刻蚀不同材料所使用的气体及其原理分析

1. 半导体干法刻蚀简介

• 干法刻蚀通过化学反应或物理辅助移除材料，以生成可挥发产物便于抽真空排除，并实现高各向异性（侧壁垂直）。
• 结合化学与物理作用（如电感耦合等离子体+偏压离子轰击）是当下主流路径。
  
  

2. 常见金属材料与气体分析
2.1 铝（Al）

气体组合：Cl₂ + BCl₃（或 Cl₂ + SiCl₄/CCl₄）

• Cl₂ 与Al反应生成可挥发的AlCl₃；
• BCl₃ 清除氧化层Al₂O₃，提高刻蚀速率与选择性。
  
  

2.2 钛、TiN 等

气体组合：BCl₃ + Ar，或 Cl₂ + BCl₃

• BCl₃ 实现化学刻蚀；
• Ar 离子轰击增强刻蚀方向性，实现垂直侧壁结构。
  
  

2.3 铜（Cu）

气体组合：Cl₂ + Ar

• Cl₂ 刻蚀铜生成挥发物；
• Ar 引入物理助力，使侧壁更垂直、表面更平滑。
  
  

2.4 贵金属（金Au、铂Pt、铬Cr 等）

气体组合：Cl₂，或 CCl₄

• Cl₂ 等离子体刻蚀产生AuCl₃、PtCl₄等挥发物，实现高速、高纵横比刻蚀。
  
  

2.5 钨（W）

气体组合：

• Cl₂ + NF₃：Cl₂ 刻蚀钨，NF₃ 提供氟自由基协助清除氧化物；
• 纯氟化气体（CF₄/SF₆/NF₃）：生成 WF₆ 等挥发物。
  趋势技术：原子层刻蚀（ALE）通过交替氧化/氯化，实现亚纳米精度。
  
  

2.6 宽禁带金属化层（Ga₂O₃、GaN等）

气体组合：BCl₃ + Ar，或 Cl₂ + BCl₃

• BCl₃ 清除氧化层，Cl₂ 与材料反应生成挥发物；
• Ar 离子激撞提高刻蚀清除能力，实现高纵横比侧壁。
  
  

2.7 SiO₂（二氧化硅）

常用气体：含氟化碳类（CF₄、SF₆、CHF₃、C₄F₈、C₅HF₇ 等）

• CF₄ / CHF₃ / SF₆：释放 F·自由基，与 SiO₂ 反应生成 SiF₄ 等挥发物，实现高效刻蚀。
• C₄F₈、C₅HF₇：属于含 H 的含氟聚合物气体，能在氟化自由基作用下形成碳氟钝化保护层，有助于高选择性蚀刻和侧壁保护 。
• COF₂：近年来作为低 GWP 绿色替代品，可产生 F₂ 和 CO，两者协同也能蚀刻 SiO₂；刻蚀速率略低但环保性更好。
• 摩擦离子刻蚀 + 氩辅助（Ar）：可提高蚀刻各向异性并防止炭层过度沉积。
  
  

选择理由：

• 含氟气体能提供强反应性 F·自由基，是形成挥发性硅氟化合物的关键；
• 聚合物气体控制刻蚀选择性和壁面状态；
• 新型 COF₂ 提供环保替代方案。
  
  

3. 为什么使用这些气体？

作用类型	气体组合	机制说明
化学刻蚀剂	Cl₂, BCl₃, CCl₄, CF₄, SF₆, NF₃	形成挥发性卤化物（如 AlCl₃、WF₆ 等）
清除氧化层	BCl₃, Cl₂	去除表面氧化物，提高选择性
物理辅助刻蚀	Ar, He	离子轰击提升侧壁垂直与平滑度
高选择性刻蚀	Cl₂ + NF₃	Cl₂ 刻蚀金属，NF₃ 清除氧化副产，提升侧壁结构
ALE 精准控制	Cl₂、WF₆ + 氧化剂等	逐原子层刻蚀控制精度达亚纳米级

4. 总结

• 化学剂（Cl₂、BCl₃、NF₃、CF₄等）是形成挥发性产物的关键；
• 物理助气（Ar、He）辅助实现方向性与光滑度控制；
• 多种气体混配实现针对不同材料（铝、钛、铜、钨、贵金属、GaN等）的精细刻蚀；
• **原子层刻蚀（ALE）**等前沿技术实现更高精度控制，适用于先进节点与高纵横比结构。