1
干法刻蚀技术
引言
干法刻蚀技术是微电子制造工艺中的一种重要工艺，与湿法刻蚀相比，干法刻
蚀具有更高的选择性和精度，适用于制造精细结构。干法刻蚀主要通过等离子
体反应来去除材料，因此也称为等离子体刻蚀。本节将详细介绍干法刻蚀的原
理、类型、过程仿真以及相关的软件开发技术。
干法刻蚀原理
等离子体刻蚀
等离子体刻蚀是干法刻蚀的一种主要形式，通过将气体电离产生等离子体，利
用等离子体中的高能粒子（如离子、自由基）与待刻蚀材料表面发生化学和物
理反应，从而实现材料的去除。等离子体刻蚀过程中，通常需要在低压环境下
进行，以保证等离子体的稳定性和反应效率。
化学反应刻蚀
化学反应刻蚀主要依赖于等离子体中的化学活性粒子（如自由基）与材料表面
发生化学反应，生成挥发性的副产物，从而去除材料。这种刻蚀方式通常具有
较高的选择性，可以在不同材料之间实现精确的刻蚀。
物理反应刻蚀
物理反应刻蚀主要依赖于等离子体中的高能离子对材料表面的物理轰击，通过
动能转移实现材料的去除。这种刻蚀方式通常具有较高的各向异性，适用于制
造垂直侧壁的结构。
化学和物理反应刻蚀的结合
在实际应用中，化学反应刻蚀和物理反应刻蚀往往结合使用，以实现最佳的刻
蚀效果。这种结合方式可以提高刻蚀速率，同时保持较高的选择性和各向异性。
2
干法刻蚀类型
电容耦合等离子体（CCP）刻蚀
电容耦合等离子体刻蚀通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体。这种刻
蚀方式通常使用两个平行的电极，其中一个电极接地，另一个电极施加高频电
压。CCP 刻蚀具有较高的刻蚀速率和较好的各向异性。
感应耦合等离子体（ICP）刻蚀
感应耦合等离子体刻蚀通过感应耦合的方式在反应腔内产生等离子体。这种刻
蚀方式使用一个螺旋线圈电极，通过高频电流在电极周围产生交变磁场，进而
产生等离子体。ICP 刻蚀具有更高的离子密度和更高的刻蚀速率，适用于深宽比
高的结构刻蚀。
反应离子刻蚀（RIE）
反应离子刻蚀结合了化学反应刻蚀和物理反应刻蚀的优点，通过反应气体和高
能离子的共同作用实现材料的去除。RIE 刻蚀具有较高的选择性和各向异性，适
用于制造精细结构。
反应离子束刻蚀（RIBE）
反应离子束刻蚀通过离子束轰击材料表面，同时引入反应气体，实现材料的去
除。RIBE 刻蚀具有极高的各向异性，适用于制造高深宽比的结构。
干法刻蚀过程仿真
等离子体仿真
等离子体仿真是干法刻蚀过程仿真中的重要环节，主要包括等离子体生成、传
输和反应过程的模拟。常用的仿真软件有 COMSOL Multiphysics、LAMMPS 等。
3
等离子体生成仿真
等离子体生成仿真主要关注等离子体的电离过程。可以通过求解玻尔兹曼方程
来模拟等离子体中的电子和离子行为。
#
等离子体生成仿真示例
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义仿真参数
E_field = 500 #
电场强度
(V/cm)
pressure = 0.1 #
压力
(Torr)
temperature = 300 #
温度
(K)
gas = 'CF4' #
反应气体
#
定义玻尔兹曼方程
def boltzmann_equation(E_field, pressure, temperature, gas):
#
电离率计算
ionization_rate = 1e-17 * E_field * pressure * np.exp(-5e3 / temperature)
#
粒子密度计算
particle_density = 1e10 * np.exp(-5e3 / temperature)
return ionization_rate, particle_density
#
仿真计算
ionization_rate, particle_density = boltzmann_equation(E_field, pressure, temperature, gas)
#
结果可视化
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(temperature, ionization_rate, label='Ionization Rate')
plt.xlabel('Temperature (K)')
plt.ylabel('Ionization Rate (1/s)')
plt.title('Ionization Rate vs Temperature')
plt.legend()
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(temperature, particle_density, label='Particle Density')
plt.xlabel('Temperature (K)')
plt.ylabel('Particle Density (cm^-3)')
plt.title('Particle Density vs Temperature')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()
4
材料去除仿真
材料去除仿真主要关注等离子体与材料表面的反应过程，包括化学反应和物理
轰击。通过求解反应动力学方程和传输方程来模拟材料的去除过程。
化学反应刻蚀仿真
化学反应刻蚀仿真主要关注等离子体中的化学活性粒子与材料表面的化学反应。
#
化学反应刻蚀仿真示例
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义仿真参数
reactive_species = 'F' #
反应活性物种
material = 'SiO2' #
待刻蚀材料
reaction_rate = 1e-10 #
反应速率常数
(cm^3/s)
#
定义反应动力学方程
def chemical_etch_rate(reactive_species_density, material_density, reaction_rate):
etch_rate = reactive_species_density * material_density * reaction_rate
return etch_rate
#
仿真计算
reactive_species_density = np.linspace(1e10, 1e13, 100) #
反应活性物种密度
(cm^-3)
material_density = 1e15 #
待刻蚀材料密度
(cm^-3)
etch_rates = [chemical_etch_rate(rs, material_density, reaction_rate) for rs in reactive_species_
density]
#
结果可视化
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(reactive_species_density, etch_rates, label='Etch Rate')
plt.xlabel('Reactive Species Density (cm^-3)')
plt.ylabel('Etch Rate (cm/s)')
plt.title('Chemical Etch Rate vs Reactive Species Density')
plt.legend()
plt.show()
物理轰击刻蚀仿真
物理轰击刻蚀仿真主要关注等离子体中的高能离子对材料表面的物理轰击。
5
#
物理轰击刻蚀仿真示例
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义仿真参数
ion_energy = 100 #
离子能量
(eV)
material = 'Si' #
待刻蚀材料
sputtering_yield = 0.01 #
剥离产额
(atoms/ion)
#
定义物理轰击刻蚀方程
def physical_etch_rate(ion_energy, material_density, sputtering_yield):
etch_rate = material_density * sputtering_yield * np.sqrt(ion_energy)
return etch_rate
#
仿真计算
ion_energy_range = np.linspace(50, 500, 100) #
离子能量范围
(eV)
material_density = 1e15 #
待刻蚀材料密度
(cm^-3)
etch_rates = [physical_etch_rate(ie, material_density, sputtering_yield) for ie in ion_energy_rang
e]
#
结果可视化
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(ion_energy_range, etch_rates, label='Etch Rate')
plt.xlabel('Ion Energy (eV)')
plt.ylabel('Etch Rate (cm/s)')
plt.title('Physical Etch Rate vs Ion Energy')
plt.legend()
plt.show()
结构演化仿真
结构演化仿真主要关注刻蚀过程中材料结构的变化。通过数值方法求解传输方
程和反应动力学方程，可以模拟材料结构随时间的变化。
#
结构演化仿真示例
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义仿真参数
initial_height = 1000 #
初始高度
(nm)
etch_rate = 10 #
刻蚀速率
(nm/s)
time_steps = 100 #
时间步数
time_step_size = 1 #
时间步长
(s)
