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(shù)，用于制造微小尺寸的結(jié)構(gòu)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(nèi)。這種技術(shù)在許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，包括電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)和材料科學(xué)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(jié)構(gòu)，這使得制造微小器件和結(jié)構(gòu)成為可能。那么刻蝕作為其中關(guān)鍵的一環(huán)，如何合理選用刻蝕方式，達(dá)到理想效果也成為關(guān)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(xué)的、物理的或同時使用化學(xué)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(dǎo)體工藝中是至關(guān)重要的一個步驟。隨著微制造工藝的發(fā)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(shè)備的原理和特點(diǎn)十分重要，以下將著重介紹刻蝕的主要方式和相關(guān)設(shè)備。

?濕法刻蝕?

濕法刻蝕的原理

濕法刻蝕是傳統(tǒng)的刻蝕方法。濕法刻蝕通過將樣片浸泡在一定的化學(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到除去效果。

濕法刻蝕的特點(diǎn)?

主要特點(diǎn)：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(shè)備要求低、易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，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(yán)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(guī)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(yīng)用

從半導(dǎo)體制造業(yè)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(yīng)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(yīng)用。

圖4 幾種濕法應(yīng)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(xué)或物理反應(yīng)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(yīng)離子刻蝕，RIE）。

干法刻蝕的特點(diǎn)

主要特點(diǎn)：各向異性蝕刻，圖形的保真性高。

圖5 干法刻蝕效果圖

當(dāng)氣體以等離子體形式存在時，它具備兩個特點(diǎn)。第一個特點(diǎn)，等離子體中的這些氣體化學(xué)活性比常態(tài)下時要強(qiáng)很多，根據(jù)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(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)刻蝕去除的目的。第二個特點(diǎn)，等離子氣體還可以利用電場對等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速，使其具備一定能量，當(dāng)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(dá)到利用物理上的能量轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的。因此，干法刻蝕是晶圓片表面物理和化學(xué)兩種過程平衡的結(jié)果。

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干法刻蝕的機(jī)制

干法蝕刻的三種主要機(jī)制：

物理干法蝕刻：加速粒子對晶圓表面的物理磨損。

化學(xué)干法蝕刻：氣體與晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

化學(xué)、物理干法蝕刻：具有化學(xué)特性的物理蝕刻工藝。

實(shí)際運(yùn)用中常用類型為物理刻蝕與化學(xué)物理刻蝕，以下著重介紹實(shí)際常用類型及相關(guān)設(shè)備。

物理刻蝕：離子束刻蝕IBE

圖6 IBE 設(shè)備原理圖

圖7 IBE 設(shè)備核心離子源結(jié)構(gòu)一覽

IBE刻蝕的原理

IBE刻蝕設(shè)備采用離子束刻蝕技術(shù)，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(tǒng)加速并聚焦，然后瞄準(zhǔn)待刻蝕的樣品表面。離子束在與樣品表面相撞時，會發(fā)生多種相互作用，包括散射、表面反射、電子激發(fā)和離子抑制等。其中，離子抑制是IBE刻蝕設(shè)備的核心原理。

IBE刻蝕的優(yōu)勢

高精度：IBE刻蝕設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)納米級結(jié)構(gòu)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(shè)備可以選擇性地刻蝕不同材料，而不對其他材料產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器件的制作。

無損傷：IBE刻蝕設(shè)備采用非接觸式刻蝕方式，不會對樣品表面造成機(jī)械或熱力學(xué)損傷。

高效率：IBE刻蝕設(shè)備工作速度快，能夠在較短的時間內(nèi)完成大面積的刻蝕。

IBE刻蝕的應(yīng)用

IBE刻蝕設(shè)備作為一種基于離子束刻蝕技術(shù)的加工設(shè)備，具有高精度、高選擇性、無損傷和高效率的優(yōu)勢。廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子和光電子等領(lǐng)域。它可以用于制作納米級結(jié)構(gòu)的晶體管、光學(xué)器件、傳感器等微電子器，以及光柵、光波導(dǎo)等光電子器件。通過不斷的創(chuàng)新和改進(jìn)，IBE刻蝕設(shè)備將進(jìn)一步推動微納加工技術(shù)的發(fā)展。

圖8 IBE 刻蝕成果圖

化學(xué)物理刻蝕：反應(yīng)離子刻蝕RIE

圖9 RIE 設(shè)備原理圖

RIE刻蝕的原理

反應(yīng)離子刻蝕RIE是一種利用化學(xué)反應(yīng)和物理離子轟擊作用進(jìn)行刻蝕的技術(shù)。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(cè)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(yīng)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(fā)生隨機(jī)碰撞，當(dāng)電子的能量足夠大時，會發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。這些二次電子進(jìn)一步與氣體分子碰撞，激發(fā)或電離氣體分子，引起電離和復(fù)合的激烈反應(yīng)。當(dāng)電子的產(chǎn)生和消失過程達(dá)到平衡時，放電能繼續(xù)不斷地維持下去。由非彈性碰撞產(chǎn)生的離子、電子及游離基（游離態(tài)的原子、分子或原子團(tuán)）也稱為等離子體，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，可以與被刻蝕樣品表面的原子起化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，達(dá)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(jìn)行物理轟擊，使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。這種技術(shù)在半導(dǎo)體集成電路的蝕刻工藝中非常重要，它通過切斷保護(hù)膜物質(zhì)的化學(xué)鍵，使之產(chǎn)生低分子物質(zhì)，揮發(fā)或游離出板面，從而去除不需要的集成電路板上的保護(hù)膜。

RIE刻蝕的優(yōu)勢

各向異性好、選擇比高、可控性、靈活性、重復(fù)性好。

RIE刻蝕的應(yīng)用

RIE刻蝕能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用于集成電路、聲表面波器件以及生物器件等領(lǐng)域。

圖10 RIE 刻蝕成果圖

化學(xué)物理刻蝕：感應(yīng)耦合等離子刻蝕ICP

圖11 ICP 設(shè)備原理圖

ICP刻蝕的原理

ICP感應(yīng)耦合等離子刻蝕的等離子體與材料表面發(fā)生反應(yīng)，主要有兩種形式，一種是化學(xué)反應(yīng)，另一種是物理反應(yīng)。

ICP刻蝕是利用高頻電場激勵氣體形成等離子體，通過等離子體與材料表面反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微納加工的過程。ICP等離子刻蝕的等離子體產(chǎn)生主要有兩種方式，一種是通過射頻電場激勵氣體，另一種是通過微波電場激勵氣體。?

ICP刻蝕的優(yōu)勢

圖形保真度和分辨率高：干法刻蝕能夠提供高質(zhì)量的圖形，這得益于其在微觀層面的精細(xì)控制能力。

適用范圍廣：干法刻蝕可以用于刻蝕難以通過濕法處理的薄膜，如氮化硅等。

清潔性好：生成的氣態(tài)物質(zhì)可以被有效抽出，減少了環(huán)境污染和化學(xué)品的處理成本。

良好的刻蝕均勻性和選擇性：干法刻蝕能夠在不同層之間以及同一層的不同區(qū)域保持刻蝕的一致性和準(zhǔn)確性。

化學(xué)制品使用較少：相比濕法刻蝕，干法刻蝕使用的化學(xué)制品較少，從而降低了處理成本。

ICP刻蝕的應(yīng)用

1. 微電子加工：ICP刻蝕是制備微電子器件的重要技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高選擇性、高效率的微納加工，如制備MEMS器件、光電器件、集成電路器件等。

2. 生物芯片制備：ICP刻蝕可以實(shí)現(xiàn)生物芯片的制備，如微流控芯片、生物傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)對微米級別的生物樣品的處理和檢測。

3. 納米加工：ICP刻蝕可以實(shí)現(xiàn)納米級別的加工，如制備納米結(jié)構(gòu)、納米管等，可以應(yīng)用于光子學(xué)、電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

圖12 ICP刻蝕設(shè)備成果圖

常見的刻蝕技術(shù)還包括深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）、激光刻蝕（laser etching）等。

圖13 其他刻蝕方式成果展示

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小結(jié)

在不斷發(fā)展的科技環(huán)境下，我們需要開發(fā)不同的工藝方式，也可以組合一些工藝方式，實(shí)現(xiàn)不同的需求和效果。

在微納加工和半導(dǎo)體集成的制程中要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工藝方式以及工藝設(shè)備，以滿足刻蝕精度和工藝效果。

圖14 干濕法結(jié)合刻蝕的成果圖

審核編輯：黃飛

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