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作者 - 初芒
本期核心关键词 - 干法刻蚀
在科技日新月异的今天，微纳光学是当前光学发展最活跃的前沿领域之一。它结合了光学和微纳技术的前沿成果，可以在微小尺度电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能，成为 21 世纪不可或缺的关键科学技术。微纳光学以其独特的魅力，引领着光学领域的前沿探索。而干法刻蚀技术，作为微纳光学领域的核心工艺之一，以其高精度、高效率的特点，为光学器件的制造和性能提升开辟了新的道路。本文将带领大家走进微纳加工工艺中的神奇“雕刻师”—干法刻蚀技术，一探其奥妙与魅力，共同领略科技带来的无限可能。
来源：Applied Materials
来源：Lam Research
图1-刻蚀设备一览
干法刻蚀简介
刻蚀工艺的实质就是去除材料，根据其机理分为湿法刻蚀（化学效应）和等离子体干法刻蚀（物理效应和化学效应的有机结合）。典型的工艺是利用了对光刻胶或电介质选择性掩蔽的薄膜或基底的垂直和水平刻蚀速率进行定制的能力，从而实现高保真图案转移。
图2-刻蚀原理示意图
与传统的湿法刻蚀相比，干法刻蚀具有更高的精度和更小的损伤，适用于制备微纳米尺度的器件和结构。干法刻蚀在微纳器件的制造中起着基础性作用。为了实现高效的工艺，可靠地刻蚀出所需轮廓的纳米尺寸特征，全世界已经进行了大量的研发工作。
表1-干法刻蚀的几种模式
其中，离子束刻蚀（Ion Beam Etching, IBE）和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching, RIE）两种刻蚀模式各自具有独特的优点，为了同时结合IBE和RIE两种模式的优点，研究者们开发了反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching, RIBE）技术。RIBE技术结合了IBE的高方向性和RIE的高刻蚀速率，通过优化离子束的能量、束流密度和反应性气体的种类及流量等参数，实现了对材料的高效、高精度刻蚀。且由于刻蚀腔体大，可以实现倾角刻蚀，这一点对满足不同图形结构如斜齿、闪耀光栅等需求尤为重要。
图3-IBE倾角刻蚀系统示意图[1]
在干法刻蚀过程中，工艺表征参数的优化对最终产品的性能和质量具有重要影响。这些参数包括刻蚀速率、选择比、刻蚀片内均一性和各向异性（刻蚀角度），它们直接影响着加工结果的精度、表面质量和结构特征。如下图所示：
图4-评估干法刻蚀性能的参数[2]
各向异性刻蚀机理
各向异性是指不同方向（水平、垂直）刻蚀速率不同。实现各向异性刻蚀的基本方法是使表面反应只在垂直方向上进行。离子辅助反应是实现这一目标的一种方法。
图5-各向同性刻蚀与各向异性刻蚀[3]
离子辅助反应是指进入的离子增强表面反应的一种现象。在离子辅助反应发生的系统中，由于离子辅助反应的刻蚀速率比自由基的刻蚀速率大几个数量级[3]，具体而言，当离子垂直入射到基底表面时，它们与表面的相互作用会导致在垂直方向上产生快速的刻蚀效果。与此相反，自由基在水平方向上的刻蚀速率则相对较慢。这就是离子辅助反应的各向异性刻蚀原理。
干法刻蚀的优缺点
• 避免了人为接触使用危化品；
• 相比湿法刻蚀，使用的化学品用量少，减少了成本和废液处理的负担；
• 可以实现近乎垂直的侧壁，有利于制备具有精确几何形貌的微纳结构。这种垂直侧壁可以确保器件的几何形状和尺寸精确一致，提高了器件的性能稳定性和可靠性；
• 高分辨率，10nm以下刻蚀可能，满足对高精度器件的需求；
• 可以实现无Undercut，即避免了在刻蚀过程中材料底部的侵蚀现象，确保了加工结构的完整性和精度；
• 能够稳定地重复制备具有一致性的微纳结构，有利于实现批量生产和器件的标准化制备；
• 保证了器件表面的纯净性和质量稳定性，符合高端器件制备的要求。
尽管干法刻蚀技术在微纳加工中具有诸多优点，但也存在一些不可忽视的缺点：
• 一些刻蚀气体有剧毒或高腐蚀性，对操作人员和环境构成潜在危险。在操作过程中需要严格控制刻蚀气体的使用和排放，确保操作安全性和环境健康；
• 另外，干法刻蚀设备通常具有较高的成本，包括设备本身的购置费用、维护费用和运行成本等。
应用难点
在半导体材料的图案化过程中，随着特征尺寸的减小，对各向异性等离子体刻蚀的控制变得越来越重要，而且在较小的线宽下不允许出现轮廓形状偏差。要为高纵横比技术开发有效的制造工艺，就必须从根本上控制刻蚀特征形状的各种因素。事实上，随着器件尺寸越来越小，高宽比（刻蚀深度与沟槽宽度之比）也会越来越大。
奥来样品展示
在微纳光学领域的深入探索中，奥来凭借扎实的研发实力和专业的技术团队，取得了一系列重要的干法刻蚀成果。这些成果不仅展现了我们在微纳光学加工方面的精湛技艺，更为行业的共同进步与发展提供了有力支撑。让我们在探索微纳光学的奇妙世界中共同领略这些光学元件的精致之美。
图6-刻蚀样品SEM图
未来展望
得益于半导体制造技术的发展，微纳光学元件可以在与集成电路制造一样的洁净室中实现大批量制造。微纳光学加工的历史包含了大量的技术创新，而不仅仅是在精细几何结构方面，而且该行业已经将许多过去似乎遥不可及的技术商业化。因此，它取得了今天所看到的繁荣发展。随着技术的不断进步和成熟，我们也相信干法刻蚀技术将实现更高的加工精度和效率，为更多创新产品的诞生提供有力支持。
参考文献
[1] Wang X, Liu Y, Xu X, et al. Reactive ion beam etching of HfO2 film and removal of sidewall redeposition [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2006, 24(4): 1067-1072.
[2] Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors [M]. Springer, 2015.
[3] Coburn J W, Winters H F. Ion‐and electron‐assisted gas‐surface chemistry— An important effect in plasma etching [J]. Journal of Applied physics, 1979, 50(5): 3189-3196.
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