微纳加工中的刻蚀工艺是制造微米和纳米尺度结构的关键技术之一，主要用于选择性去除材料以形成所需的图案或结构。刻蚀工艺可分为 湿法刻蚀 和 干法刻蚀 两大类，各有特点和应用场景。以下是详细解析：

1. 湿法刻蚀（Wet Etching）

原理：利用化学溶液与待刻蚀材料发生反应，生成可溶性产物，从而去除材料。

特点：

各向同性刻蚀：通常横向和纵向刻蚀速率相近，导致钻蚀现象（undercut）。

选择性高：不同材料间刻蚀速率差异大，适合高选择性需求。

工艺简单：成本低，适合大面积均匀刻蚀。

应用：

硅的湿法刻蚀（如KOH溶液用于硅的各向异性刻蚀，形成V型槽或悬臂梁）。

金属（如铝、铜）的图形化。

氧化物（如SiO₂用HF溶液刻蚀）。

2. 干法刻蚀（Dry Etching）

原理：利用等离子体中的活性离子或自由基与材料发生物理或化学反应实现刻蚀。

分类及特点：

(1) 物理刻蚀（如离子铣削，Ion Milling）

机理：高能离子（如Ar⁺）轰击材料表面，通过物理溅射去除材料。

特点：

各向异性好，但选择性低。

易造成材料损伤（如晶格损伤）。

(2) 化学刻蚀（如等离子体刻蚀，Plasma Etching）

机理：等离子体产生自由基（如CF₄中的F*）与材料发生化学反应。

特点：

选择性高，但各向异性较差。

适合有机材料或化合物半导体（如GaAs）。

(3) 物理化学混合刻蚀（如反应离子刻蚀，RIE）

机理：结合离子轰击（物理）和化学反应（化学），如CF₄/O₂刻蚀硅。

特点：

高各向异性：离子定向轰击增强纵向刻蚀。

中等选择性：可通过气体配方调节。

广泛应用于硅、氮化硅、聚合物等材料的图形化。

(4) 高级干法刻蚀技术

深反应离子刻蚀（DRIE）：

采用Bosch工艺（交替进行刻蚀和钝化），实现高深宽比结构（如MEMS中的硅通孔TSV）。

典型应用：SOI器件、微机械传感器。

原子层刻蚀（ALE）：

逐层去除材料，精度达原子级别，适合超精密加工。

3. 关键参数与挑战

刻蚀速率：单位时间内去除材料的厚度。

选择性：目标材料与掩模或下层材料的刻蚀速率比。

均匀性：刻蚀在整个晶圆表面的均一程度。

各向异性：刻蚀的方向性控制（如侧壁垂直度）。

损伤控制：等离子体导致的表面损伤或杂质引入。

4. 应用场景

半导体器件：晶体管栅极刻蚀、接触孔刻蚀（如FinFET中的高深宽比刻蚀）。

MEMS/NEMS：制备悬臂梁、谐振器等微机械结构。

光电子器件：激光器、波导的图形化。

纳米材料：二维材料（如石墨烯）的图案化。

5. 前沿趋势

原子级精度刻蚀：ALE技术推动3nm以下制程工艺。

绿色刻蚀：减少温室气体（如SF₆替代）和废液处理。

新型材料刻蚀：针对宽禁带半导体（如SiC、GaN）的优化工艺。

总结

湿法刻蚀适合低成本、大尺寸、高选择性需求；干法刻蚀（尤其是RIE/DRIE）则在高精度、高深宽比结构中占据主导地位。工艺选择需综合考虑材料、结构复杂度及量产要求。随着器件尺寸缩小，刻蚀技术的精度和可控性将成为微纳制造的核心挑战。