工工件材料表面层,改变其表面层的化学成分,从而改变工件表面层的机械物理性能.

该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制,可根据不同需求注入不同离子(如磷、氮、碳等).注入表面元素的均匀性好,纯度高,其注入的粒量及深度可控制,但设备费用大、成本高、生产率较低.

离子束加工工艺的特点:

加工精度高

离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺.离子刻蚀可达纳米级精度,离子镀膜可控制在亚微米级精度,离子注入的深度和浓度亦可精确地控制.

环境污染少

离子束加工在真空中进行,特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工.

加工质量高

离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的,加工应力和变形极小,适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工.

电子束加工与离子束加工工艺比较

原理比较

电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小面积上,在极短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走.控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的.如只使材料局部加热就可进行电子束热处理;使材料局部熔化就可以进行电子束焊接;提高电子束能量密度,使材料熔化和气化,就可以进行打孔、切割等加工;利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理,即可以进行电子束光刻加工.

离子束加工的原理和电子束加工基本类似,也是在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速聚焦,使之撞击到工件表面.不同的是离子带正电荷,其质量比电子大数千、数万倍,如氩离子的质量是电子的7.2万倍,所以一旦离子加速到较高速度时,离子束比电子束具有更大的撞击动能,它是靠微观的机械撞击能量,而不是靠动能转化为热能来加工的.离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应.具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时,可以将表面的原子撞击出来,这就是离子的撞击效应和溅射效应;如果将工件直接作为离子轰击的靶材,工件表面就会受到离子刻蚀;如果将工件放置在靶材附近,靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附,使工件表面镀上一层靶材原子的镀膜;如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时,离子就会钻进工件表面,这就是离子的注入效应.

特点比较

电子束加工的特点:

①由于电子束能够极其细微地聚焦,甚至能聚焦到0.1μm,所以加工面积和切缝可以很小,是一种精密微细的加工方法.

②电子束能量密度很高,使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度,去除材料主要靠瞬间蒸发,是一种非接触式加工.工件不受机械力作用,不产生宏观应力和变形.加工材料范围很广,对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可以加工.

③电子束的能量密度高,因而加工生产效率很高,例如,每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔.

④可以通过磁场或电子对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制,所以整个加工过程便于是先自动化.特别是在电子束曝光中,从加工位置找准到加工图形的扫描.都可实现自动化.在电子束打孔和切割时,可以通过电气控制加工异型孔,实现曲面弧形切割等.

⑤由于电子束加工是在真空中进行,因而污染少,加工表面不会氧化,特别适用于加工易氧化的金属及合金材料,一级纯度要求极高的半导体材料.

⑥电子束加工需要一整套专用设备和真空系统,价格较贵,生产应用有一定的局限性.

离子束加工的特点:

①由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描,离子束轰击材料是逐层去除原子,离子束流密度及离子能量可以精确控制,所以离子刻蚀可以达到纳米(0.001μm)级的加工精度.离子镀膜可以控制在亚微米级精度,离子注入的深度和浓度也可极精确地控制.因此,离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法,是当代纳米加工技术的基础.

②由于离子束加工是在高真空中进行,所以污染少,特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工.

③离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的.它是一种微观作用,宏观压力很小,所以加工应力、热变形等极小,加工质量高,适合于对各种材料和低刚度零件的加工.

④离子束加工设备费用贵、成本高,加工效率低,因此应用范围受到一定限制.

应用比较

总体而言,电子束加工的加工效率更高,适用范围更广;而离子束加工的加工精度更大,是所有特种加工之中最精密、最细微的一种加工方式.

电子束加工根据其功率密度和能量注入时间的不同,可以用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻等各种类型的加工.

离子束加工的应用范围正在日益扩大、不断创新.目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有:用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工;用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工;用于表面改性的离子注入加工等.

电子束与离子束的加工装置都有真空系统、控制系统和电源等部分.主要不同的是电子束加工用的是电子枪,离子束加工用的是离子源系统.电子束加工相对于离子束加工,加工效率更高,使用范围也更广;离子束加工的加工精度更高,是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法.

近年来,随着纳米科技和半导体集成电路产业的飞速发展,具有多功能、高分辨率的电子束加工和聚焦离子束加工技术受到人们空前的重视,它们已成为当前微米纳米加工的重要手段.

离子束加工（Ion Beam Machining）

（1）基本原理

离子束加工是在真空状态下，将离子源产生的离子流，经加速、聚焦达到工件表面上而实现加工。

（2）主要特点

由于离子流密度及离子能量可以精确控制，因而能精确控制加工效果，实现纳米级乃至分子、原子级的超精密加工。离子束加工时，所产生的污染小，加工应力变形极小，对被加工材料的适应性强，但加工成本高。

（3）使用范围

离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。

1）蚀刻加工

离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等电子学构件。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。

2）离子束镀膜加工

离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。

离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。

聚焦离子束FIB

聚焦离子束(FIB)是一种微纳米加工技术，其基本原理与扫描电子显微镜(SEM)类似，采用离子源发射的离子束经过加速聚焦后作为入射束，高能量的离子与固体表面原子碰撞的过程中可以将固体原子溅射剥离，所以FIB更多地作为一种工具来直接处理微纳米结构。FIB与气体注入系统（GIS）相结合，可协助化学气相沉积、微纳米材料及微纳米结构的定位诱导沉积与生长或协助选择性增强刻蚀具体的材料及结构。

聚焦离子束在微纳米结构加工制造中的实际应用中，由于FIB自身的特点和被加工材料等因素的影响，最终加工制造出来的微纳米结构有时也会出现一些缺陷，其中包括:

倾斜侧壁

在聚焦的束斑内，离子呈现出高斯分布特征，越靠近束斑中心，离子的相对数量越大。如果离子束按单个像素点刻蚀轰击样品，将形成锥形截面轮廓的孔洞。随着刻蚀深度的增加，截面的锥度将逐渐减小直至饱和。因材料及其晶体取向不同，截面通常会有1.5~4°的锥度。

为了获得与样品表面完全垂直的截面，通常采用人为地使样品倾斜特定角度的方法来补偿截面与离子束入射角度的偏差。此外，利用侧向入射也可实现切割，并通过刻蚀图案的定义实现截面和表面之间夹角的调控，从而实现更复杂形状三维微纳米结构的柔性加工。

窗帘结构

聚焦离子束加工样品截面时，另外一个需要关注的问题是截面的平整度，有时会在截面上出现竖直条纹，被称为窗帘结构。窗帘结构的形成与聚焦离子束切割固有的倾斜侧壁密切相关，当样品表面有形貌起伏或成分差异时，会产生刻蚀速率的差异，就会形成窗帘结构。

对于表面形貌起伏造成窗帘结构的问题，解决方法一般是采用FIB辅助化学气相沉积的方法在试样表面生长保护层来平整试样表面；还可通过改变离子束入射方向在无起伏表面上进行切割来避免其效应。对成分差异导致窗帘结构可采用摇摆切割方式实现离子束多角度入射消除。

非均匀刻蚀

聚焦离子束能够直接、快速地对微纳米平面图形结构进行加工与制造，而对非晶体材料或者单质单晶材料进行FIB刻蚀往往能够获得很光滑的轮过形状与底面，而对多晶材料及多元化合物材料而言，因各晶粒取向的差异，不同晶粒区域刻蚀速率会有所不同，往往表现为非均匀刻蚀且底面不平。

对于多晶材料刻蚀出现的非均匀性加工缺陷，可以通过增大离子束扫描每点的停留时间来加以改善。聚焦离子束轰击固体材料时，固体材料的原子被溅射逸出的过程中，部分原子会落回样品表面，该过程称为再沉积。增大离子束在每点的停留时间，再沉积的影响就会增强，再沉积的原子落入凹陷处的几率更高，可以起到平坦化的作用，从而改善刻蚀底面的平整性。

左图为未使用XeF2时离子束切割后的截面流水效应，右图使用XeF2辅助刻蚀，切割后表面就比较平整

对多元化合物材料中出现的非均匀刻蚀缺陷一般可通过气体辅助强化刻蚀，使逸出速度更慢的原子和反应气体生成熔点较低的化合物，从而达到迅速刻蚀和去除的目的。

反应气体残留污染

聚焦离子束加工与气体注入系统相结合可实现辅助化学气相沉积和特定纳米结构的定位生长，该方法称为聚焦离子束诱导沉积。然而，反应气体的残留污染问题不可忽视，与此同时反应气体还会残留到试样表面而导致污染。

去除反应气体残留污染的方法通常是对样品进行加热使其更快脱附，也可以采用离子轰击进行刻蚀去除。

聚焦离子束技术由于具有直接、灵活等优点而逐步被应用于许多领域。各种微纳米结构在加工和制造过程中有时会出现加工缺陷，对其物理根源进行解剖并对其缓解或去除进行研究，能改善聚焦离子束加工性能并尽可能获得与期望设计一致的微纳米结构。

硅干法刻蚀技术——等离子体辅助刻蚀的基础

应离子刻蚀等等离子体系统的结构中，RIE的一个重要特征是其实现蚀刻方向性的能力，多步等离子体化学在一次运行中成功地用于蚀刻、释放和钝化微机械结构。等离子蚀刻对许多变量极其敏感，使得蚀刻结果不一致且不可再现。因此，将处理重要的等离子体参数、掩模材料及其影响。而且RIE有自己的具体问题，会制定解决方案。反应离子刻蚀工艺的结果以非线性方式取决于大量参数。因此，仔细的数据采集是必要的。此外，对于给定的工艺，需要等离子体监测来确定蚀刻终点。本文最后介绍了等离子体刻蚀的一些发展趋势。

等离子体辅助刻蚀的基础简单；使用气体辉光放电来离解和离子化相对稳定的分子，形成化学反应性和离子性物质，并选择化学物质，使得这些物质与待蚀刻的固体反应，形成挥发性产物。等离子体蚀刻可分为单晶片和分批反应器。区分三个主要群体也很常见；(1)化学等离子体蚀刻，(2)协同反应离子蚀刻(RIE)和(3)物理离子束蚀刻(IBE)。一般来说，IBE仅显示出正锥形轮廓、低选择性和低蚀刻速率，而PE产生各向同性轮廓、高蚀刻速率和高选择性。由于物理溅射与具有高蚀刻速率和高选择性的活性物质的化学活性的协同结合，RIE能够实现轮廓控制。

与单晶片反应器相比，间歇反应器通常具有较低的蚀刻速率，并且在较低的压力和较低的功率密度下工作，因此大批量可以实现高产量。不幸的是，纯化学等离子蚀刻系统也被称为“等离子蚀刻系统”，聚乙烯的典型反应器类型包括桶和下游蚀刻机，其中使用微波激发等离子体。它们的特点是最少的离子轰击和纯化学蚀刻。在需要离子轰击的应用中，可以使用平行板反应器。在对称低压系统中，等离子体电势很高，两个电极都受到高能离子的轰击。通常很难蚀刻特定的衬底材料，因为没有化学蚀刻剂可用。在这些情况下，通过用定向高能流溅射该层来完成图案化。

纯等离子体化学

通常基于氢和氟、氯和溴等离子体用于硅的反应离子刻蚀，刻蚀产物分别是挥发性的四氧化硅、四氧化硅、四氧化硅和四氧化硅。基于氟的等离子体通常用于各向同性蚀刻，而基于氯和溴的等离子体如氯主要用于实现各向异性蚀刻轮廓。除了氟基混合物，这些气体特别危险(Br2或C1化合物)，建议采取特殊预防措施。

在氢硅体系中有着广泛的表面科学活动，其中大部分都是为了发展对单晶硅暴露于氢氧化合物中产生的表面结构的理解。硅在CF4等离子体中的刻蚀，发现刻蚀速率和F原子密度之间存在线性关系，表明F原子直接参与刻蚀过程。硅基等离子体中硅的蚀刻。SF6、CF4、SiF4、NF3、XeF2或F2通常导致掩模的大的底切。Cl基等离子体(Cl2或SiCl4)的蚀刻方向性可以通过观察到Si和SiO2在室温下不会被Cl原子自发蚀刻来解释，这使得仅离子诱导蚀刻成为可能。

由于含溴原子(溴单层)的硅和二氧化硅的低自发蚀刻速率，溴化学在反应离子刻蚀工艺开发中的应用受到了极大的关注。氧等离子体主要用于聚合物蚀刻，并且在硅沟槽蚀刻中很重要，因为它们能够在之后去除聚合物残留物。

混合等离子体化学

混合分子(例如。CCl2F2)和气体(例如。SF6/Cl2)通常用于各向异性蚀刻。如果选择等离子体化学，使得蚀刻抑制膜可以在沟槽的侧壁形成，则定向蚀刻是可能的。通过改变相对原子密度。进料气体中的氟氯比，可以改变沟槽轮廓。在微机械加工中使用了各种各样的氟、氯、溴和氧基等离子体，其中含有丰富的气体添加剂。

在CF4或SF6等离子体中加入N2气体是蚀刻硅的另一种重要混合物，因为它增加了氟原子密度。与大多数其他气体不同，氮气在激发时不会离解。相反，它是以束缚激发态存在的，而不是原子或离子。物质的电子和热离解是不一样的。同样，在较高的N2含量下，蚀刻将由于稀释而减少。SF6/N2不同于SF6/O2蚀刻，因为相对更多的SF5离子可以响应偏压，溅射可能会增加。向CF4等离子体中加入N2具有额外的效果，即由于挥发性氯化萘种类，聚合物形成减少。以同样的方式，氟原子或氧原子与裸露的硅反应生成硅原子，氟或N2原子团可能会将硅原子变成硅原子。这种膜是弱钝化的，因此从未用于离子抑制剂工艺。相反，这些富氟等离子体在硅的快速各向同性蚀刻中是有效的。

等离子体参数影响

等离子体蚀刻最大的缺点是它对许多变量的极端敏感性。其中一些参数是众所周知的，如压力、功率和流量。然而，更多情况下，目标反应堆材料和清洁度等影响会被无意忽略。与未掺杂的硅相反，高掺杂的硅在Cl2放电中自发蚀刻。氮型硅比本征硅蚀刻得更快，本征硅比p型硅蚀刻得更快，这种效应本质上不是化学性质的，因为如果掺杂剂没有被电激活，这种效应就不存在。

温度是RIE刻蚀中最重要的参数。它与熵和焓一起控制着反应器中的每一个能量步骤，如吸附和反应。已知许多来源可以提高衬底表面的温度，例如(1)离子轰击，(2)衬底表面的放热反应，(3)射频。涡流加热和(4)气体加热。

通常，为了稳定表面温度，通过循环水(或其他液体)穿过靶板来冷却靶。当然，晶片必须被充分夹紧以最大化从衬底到目标的热传递。或者，可以将像氦这样的气体添加到等离子体中，以从正面冷却衬底，或者可以利用氦背面冷却。

问题与解决方案

RIE是一种非常复杂的技术，需要相当长的时间才能熟悉它。不幸的是，这还不是全部RIE有自己的具体问题，本节将研究其中的一些问题。

在微观力学中，沟槽的蚀刻深度增加，而沟槽宽度(或开口)保持不变或变得更小。纵横比(深度、宽度)因此增加，纵横比相关蚀刻(ARDE)将变得重要。ARDE是侧壁弯曲的统称，即。离子在沿着这些壁的轨迹期间向侧壁的偏转，轮廓的特征尺寸依赖性，即对于不同的沟槽开口观察到不同的锥形轮廓，以及RIE滞后，即与较宽的沟槽相比，较小的沟槽被蚀刻得较慢、正滞后或较快、负滞后的效果。

反应离子刻蚀对器件性能的影响被认为是由于反应离子刻蚀相关的表面污染和衬底位移损伤。残余损伤是指最大离子能量或通量，尤其是硅蚀刻速率。当样品暴露在RIE等离子体中时，损伤将被引入衬底并累积。然而，与此同时，蚀刻将消耗损坏的层。因此，对于高蚀刻速率，应该观察到很少的残留损伤。

低压反应器在泵送设备和晶片冷却方面比传统的RIE系统要求更高。对于反应离子刻蚀，需要一台罗茨鼓风机和一台涡轮泵在足够的气体流量下将压力保持在10毫托以下。MIE处理的压力接近1毫托，ECR蚀刻的压力甚至更低。在这些低压下适度的气流需要非常高的泵送速度。对于30 sccm的流量，可能需要使用1500 1s-1涡轮泵。由于实现了高蚀刻速率、显著的离子轰击和低压操作，晶片冷却是一个关键问题。为了控制蚀刻过程，使用晶片夹具或静电卡盘进行背面氦气冷却是必要的。

平行于阴极表面的磁体磁场和垂直于阴极表面的电场线(自偏置)将电子限制在阴极附近的摆线轨迹。因此，电子与气相物质碰撞的概率增加了，离子中性比在MIE中比在RIE中大50倍。在电子回旋共振中，放电是由微波激发产生的(通常为2.45千兆赫)。当施加B = 875高斯的磁场时，磁场中电子的回旋运动和微波场之间发生共振。共振时的电子有效地将微波能量转化为气体物质的离解。晶片被放置在放电室下方，并且可以被射频。或者华盛顿特区。被驱动来控制撞击离子和自由基的能量。这使得能够比在RIE中更好地控制蚀刻过程。

微纳加工技术聚焦离子束FIB应用

聚焦离子束(ed Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器。

目前商用系统的离子束为液相金属离子源(Liquid MetaIon Source,LMIS)，金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元素具有低熔点、低蒸气压、及良好的抗氧化力；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场于液相金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。

微纳加工技术聚焦离子束FIB应用领域

聚焦离子束系统除具备电子成像功能之外，因离子的大质量而在加速聚焦之后可以实现材料及器件的蚀刻，沉积和离子注入。

微纳加工技术聚焦离子束FIB的应用简介：

1.IC芯片电路修改

利用FIB物理修改芯片电路可以让芯片设计者有针对性地在芯片问题处进行检测，从而更快、更精确地验证设计方案。如果芯片部分区域出现了问题，可以利用FIB对该区域进行隔离或者对该区域进行功能纠正，从而发现问题症结所在。

FIB还能在最终产品量产之前提供部分样片和工程片,利用这些样片能加速终端产品的上市时间。利用FIB修改芯片可以减少不成功的设计方案修改次数，缩短研发时间和周期。

2.Cross-Section 截面分析

用FIB在IC芯片特定位置作截面断层,以便观测材料的截面结构与材质,定点分析芯片结构缺陷。

3.Probing Pad

在复杂IC线路中任意位置引出测试点, 以便进一步使用探针台(Probe- station) 或 E-beam 直接观测IC内部信号。

4.FIB透射电镜样品制备

这一技术的特点是从纳米或微米尺度的试样中直接切取可供透射电镜或高分辨电镜研究的薄膜。样品可以是IC芯片，纳米材料，颗粒或者经过表面改性的包覆颗粒等，对纤维状样品，横切面薄膜和纵切面薄膜均可切割。对于含界面的样品或者纳米多层膜而言，这种技术可制备出具有界面结构研究的透射电镜样品。技术的另一重要特点是对原始组织损伤很小。

5.材料鉴定

材料各晶向排列方向均不相同，遂穿对比图像可用于晶界或者晶粒尺寸分布分析。

另外，也可加装EDS或SIMS进行元素组成分析。

由于FIB加工精度高，设备稀缺，大家做检测提前预约设备和操作工程师，把样品处理为3cm以内，标准重点分析位置，做出了细致的分析方案从而均能节省测试机时和测试费用，若样品不导电，也可以用喷金，沉积pt，加导电胶等方式辅助样品导电。进而能清晰成像，快速刻蚀。

离子束修形，离子束抛光工艺

对于光学镜片元件的制造来说，离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术已经逐渐取代机械抛光方法。离子束抛光与传统的机械抛光方法来说，离子束IBF光学镜片加工的主要优点之一是离子束在光学镜片加工上的非接触性，没有传统机械工具的接触导致的损伤后果。离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术，也叫离子束成型技术，其对于在IBF光学镜片加工的研磨镜片上，特别在离子束非球面加工，具有较好的稳定性和精确性，避免了对透镜材料的机械性导致的亚表面损伤。对于离子束修形相关的物理过程叫做"溅射"，离子溅射可以应用于任何材料，对于加工较硬的材料（如Si或SiC）和抛光高分子材料（如MgF2、CaF2、Si或WC）时，溅射过程的离子束抛光也可以取得比较好的加工效果。另外，离子束可以与低至0.5毫米的微加工工具一起使用，以达到传统机械技术可能无法达到的微小性的抛光误差。

离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）的过程是基于微观尺度上的粒子碰撞，即产生"级联碰撞"的结果，通过优化其工艺流程（能量、方向），可对级联碰撞粒子的运动进行一定程度的控制。在离子束修形IBF过程中（如图1），一束聚焦的离子束在样品表面上进行光栅扫描。为了消除表面误差，计算出一个停留时间矩阵，其中考虑到了离子束成型中的静电去除轮廓和整体测量的表面误差，矩阵被进一步转换为一个由多轴系统组成对应的复杂定位系统的局部速度图。

图1 离子束计算概念图

关于离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）在光学制造行业的应用上，近期，Asphericon和Hohenstein在《Optik & Photonik》期刊上Volume7, Issue2 May 2012 Pages 56-58的文章中发表了德国Hohenstein-Ernstthal的MicroSystems公司开发了"IonScan 3D"的离子束成型系统（图2）。在与德国Asphericon GmbH公司的合作下，离子束修形IBF的技术已经引入到定制光学元件的生产中，特别是Asphericon非球面元件的定制生产中。IonScan 3D系统集成了一套工艺数据和软件工具，当工艺数据被运行，就能自动完成离子束非球面加工流程。在IBF光学镜片加工中，离子束源的蚀刻轮廓是通过发射系统的多孔几何形状网格来定义的。对于聚焦激光的刻蚀，可以调整其半峰全宽（full width at half maxima，FWHM）值，范围从0.5毫米到10毫米，刻蚀率需要针对每种材料进行校准。

尽管普通球面透镜的加工并不是主要采取离子束成型技术加工，如果使用离子束修形技术对球面透镜进行IBF光学镜片加工会很容易纠正其离子束抛光中表面的残余误差。通常情况下，离子束抛光误差在峰谷比值（Peak-to-Valley，Pv）和表面粗糙度均方跟值（Root-Mean-Square，RMS）方面上得到10-20倍的改善。在晶圆级的薄膜厚度校正的类似过程中，最终的加工质量很容易达到0.1nm的RMS值。图3中显示的是Asphericon在一个微小弧形非球面上实现的加工结果，在离子束非球面加工上有较好的校正效果。由于离子束修形IBF技术是无接触过程和焦点深度较大（约0.5毫米），所以离子束成型的成像效果对轮廓的特征不敏感。

图3 非球面透镜的校正结果（左：校正前，右：校正后）

图4中展示了Asphericon通过IonS-can 3D处理硅晶体材料的效果，其抛光误差是在长波长方面，使用了2毫米的工具尺寸便实现了相当好的性能。其表面粗糙度均方根RMS值提高了近20倍！而且在这个过程中，与晶体取向有关的影响明显得到了改善。在校正前的干涉测量中，由于透镜在机械加工的结果中，其中心会出现了与晶体取向有关的抛光误差，而离子束非球面加工对晶体取向相关的影响并不重要，因此在离子束抛光的加工过程中，其中心误差被完全消除。

图4 硅非球面的校正结果（左：校正前，右：校正后）

由于离子束修形（Ion Beam Figuring，IBF）技术的无接触加工的特点，所以IBF光学镜片加工在处理透镜表面的凹面时不会面临加工成型的问题。这一特点，对与透镜最终的光学表面质量产生较大的影响。另外，离子束修形IBF在性能表现和加工结果上，对于处理加工金属表面和普通光学材料上一样比较有优势。

编辑：黄飞