等离子体由受激气体分子、离子和电子组成，通过在反应器中施加高压产生。阐述了蚀刻的方向性和各向异性（垂直与平行于衬底的蚀刻速率比，范围 0-1），还讲解了影响各向异性的因素，如氟碳比、衬底偏压及添加气体等，并给出了选择干法蚀刻工艺的简单规则，包括氟碳比、选择性、衬底偏压、金属蚀刻和有机膜蚀刻等方面，适用于微纳制造（MEMS）领域。

1. 干法蚀刻基础

• 定义

  ：在气体等离子体中进行，蚀刻剂为气相分子，区别于湿法蚀刻。

• 等离子体产生

  ：通过在反应器中经由电极施加高压，使气体发生电离，产生包含受激气体分子、离子和电子的等离子体。

• 压力范围

  ：通常在 0.1-100 mbar。

• 掩模作用

  ：局部保护晶圆，使未被掩模覆盖的区域被蚀刻。

• 示例

  ：四氟化碳（CF₄）等离子体蚀刻硅（Si），CF₄在等离子体中产生氟自由基，与 Si 反应生成 SiF₄气体被抽走。

2. 蚀刻的方向性和各向异性

• 各向异性比率（A）

  ：定义为A=（z-x)/z，其中 z 是垂直于衬底方向的蚀刻距离，x 是平行于衬底方向的蚀刻距离（掩模下蚀刻距离）。

• 各向同性蚀刻

  ：A=0，垂直和水平方向蚀刻速率相同，会出现掩模下蚀刻，导致掩模细节变宽。例如，氟自由基蚀刻硅时呈现各向同性。

• 各向异性蚀刻

  ：A=1 时为完全各向异性，仅垂直方向蚀刻，无掩模下蚀刻。如施加负偏压的氩等离子体蚀刻，氩离子受加速后物理冲击硅，仅垂直蚀刻。

• 一般情况

  ：0<A<1，蚀刻在垂直和水平方向均有，但速率不同。

3. 影响蚀刻各向异性的因素

4. 干法蚀刻工艺选择规则

• 氟碳比（F/C）

  ：是关键参数，蚀刻由氟引起，聚合由碳氢化合物引起。添加 H₂使 F/C 比下降，促进聚合、减少蚀刻；添加 O₂使 F/C 比上升，促进蚀刻。

• 选择性与非选择性蚀刻

  ：气体的聚合点决定选择性。低温、高 H₂浓度、低功率、高压力和高单体浓度会增加聚合，从而提高选择性。

• 衬底偏压

  ：在恒定 F/C 比下，负电压偏压增加蚀刻相对于聚合的趋势。

• 金属蚀刻

  ：使用氯碳和氟碳气体，因其可化学还原金属原生氧化物。必须排除 O₂和 H₂O 蒸气，因金属 - 氧化物键稳定性高。离子轰击对蚀刻至关重要。

• 有机膜蚀刻

  ：蚀刻 SiO₂或 Si₃N₄时要保留有机掩模，需在接近聚合点的条件下进行，如使用 CF₄-C₂H₄和 CF₄-H₂等组合，以补偿抗蚀剂的损失；而 CF₄-O₂等离子体会严重蚀刻抗蚀剂。
  
  

关键问题：

1. 问题：干法蚀刻中，等离子体是如何产生的？其主要组成成分是什么？
   答案：等离子体是通过在反应器内经由电极施加高压产生的，高压会导致气体发生电离事件。其主要组成成分是受激气体分子、离子和电子。

   
   

2. 问题：蚀刻各向异性比率（A）的含义是什么？不同 A 值对应怎样的蚀刻情况？
   答案：蚀刻各向异性比率（A）是垂直于衬底方向的蚀刻速率与平行于衬底方向的蚀刻速率的比值相关的参数。当 A=0 时，为各向同性蚀刻，垂直与水平蚀刻速率相同，存在掩模下蚀刻；当 A=1 时，为完全各向异性蚀刻，无水平蚀刻，无掩模下蚀刻；一般情况下 0<A<1，蚀刻在垂直和水平方向均有但速率不同。

   
   

3. 问题：在选择干法蚀刻工艺时，调控氟碳比（F/C）有哪些方法？不同氟碳比会产生什么影响？
   答案：调控氟碳比（F/C）的方法包括：改变气体种类，如使用高氟碳比的 CF₄或低氟碳比的 C₂F₄等；添加气体，如添加 O₂会与碳反应生成 CO₂，提高 F/C 比，添加 H₂会与氟反应生成 HF，降低 F/C 比。高 F/C 比时，蚀刻作用占优；低 F/C 比时，聚合作用占优，易形成聚合物膜。