一文详解微纳加工刻蚀工艺

 微纳加工刻蚀工艺简介  

微纳加工是一种高度精密的制造技术，用于制造微小尺寸的结构和器件，通常在微米（百万分之一米）和纳米（十亿分之一米）尺度范围内。这种技术在许多领域中都有应用，包括电子、光学、生物医学、纳米技术和材料科学等。

微纳加工的高精度和精确度，可以在微米和纳米尺度上精确控制材料的形状和结构，这使得制造微小器件和结构成为可能。那么刻蚀作为其中关键的一环，如何合理选用刻蚀方式，达到理想效果也成为关键。

图1 微纳加工刻蚀工艺图

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什么是刻蚀

刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形， 它在整个半导体工艺中是至关重要的一个步骤。随着微制造工艺的发展， 也衍生出了许多刻蚀方式，为微纳加工开辟了更多可能。

刻蚀的方式有哪些

图2 刻蚀方式分类图

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主要刻蚀方式

在微纳加工中，了解加工工艺及设备的原理和特点十分重要，以下将着重介绍刻蚀的主要方式和相关设备。

 湿法刻蚀 

湿法刻蚀的原理

湿法刻蚀是传统的刻蚀方法。湿法刻蚀通过将样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部分薄膜表面与试剂发生化学反应来达到除去效果。

湿法刻蚀的特点 

主要特点：各向同性，不易控制。

图3 湿法刻蚀各向同性

湿法刻蚀的操作简便、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。

湿法刻蚀的各向异性较差，横向钻蚀严重使所得的刻蚀剖面呈圆弧形，甚至使精确控制图形尺寸变得困难。对于采用微米级和亚微米量级线宽的超大规模集成电路，刻蚀方法必须具有较高的各向异性特性，才能保证图形的精度。

湿法刻蚀的应用

从半导体制造业一开始，湿法刻蚀就与硅片制造紧密相连。湿法刻蚀在漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形刻蚀应用等方面起着重要作用。

与干法刻蚀相比，湿法刻蚀的好处在于对下层材料具有高的选择比，对器件不会带来等离子体损伤，有着广泛的应用。

图4 几种湿法应用案例

 干法刻蚀 

干法刻蚀的原理

干法刻蚀是利用气相中的化学或物理反应来去除材料表面的刻蚀工艺。其中最常见的干法刻蚀包括物理刻蚀（离子束刻蚀，IBE）、等离子刻蚀（如反应离子刻蚀，RIE）。

干法刻蚀的特点

主要特点：各向异性蚀刻，图形的保真性高。

图5 干法刻蚀效果图

当气体以等离子体形式存在时，它具备两个特点。第一个特点，等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的。第二个特点，等离子气体还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。因此，干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程平衡的结果。

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干法刻蚀的机制

干法蚀刻的三种主要机制：

物理干法蚀刻：加速粒子对晶圆表面的物理磨损。

化学干法蚀刻：气体与晶圆表面发生化学反应。

化学、物理干法蚀刻：具有化学特性的物理蚀刻工艺。

实际运用中常用类型为物理刻蚀与化学物理刻蚀，以下着重介绍实际常用类型及相关设备。

物理刻蚀：离子束刻蚀IBE

图6 IBE 设备原理图

图7 IBE 设备核心离子源结构一览

IBE刻蚀的原理

IBE刻蚀设备采用离子束刻蚀技术，其原理基于离子和固体表面的相互作用。具体而言，离子束通过控制系统加速并聚焦，然后瞄准待刻蚀的样品表面。离子束在与样品表面相撞时，会发生多种相互作用，包括散射、表面反射、电子激发和离子抑制等。其中，离子抑制是IBE刻蚀设备的核心原理。

IBE刻蚀的优势

高精度：IBE刻蚀设备能够实现纳米级结构的制作，具有较高的刻蚀精度和表面光洁度。

高选择性：IBE刻蚀设备可以选择性地刻蚀不同材料，而不对其他材料产生影响，从而实现复杂器件的制作。

无损伤：IBE刻蚀设备采用非接触式刻蚀方式，不会对样品表面造成机械或热力学损伤。

高效率：IBE刻蚀设备工作速度快，能够在较短的时间内完成大面积的刻蚀。

IBE刻蚀的应用

IBE刻蚀设备作为一种基于离子束刻蚀技术的加工设备，具有高精度、高选择性、无损伤和高效率的优势。广泛应用于半导体、微电子和光电子等领域。它可以用于制作纳米级结构的晶体管、光学器件、传感器等微电子器，以及光栅、光波导等光电子器件。通过不断的创新和改进，IBE刻蚀设备将进一步推动微纳加工技术的发展。

图8 IBE 刻蚀成果图

化学物理刻蚀：反应离子刻蚀RIE

图9 RIE 设备原理图

RIE刻蚀的原理

反应离子刻蚀RIE是一种利用化学反应和物理离子轰击作用进行刻蚀的技术。在RIE中，整个真空壁接地作为阳极，而阴极是功率电极。阴极侧面的接地屏蔽罩可以防止功率电极受到溅射。待刻蚀的基片放置在功率电极上，腐蚀气体在反应室中充满，并在高频电场的作用下加速。

这些被加速的杂散电子与气体分子或原子发生随机碰撞，当电子的能量足够大时，会发生非弹性碰撞，产生二次电子发射。这些二次电子进一步与气体分子碰撞，激发或电离气体分子，引起电离和复合的激烈反应。当电子的产生和消失过程达到平衡时，放电能继续不断地维持下去。由非弹性碰撞产生的离子、电子及游离基（游离态的原子、分子或原子团）也称为等离子体，具有很强的化学活性，可以与被刻蚀样品表面的原子起化学反应，形成挥发性物质，达到腐蚀样品表层的目的。

同时，由于阴极附近的电场方向垂直于阴极表面，高能离子在一定的工作压力下，垂直地射向样品表面，进行物理轰击，使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性。这种技术在半导体集成电路的蚀刻工艺中非常重要，它通过切断保护膜物质的化学键，使之产生低分子物质，挥发或游离出板面，从而去除不需要的集成电路板上的保护膜。

RIE刻蚀的优势

各向异性好、选择比高、可控性、灵活性、重复性好。

RIE刻蚀的应用

RIE刻蚀能够实现良好的形貌控制能力、较高的选择比和可接受的刻蚀速率，广泛应用于集成电路、声表面波器件以及生物器件等领域。

图10 RIE 刻蚀成果图

化学物理刻蚀：感应耦合等离子刻蚀ICP

图11 ICP 设备原理图

ICP刻蚀的原理

ICP感应耦合等离子刻蚀的等离子体与材料表面发生反应，主要有两种形式，一种是化学反应，另一种是物理反应。

ICP刻蚀是利用高频电场激励气体形成等离子体，通过等离子体与材料表面反应来实现微纳加工的过程。ICP等离子刻蚀的等离子体产生主要有两种方式，一种是通过射频电场激励气体，另一种是通过微波电场激励气体。 

ICP刻蚀的优势

图形保真度和分辨率高：干法刻蚀能够提供高质量的图形，这得益于其在微观层面的精细控制能力。

适用范围广：干法刻蚀可以用于刻蚀难以通过湿法处理的薄膜，如氮化硅等。

清洁性好：生成的气态物质可以被有效抽出，减少了环境污染和化学品的处理成本。

良好的刻蚀均匀性和选择性：干法刻蚀能够在不同层之间以及同一层的不同区域保持刻蚀的一致性和准确性。

化学制品使用较少：相比湿法刻蚀，干法刻蚀使用的化学制品较少，从而降低了处理成本。

ICP刻蚀的应用

1. 微电子加工：ICP刻蚀是制备微电子器件的重要技术之一，可以实现高精度、高选择性、高效率的微纳加工，如制备MEMS器件、光电器件、集成电路器件等。

2. 生物芯片制备：ICP刻蚀可以实现生物芯片的制备，如微流控芯片、生物传感器等，可以实现对微米级别的生物样品的处理和检测。

3. 纳米加工：ICP刻蚀可以实现纳米级别的加工，如制备纳米结构、纳米管等，可以应用于光子学、电子学、生物医学等领域。

图12 ICP刻蚀设备成果图

常见的刻蚀技术还包括深反应离子刻蚀（DRIE）、激光刻蚀（laser etching）等。

图13 其他刻蚀方式成果展示

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小结

在不断发展的科技环境下，我们需要开发不同的工艺方式，也可以组合一些工艺方式，实现不同的需求和效果。

在微纳加工和半导体集成的制程中要根据实际需求选择合适的工艺方式以及工艺设备，以满足刻蚀精度和工艺效果。

图14 干湿法结合刻蚀的成果图

审核编辑：黄飞