等离子体刻蚀技术

等离子体刻蚀是一种利用气体等离子体将固体物质转化为气态并去除的独特工艺。与耗时且使用挥发性有机化合物（VOC）及其他危险化学品的化学刻蚀不同，等离子体刻蚀能够避免这些弊端。有机材料、无机材料以及聚合物均可通过非腐蚀性的氧等离子体轻松实现刻蚀。而对于硅和金属等结构更为复杂的无机材料，则可采用四氟化碳（CF₄）等离子体或类似气体混合物进行刻蚀，这充分展现了等离子体刻蚀的高度灵活性。在等离子体刻蚀中，常用的气体仅有几种，分别是氩气、氢气、氧气以及一些含氟化合物（或其混合物）。借助这些容易获取的气体，几乎可以对所有工业相关的表面进行刻蚀，无论待刻蚀材料是金属、聚合物、陶瓷、玻璃还是其他硅基化合物，等离子体刻蚀都能胜任。

一、等离子体刻蚀技术-工作原理

在低压等离子体系统中，通过激发或电离粒子轰击给定表面，将固体直接转化为气体。随后，该气体以受控速率从真空室中抽出，以优化均匀性及其他工艺参数。整个刻蚀过程无需材料与任何流体接触，因此，与湿法化学工艺相比，等离子体表面处理技术具有卓越的可控性。此外，还可以仅从表面去除非常薄的层，厚度可精确至纳米级。这一点在对尺寸精度和薄膜层要求极高的微电子和半导体行业中得到了广泛应用。

• 氧基等离子体刻蚀

适用于对聚合物、有机物质或碳氢化合物基材进行刻蚀。在此过程中，基于氧气的等离子体通过将分子结构中的碳和氢与等离子体中的氧结合，从而实现对这些材料的刻蚀，生成一氧化碳（CO）和水（H₂O）以及一些气态的短分子链，这些气态产物可被轻松抽出真空室。氧等离子体刻蚀还可作为表面处理方法，用于增强聚合物的润湿性或改变其表面粗糙度。此外，该方法也可用于处理硅或硅氮化物表面，在刻蚀过程中，这些表面会被氧化，并在表面形成一层厚度为纳米级的二氧化硅（SiO₂）。

• 氢基等离子体刻蚀

  主要适用于减少金属表面的氧化物或对体相氧化物进行刻蚀。在此过程中，使用基于氢气的气体或气体混合物进行等离子体刻蚀。类似地，这种等离子体刻蚀过程利用氢与表面的氧结合，

生成水（H₂O）及其他气态产物，这些气态产物随后被抽出真空系统。除了用于去除表面氧化物外，选择性氢等离子体刻蚀被认为是金刚石层沉积过程中最重要的工艺之一。研究人员还发现，在刻蚀过程中，氢离子的影响远比氢原子或分子的影响更为显著，这也为氢等离子体刻蚀的优势提供了有力证据。

• 氩基等离子体刻蚀

  氩基等离子体是一种物理刻蚀方法，与上述的化学刻蚀方法不同。在氩等离子体刻蚀过程中，等离子体中氩原子的能量非常高。这种高能量使得单个氩原子能够向零件表面传递更多能量，从而破

坏表面材料的分子键。结果是，这些表面材料的原子或短分子组分被刻蚀或喷射到等离子体中以待去除。氩等离子体刻蚀在聚合物基材（如聚乙烯）上得到了广泛应用，可提高表面的润湿性。

• 氟基等离子体刻蚀 （ 腐蚀性气体蚀刻）

含氟气体刻蚀是一种利用腐蚀性气体组分对具有强分子结构或复杂组成的材料（如金属和化学稳定性高的聚合物）进行等离子体刻蚀的工艺。常用的腐蚀性气体通常以含氟化学物质为主，如四氟化碳（CF₄）、六氟化硫（SF₆）或其他类似气体。添加这些腐蚀性成分提供了一种将额外化学物质转化为气态的方法，从而实现等离子体刻蚀。该技术可用于大面积表面的清洁（如硅片）或印刷电路板（PCB）上聚合物残留物的去除。由于整个过程均在真空室内进行，因此在刻蚀过程结束后，收集腐蚀性气体相对容易，从而将这种刻蚀技术对环境的影响降至最低。

• 反应离子刻蚀（RIE）

反应离子刻蚀（RIE）是一种等离子体刻蚀工艺，通过向被刻蚀的部件施加电荷，使刻蚀过程具有方向性。这种方向性使得刻蚀特征尺寸可以显著减小，在半导体行业中得到了广泛应用。这种等离子体表面处理技术主要用于去除硅片上的污染物或其他沉积物。常见的 RIE 系统由一个真空室组成，其中包含一个高频等离子体源（通常使用 13.56 MHz），刻蚀气体被引入其中。硅片放置在真空室底部，受到大部分基于氟的活性离子的轰击。例如，RIE 技术可用于大面积硅太阳能电池的生产。

二、等离子体刻蚀技术-行业应用

医疗设备 ：

等离子体刻蚀能够使低表面能的惰性、生物相容性材料实现涂层和粘合。这包括对金属、聚合物、陶瓷或玻璃的刻蚀。这种等离子体处理可以改变表面粗糙度，并调整其他物理特性，如疏水性和亲水性。

涂装行业 ：

刻蚀技术用于高温 resistant 塑料的油漆和胶水粘合；例如 PTFE、PFA 和 FEP。等离子体处理使聚合物表面粗糙或化学激活表层。这为油漆和胶水提供了更好的粘合特性，是增强粘接强度和延长涂漆表面寿命的最佳选择。

印刷电路板（PCB）：

长期以来，腐蚀性化学品一直被用于清洁 PCB，比如等离子体处理FPC软板，特别是用于去除板上孔洞和沟槽中的灰尘或其他污染物。由于这些液体大多危险且不环保，等离子体刻蚀在这里具有显著优势。等离子体过程在非常受控的真空环境中进行，通常不需要任何强效或有毒化学品，并且比湿法化学品更精确。

生物活性表面的创建和改性：

如今，等离子体刻蚀也用于生物活性表面。一个例子是，在用其他材料功能化之前，对氧化锆等金属表面进行等离子体刻蚀和激活，以改善细胞粘附性，这对于植入物来说是一个巨大优势。另一个引人入胜的例子是，通过氩等离子体刻蚀聚醚醚酮（PEEK），在其上创建纳米结构，从而增强其抗菌性能。

改善各种材料的光学特性：

对定制光学元件（例如在高功率光学领域）的需求已大幅增长。在此领域，等离子体表面刻蚀对于光学表面的微纳结构化越来越重要。一个方面是通过 CHF₃-Ar 等离子体对硅元件进行刻蚀，以去除杂质并平滑表面。这反过来又将光学损伤阈值提高了约 30%，从而在高功率激光领域开启了新的应用。

生物学和生物传感器：

等离子体刻蚀技术能够产生所谓的垂直纳米结构阵列（VNAs），在 DNA 传感器、气体传感器或药物递送技术的制造中发挥着重要作用。根据期望的应用，使用氩、氢、氟和氧等离子体刻蚀系统对聚合物、碳同素异形体、陶瓷或金属进行刻蚀。再次表明，等离子体可以在多种材料上创建所需的结构。

木材刻蚀：

一种非常不常见的新兴技术是等离子体能够刻蚀有机材料，如木材。这种新兴的表面处理技术可能具有的优势是能够创建超疏水表面或令人满意地改变木材的表面形态。