湿法与干法刻蚀

湿法与干法刻蚀

定义

刻蚀是把已由光刻在掩模层上形成的图形转移到其下方材料层中的工艺步骤：未被掩模覆盖的区域被去除，被掩模覆盖的区域保留，从而在基片或薄膜上得到所需结构。按去除材料所依赖的介质与机理，刻蚀分为湿法刻蚀与干法刻蚀。

湿法刻蚀是把待刻蚀基片浸入液态化学刻蚀液，或向其表面喷淋刻蚀液，依靠溶液与暴露材料之间的化学反应把材料转化为可溶或可被冲洗掉的产物，从而去除材料。干法刻蚀是在低压气体或等离子体环境中进行，利用气相活性粒子与材料反应生成挥发性产物并被抽走，或利用离子轰击使材料以物理方式溅射离开表面，从而去除材料。

必要关系与推导

刻蚀结果可用刻蚀速率、选择比和各向异性描述。刻蚀速率指单位时间内材料被去除的厚度，通常写为

R = Δd / Δt

其中Δd为去除厚度，Δt为刻蚀时间。选择比是目标材料刻蚀速率与另一材料（掩模或底层）刻蚀速率之比：

S = R_target / R_other

S越大，越容易在去除目标材料时少损伤掩模和底层。各向异性程度可用横向刻蚀速率R_lateral与纵向刻蚀速率R_vertical之比衡量：

A = 1 - R_lateral / R_vertical

当R_lateral≈0时A≈1，刻蚀几乎只沿深度方向进行，为各向异性刻蚀；当R_lateral≈R_vertical时A≈0，为各向同性刻蚀。湿法刻蚀通常由化学反应控制，各向同性较明显；干法刻蚀中离子轰击具有方向性，容易获得各向异性。

公式符号及条件

上述R、S、A均针对同一刻蚀条件（温度、浓度或气体组成、功率、压强）和同一材料组合而言；改变条件会改变各速率，因而改变S和A。刻蚀时间由目标去除厚度与R决定：

t = Δd / R

实际中需留有少量过刻蚀时间以补偿厚度和速率不均匀，但过刻蚀会增大对掩模和底层的去除量，因此要求S足够大。

选择去除目标材料的一般考虑

选择湿法或干法，以及选择具体刻蚀液或气体，核心是使目标材料被有效去除，同时掩模和底层材料去除很少。一般考虑包括：

1. 选择比：刻蚀剂对目标材料的反应速率应显著高于对掩模和底层的速率，否则图形会失真或底层被穿透。
2. 各向异性需求：需要垂直侧壁、精确线宽时选干法各向异性刻蚀；只需去除整层材料、对侧壁形状要求不高时可用湿法。
3. 材料体系：湿法要求反应产物可溶或可被冲洗；干法要求产物具有挥发性，能被真空系统抽走。
4. 掩模兼容性：掩模层不能与刻蚀剂发生明显反应，也不能在刻蚀温度下变形或剥落。
5. 损伤与洁净：干法中的离子轰击可能引入表面损伤或电荷；湿法可能留下残液，需后续冲洗和干燥。
6. 均匀性与终点控制：大面积基片上速率应均匀，并需有终点检测或定时控制，避免过刻蚀或刻蚀不足。

因此，刻蚀工艺的选择不是只看能否去除目标材料，而是同时满足选择比、方向性、掩模兼容、产物可移除和工艺可控等条件。