微纳加工中的硅刻蚀工艺是半导体制造、MEMS和光子器件等领域的核心技术之一。硅刻蚀通过物理或化学方法选择性去除硅材料，形成所需的微纳结构。以下从工艺分类、技术特点、应用及挑战等方面进行浅析：

1. 硅刻蚀工艺分类

硅刻蚀主要分为 湿法刻蚀 和 干法刻蚀 两大类：

（1）湿法刻蚀（Wet Etching）

原理：利用化学溶液（如KOH、TMAH、HF/HNO₃混合液）与硅发生反应，形成可溶性产物。

特点：

各向异性刻蚀：某些溶液（如KOH）对硅的（100）与（111）晶面刻蚀速率差异大，可形成V型槽或悬臂结构。

低成本：工艺简单，无需复杂设备。

局限性：分辨率低（微米级），难以控制侧壁陡直度，且可能产生废液污染。

（2）干法刻蚀（Dry Etching）

原理：通过等离子体激活反应气体（如SF₆、Cl₂、CF₄）或物理轰击（如离子铣）去除硅。

反应离子刻蚀（RIE）：化学与物理作用结合，可实现各向异性刻蚀。

深反应离子刻蚀（DRIE，如Bosch工艺）：通过交替进行刻蚀（SF₆等离子体）和钝化（C₄F₆沉积）实现高深宽比结构（如TSV、MEMS器件）。

离子铣（Ion Milling）：纯物理溅射，精度高但速率低。

2. 关键技术参数

刻蚀速率：单位时间内硅的去除厚度，影响工艺效率。

选择比：硅与掩膜材料（如SiO₂、光刻胶）的刻蚀速率比，决定图形保真度。

各向异性：刻蚀的方向性控制，影响侧壁垂直度。

表面粗糙度：刻蚀后硅表面的平整度，对光学或电学性能至关重要。

3. 典型应用场景

MEMS器件：如加速度计、陀螺仪，需高深宽比结构（DRIE工艺）。

集成电路：浅沟槽隔离（STI）、通孔（Via）刻蚀。

光子器件：硅波导、光子晶体刻蚀，要求纳米级精度和低侧壁粗糙度。

生物芯片：微流控通道或传感器结构的加工。

4. 工艺挑战与发展趋势

（1）挑战

高深宽比结构：DRIE工艺中的“深槽效应”（如侧壁倾斜、底部微 grass）需优化气体分布和射频功率。

纳米级精度：原子层刻蚀（ALE）技术可逐层去除硅，但速率低、成本高。

材料兼容性：刻蚀对底层材料（如金属、介质层）的影响需严格控制。

（2）前沿方向

先进刻蚀技术：

原子层刻蚀（ALE）：通过自限制反应实现原子级控制。

低温刻蚀：减少热损伤，提高图形分辨率。

绿色工艺：减少含氟/氯气体的使用，开发环保刻蚀化学体系。

异质集成：硅与III-V族化合物、二维材料的混合刻蚀工艺。

5. 总结

硅刻蚀工艺的选择需综合考虑结构复杂度、尺寸精度和成本等因素。湿法刻蚀适用于简单图形，而干法刻蚀（尤其是DRIE）在纳米技术和三维集成中占据重要地位。未来随着器件尺寸的持续缩小和新型材料的引入，硅刻蚀工艺将向更高精度、更低损伤和更环保的方向发展。