一文詳解微納加工刻蝕工藝

?微納加工刻蝕工藝簡介??

微納加工是一種高度精密的制造技術，用于制造微小尺寸的結構和器件，通常在微米（百萬分之一米）和納米（十億分之一米）尺度范圍內。這種技術在許多領域中都有應用，包括電子、光學、生物醫學、納米技術和材料科學等。

微納加工的高精度和精確度，可以在微米和納米尺度上精確控制材料的形狀和結構，這使得制造微小器件和結構成為可能。那么刻蝕作為其中關鍵的一環，如何合理選用刻蝕方式，達到理想效果也成為關鍵。

圖1 微納加工刻蝕工藝圖

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什么是刻蝕

刻蝕就是用化學的、物理的或同時使用化學和物理的方法，有選擇地把沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形，?它在整個半導體工藝中是至關重要的一個步驟。隨著微制造工藝的發展，也衍生出了許多刻蝕方式，為微納加工開辟了更多可能。

刻蝕的方式有哪些

圖2 刻蝕方式分類圖

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主要刻蝕方式

在微納加工中，了解加工工藝及設備的原理和特點十分重要，以下將著重介紹刻蝕的主要方式和相關設備。

?濕法刻蝕?

濕法刻蝕的原理

濕法刻蝕是傳統的刻蝕方法。濕法刻蝕通過將樣片浸泡在一定的化學試劑或試劑溶液中，使沒有被抗蝕劑掩蔽的部分薄膜表面與試劑發生化學反應來達到除去效果。

濕法刻蝕的特點?

主要特點：各向同性，不易控制。

圖3 濕法刻蝕各向同性

濕法刻蝕的操作簡便、對設備要求低、易于實現大批量生產，并且刻蝕的選擇性也好。

濕法刻蝕的各向異性較差，橫向鉆蝕嚴重使所得的刻蝕剖面呈圓弧形，甚至使精確控制圖形尺寸變得困難。對于采用微米級和亞微米量級線寬的超大規模集成電路，刻蝕方法必須具有較高的各向異性特性，才能保證圖形的精度。

濕法刻蝕的應用

從半導體制造業一開始，濕法刻蝕就與硅片制造緊密相連。濕法刻蝕在漂去氧化硅、去除殘留物、表層剝離以及大尺寸圖形刻蝕應用等方面起著重要作用。

與干法刻蝕相比，濕法刻蝕的好處在于對下層材料具有高的選擇比，對器件不會帶來等離子體損傷，有著廣泛的應用。

圖4 幾種濕法應用案例

?干法刻蝕?

干法刻蝕的原理

干法刻蝕是利用氣相中的化學或物理反應來去除材料表面的刻蝕工藝。其中最常見的干法刻蝕包括物理刻蝕（離子束刻蝕，IBE）、等離子刻蝕（如反應離子刻蝕，RIE）。

干法刻蝕的特點

主要特點：各向異性蝕刻，圖形的保真性高。

圖5 干法刻蝕效果圖

當氣體以等離子體形式存在時，它具備兩個特點。第一個特點，等離子體中的這些氣體化學活性比常態下時要強很多，根據被刻蝕材料的不同，選擇合適的氣體，就可以更快地與材料進行反應，實現刻蝕去除的目的。第二個特點，等離子氣體還可以利用電場對等離子體進行引導和加速，使其具備一定能量，當其轟擊被刻蝕物的表面時，會將被刻蝕物材料的原子擊出，從而達到利用物理上的能量轉移來實現刻蝕的目的。因此，干法刻蝕是晶圓片表面物理和化學兩種過程平衡的結果。

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干法刻蝕的機制

干法蝕刻的三種主要機制：

物理干法蝕刻：加速粒子對晶圓表面的物理磨損。

化學干法蝕刻：氣體與晶圓表面發生化學反應。

化學、物理干法蝕刻：具有化學特性的物理蝕刻工藝。

實際運用中常用類型為物理刻蝕與化學物理刻蝕，以下著重介紹實際常用類型及相關設備。

物理刻蝕：離子束刻蝕IBE

圖6 IBE 設備原理圖

圖7 IBE 設備核心離子源結構一覽

IBE刻蝕的原理

IBE刻蝕設備采用離子束刻蝕技術，其原理基于離子和固體表面的相互作用。具體而言，離子束通過控制系統加速并聚焦，然后瞄準待刻蝕的樣品表面。離子束在與樣品表面相撞時，會發生多種相互作用，包括散射、表面反射、電子激發和離子抑制等。其中，離子抑制是IBE刻蝕設備的核心原理。

IBE刻蝕的優勢

高精度：IBE刻蝕設備能夠實現納米級結構的制作，具有較高的刻蝕精度和表面光潔度。

高選擇性：IBE刻蝕設備可以選擇性地刻蝕不同材料，而不對其他材料產生影響，從而實現復雜器件的制作。

無損傷：IBE刻蝕設備采用非接觸式刻蝕方式，不會對樣品表面造成機械或熱力學損傷。

高效率：IBE刻蝕設備工作速度快，能夠在較短的時間內完成大面積的刻蝕。

IBE刻蝕的應用

IBE刻蝕設備作為一種基于離子束刻蝕技術的加工設備，具有高精度、高選擇性、無損傷和高效率的優勢。廣泛應用于半導體、微電子和光電子等領域。它可以用于制作納米級結構的晶體管、光學器件、傳感器等微電子器，以及光柵、光波導等光電子器件。通過不斷的創新和改進，IBE刻蝕設備將進一步推動微納加工技術的發展。

圖8 IBE 刻蝕成果圖

化學物理刻蝕：反應離子刻蝕RIE

圖9 RIE 設備原理圖

RIE刻蝕的原理

反應離子刻蝕RIE是一種利用化學反應和物理離子轟擊作用進行刻蝕的技術。在RIE中，整個真空壁接地作為陽極，而陰極是功率電極。陰極側面的接地屏蔽罩可以防止功率電極受到濺射。待刻蝕的基片放置在功率電極上，腐蝕氣體在反應室中充滿，并在高頻電場的作用下加速。

這些被加速的雜散電子與氣體分子或原子發生隨機碰撞，當電子的能量足夠大時，會發生非彈性碰撞，產生二次電子發射。這些二次電子進一步與氣體分子碰撞，激發或電離氣體分子，引起電離和復合的激烈反應。當電子的產生和消失過程達到平衡時，放電能繼續不斷地維持下去。由非彈性碰撞產生的離子、電子及游離基（游離態的原子、分子或原子團）也稱為等離子體，具有很強的化學活性，可以與被刻蝕樣品表面的原子起化學反應，形成揮發性物質，達到腐蝕樣品表層的目的。

同時，由于陰極附近的電場方向垂直于陰極表面，高能離子在一定的工作壓力下，垂直地射向樣品表面，進行物理轟擊，使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性。這種技術在半導體集成電路的蝕刻工藝中非常重要，它通過切斷保護膜物質的化學鍵，使之產生低分子物質，揮發或游離出板面，從而去除不需要的集成電路板上的保護膜。

RIE刻蝕的優勢

各向異性好、選擇比高、可控性、靈活性、重復性好。

RIE刻蝕的應用

RIE刻蝕能夠實現良好的形貌控制能力、較高的選擇比和可接受的刻蝕速率，廣泛應用于集成電路、聲表面波器件以及生物器件等領域。