半导体工艺中的刻蚀工艺综述：原理、材料与未来趋势

1. 刻蚀工艺总览 🧩

刻蚀是半导体制造中紧随光刻后的关键步骤，用于移除暴露区域的材料，以形成微结构。广义可分为两大类：

• 湿法刻蚀（Wet Etching）：利用液体化学试剂对材料进行各向同性腐蚀；
• 干法刻蚀（Dry Etching）：通过气相化学或物理作用实现刻蚀，主流工艺，市场占比超过95%。
  
  

2. 湿法刻蚀原理

• 利用化学溶液（如 HF、KOH、BOE 等）与目标材料反应，生成可溶解产物然后移除。
• 各向同性切除，简便低成本，但难控制侧向蚀刻，仅适用于尺寸较大的结构（>3 μm）。
  
  

常见材料与蚀刻剂

• SiO₂ / Si₃N₄：通常使用 BOE（缓冲氟化氢）以控制速率与质量；
• 硅：采用 KOH（选择掺杂依赖性高）；
• 黑硅 / 多孔硅制备：金属辅助化学刻蚀（MACE），金、铂、Ag 等金属催化 HF/H₂O₂ 混合液，通过孔结构实现垂直刻蚀。
  
  

优缺点

优点：设备简便、成本低、适合大面积整体去除
缺点：各向同性、不适微构、选择性差

3. 干法刻蚀
(1) 物理刻蚀

• IBE（Ion Beam Etching）：用高能惰性离子（如 Ar⁺）直接撞击材料表面，物理溅射出原子。
  
  
  • 优：高各向异性、广材质适应性
  • 弱：速率低、选择性差、粒子污染
    
    

(2) 化学刻蚀

• 等离子体化学刻蚀：采用激发气体（如 CF₄、Cl₂、O₂）形成活性自由基，与材料化学反应形成挥发性产物。
  
  

(3) 反应离子刻蚀 RIE / ICP‑RIE

• RIE：结合物理轰击（离子加速）与化学反应，达到高各向异性。
• 典型气体：
  
  
  • SF₆ 或 CHF₃：刻蚀 SiO₂；
  • Cl₂, BCl₃: 刻蚀 Si、III‑V 半导体；
  • O₂: 清除有机光刻胶；
    
    
• ICP‑RIE（电感耦合等离子体 RIE）：高密度离子与分离偏压，使速率高且精度高，适合 SiC、GaN、金刚石等硬材料。
  
  
  

气体选择示例

被蚀材质	推荐气体	作用机制
Si	Cl₂, BCl₃	化学离子反应
SiO₂, Si₃N₄	CF₄, CHF₃	形成挥发性 SiF₄
HfO₂, Al₂O₃	BCl₃	高速稳定蚀刻
金刚石	O₂（零偏压等离子体）	各向同性/异性刻蚀

4. 高级刻蚀技术
(1) 深反应离子蚀刻（Deep RIE / Bosch Process）

• 用交替电脉冲（如 SF₆ 蚀刻 / C₄F₈ 侧壁钝化）实现高纵横比结构，无论 IC 还是 MEMS 应用均极其重要。
  
  

(2) 原子层刻蚀（ALE）

• 通过自限制的化学反应逐层去除原子级别材料，精度 ~0.1 nm，用于 EUV 掩模修复。
  
  

(3) 金属辅助化学刻蚀（MACE）

• 利用金属催化剂加速蚀刻，生成垂直纳米孔；适用于黑硅、黑 GaAs、多孔结构等。
  
  

5. 工艺选择考量

关键指标包括：各向异性（是否垂直侧壁）、选择性（相对光刻胶/掩膜）、蚀刻速率 vs 精度平衡。

• 湿法刻蚀：适合粗结构，缺乏微细控制；
• IBE：单纯物理，高度各向异性，稳健但速度慢；
• RIE／ICP‑RIE：现工业主流，高速高精，高选择性；
• ALE：应用于极高精度要求；
• MACE：纳米孔结构制造的研究利器。
  
  

6. 总结与展望

• 现代刻蚀以干法为主，结合物理/化学手段，气体组合与系统配置（如 ICP）是关键；
• 高级技术（DEEP RIE、ALE）成为先进节点和纳米结构制造的核心；
• MACE 等新技术为成本低廉、垂直纳米孔结构提供新途径，但尚未大规模产业化。
  
  

未来趋势将朝向更高精度、更高纵横比、更低损伤的刻蚀工艺发展，特别是在先进封装（3D IC）、MEMS、生物芯片等领域，有巨大潜力。