干法刻蚀可刻材料与不可刻材料

在微纳加工中，干法刻蚀（Dry Etching）是通过等离子体（含离子、自由基、中性粒子等）与材料表面的物理/化学反应实现材料去除的技术。其适用性主要取决于材料与刻蚀气体的反应活性及反应产物的挥发性。以下从可刻材料、不可刻材料及原因三方面展开分析：

一、可刻材料及原因

干法刻蚀可处理的材料主要包括半导体、介电质、金属及部分功能材料，核心条件是材料能与刻蚀气体发生反应生成易挥发的产物（如气体或低沸点化合物），从而被等离子体抽离表面。

1. 半导体材料

• 典型材料：硅（Si）、锗（Ge）、硅锗合金（SiGe）、碳化硅（SiC，特定条件下）等。

• 原因：
       硅是最常见的半导体材料，可与氟基（如CF₄、SF₆）或氯基（如Cl₂、HBr）刻蚀气体反应，生成挥发性产物（如SiF₄、SiCl₄）。例如，氯基刻蚀硅的反应为：
       Si+2Cl2→SiCl4↑
       SiCl₄的沸点（57.6℃）低，易被真空系统抽除。锗的反应类似（生成GeCl₄，沸点83.1℃），也可被刻蚀。

2. 介电质材料

• 典型材料：二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、氧化铝（Al₂O₃）等。

• 原因：
       SiO₂常用氟基气体（如CF₄+O₂）刻蚀，反应生成SiF₄和CO₂（均为气体）：
       SiO2+4CF4+O2→SiF4↑+4CO2↑+2F2
       氮化硅（Si₃N₄）则需更高活性的气体（如CF₄+CHF₃+O₂），生成SiF₄和N₂（N₂沸点-196℃，易挥发）。

3. 金属材料

• 典型材料：铝（Al）、铜（Cu）、钨（W）、钛（Ti）、钽（Ta）等。

• 原因：
       铝可与氯基气体（Cl₂、BCl₃）反应生成AlCl₃（沸点180℃，升华后易挥发）：
       2Al+3Cl2→2AlCl3↑
       钨常用氟基气体（如SF₆）刻蚀，生成WF₆（沸点17.5℃，易挥发）。铜虽化学惰性较高，但可通过Cl₂+O₂混合气体刻蚀（生成CuCl₂，需高温或高功率促进挥发）。

4. 其他功能材料

• 典型材料：光刻胶（Photoresist）、聚合物（如PMMA）、氮化镓（GaN）等。

• 原因：
       光刻胶和聚合物主要通过物理溅射（离子轰击）或化学分解（氟基气体断裂C-H/C-C键）去除，产物为小分子气体（如CO、H₂O）。GaN可与Cl₂+BCl₃刻蚀，生成GaCl₃（沸点201℃，升华后挥发）。

二、不可刻材料及原因

干法刻蚀难以处理的材料通常是化学惰性强（难以与刻蚀气体反应）或反应产物非挥发（沉积在表面阻碍刻蚀）的材料。

1. 贵金属及难熔金属

• 典型材料：金（Au）、铂（Pt）、铱（Ir）、钨（W在特定条件下难刻）等。

• 原因：
       贵金属的原子键能高（如Au的Au-Au键能约285 kJ/mol），且与常见刻蚀气体（F、Cl基）反应活性低。例如，Au与Cl₂在常温下几乎不反应，高温下生成的AuCl₃虽可挥发（沸点303℃），但刻蚀速率极慢（远低于掩膜材料），导致选择性差（掩膜优先被刻蚀），因此工艺中通常避免用干法刻蚀贵金属，转而采用化学机械抛光（CMP）或聚焦离子束（FIB）辅助加工。

2. 超硬陶瓷与共价键材料

• 典型材料：金刚石（Diamond）、立方氮化硼（c-BN）、碳化硅（SiC，高刻蚀速率条件除外）等。

• 原因：
       金刚石的sp³碳键键能极高（约347 kJ/mol），常规氟基/氯基气体难以断裂其化学键，需极高功率（如电子回旋共振ECR刻蚀）或使用强腐蚀性气体（如O₂+HBr），但刻蚀速率仍极低（纳米级/分钟），无实用价值。立方氮化硼（c-BN）的键能（约750 kJ/mol）比金刚石更高，同样难以刻蚀。

3. 高熔点氧化物与复合陶瓷

• 典型材料：氧化锆（ZrO₂）、氧化铪（HfO₂，特定条件下可刻）、某些陶瓷基复合材料（如SiC-Si₃N₄）等。

• 原因：
       ZrO₂的化学稳定性高，与氟基气体反应生成的ZrF₄虽可挥发（沸点900℃），但需极高温度（>800℃）才能有效反应，而低温下反应速率极慢，无法用于微纳加工。HfO₂在O₂+CF₄刻蚀中需结合高能离子轰击（反应离子刻蚀RIE），但选择性差（易损伤下层材料）。

4. 部分有机/生物材料

• 典型材料：某些高分子聚合物（如聚酰亚胺PI，特定条件下可刻）、生物组织（如蛋白质）等。

• 原因：
       多数有机材料的C-C/C-H键能较低（约347      kJ/mol），理论上可被氟基气体（如CF₄）刻蚀，但需控制等离子体功率以避免碳化（生成非挥发的碳颗粒）。生物组织因含水且成分复杂，干法刻蚀易导致表面粗糙或热损伤，通常采用湿法或低温等离子体处理。

三、关键影响因素总结

干法刻蚀的可行性核心取决于两点：

1. 反应活性：材料与刻蚀气体（如F、Cl、Br基）的化学键能是否匹配，能否通过电子激发（等离子体）断裂化学键。

2. 产物挥发性：反应生成的化合物是否为气体或低沸点物质（如SiCl₄沸点57.6℃），否则会沉积在表面形成“聚合物钝化层”，阻碍进一步刻蚀（如刻蚀Al时需O₂辅助去除AlCl₃残留）。

结论

干法刻蚀适用于反应活性高、产物易挥发的材料（如Si、SiO₂、Al、光刻胶等），而化学惰性强、产物非挥发的材料（如Au、金刚石、HfO₂等）难以用常规干法刻蚀。实际工艺中需根据材料特性选择刻蚀气体（氟基/氯基/溴基）、功率、压力等参数，并平衡刻蚀速率与选择性（避免掩膜或下层材料损伤）。