在化合物半导体（GaAs、InP）的等离子体刻蚀中，决定工艺成败的关键因素大多集中于“氯基气体的选择与控制”。这是因为在硅基材料中并不显著的副产物挥发性差异，在此会直接影响选择比和表面质量。本文将基于公开数据，从Cl₂​、BCl₃​、Ar和N₂​ 各自承担的作用出发，系统梳理温度、等离子体损伤以及高深宽比这三大实际工艺难题。 

本文主要面向两类读者：一类是希望从基本原理出发，系统了解“什么是等离子体刻蚀”的初学者；另一类则是已着手进行工艺调优（Recipe 开发），但正面临表面粗糙或良率瓶颈的工程师。建议前者从前半部分循序渐进地阅读，后者则可直接从“氯基气体的分工与作用”部分开始研读。

化合物半导体需求扩大及其对刻蚀技术的要求

随着5G/6G通信基础设施建设、支持AI的超大规模数据中心扩容，以及电动汽车（EV）与高级驾驶辅助系统（ADAS）的普及，市场对突破硅基半导体物理极限的性能需求日益迫切。在这一行业转型期，砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等化合物半导体的重要性显著提升。特别是在长距离、大容量光传输领域，基于InP的光电共封装/光集成电路（PIC）及相干光收发模块发挥着关键作用；而在高频射频模组、垂直腔面发射激光器（VCSEL）及激光雷达（LiDAR）中，GaAs凭借其高电子迁移率与优异的高频特性扮演着核心角色。 

从市场层面来看，该领域亦保持着持续扩大的态势。化合物半导体的整体市场规模在2026年约为415亿美元，预计到2033年将达到约684亿美元，复合年增长率（CAGR）为7.4%（参考来源 ：Persistence Market Research）。另据其他调研机构的数据显示，2025年市场规模约为594亿美元，预计到2035年将增至约1,690亿美元，2026年至2035年间的CAGR预计达到11.02%（参考来源 ：Precedence Research）。尽管各调研机构因统计范围与定义不同而在具体数值上存在差异，但均一致看好其持续的高增长趋势。在制造设备方面，预计2026年全球半导体制造设备销售额将达到1,659亿美元（同比增长23.2%）（参考来源 ：SEMI）。

在这些器件中形成纳米级图案的干法刻蚀，是决定良率与性能的关键工艺。而在化合物半导体领域，正逐步从传统的甲烷/氢气（CH4/H2）基工艺，转向蚀刻速率更快且各向异性更优异的氯气（Cl2）基工艺。

什么是等离子体刻蚀：基本原理与化合物半导体所需的关键控制维度

等离子体刻蚀的工作原理

等离子体刻蚀是一种加工工艺，通过放电产生的具有高反应活性的自由基（基团）与离子作用于衬底表面，将材料转化为具有挥发性的化合物并予以去除。在此过程中，基于化学反应的各向同性去除与基于离子轰击的物理性各向异性去除相互叠加并同步进行。这两者之间的平衡，直接决定了加工形貌、刻蚀速率以及损伤程度等所有关键指标。

为何 ICP-RIE 成为主流

在化合物半导体的干法刻蚀中，目前应用最为广泛的是采用感应耦合等离子体（ICP）的反应离子刻蚀（RIE）技术。ICP-RIE 的核心优势在于能够实现等离子体密度与离子能量（偏压）的独立调控（参考来源 ：The Method of Low-Temperature ICP Etching of InP/InGaAsP Heterostructures in Cl2-Based Plasma）。

业界通常会有“只要等离子体密度高，就能获得高刻蚀速率”的说法，但在实际应用中远非如此简单。在化合物半导体中，正如后文所述，离子能量的增加会直接导致器件性能的劣化。因此，能否在确保等离子体密度的同时将偏压维持在较低水平，才是设备选型的实质性判断依据。

化合物半导体刻蚀与硅（Si）刻蚀的区别

导致化合物半导体等离子体刻蚀难度极高的核心原因，在于化学反应所生成的副产物（氯化物）之间存在挥发性差异。

当使用氯气基气体时，铟（In）的氯化物——三氯化铟（InCl3）极难挥发，在常规的工艺温度范围内很难气化。相比之下，镓（Ga）的氯化物——三氯化镓（GaCl3）的沸点约为210℃，三氯化砷（AsCl3）的沸点为130℃，挥发性相对较高（沸点相对较低）（参考来源 ：Journal of Vacuum Science & Technology B）。

这种差异所代表的含义十分明确。GaAs 即使在低温下也易于进行刻蚀且容易获得高刻蚀速率；与此相对，若尝试在室温环境下使用纯 Cl2 等离子体对 InP 进行刻蚀，生成的 InCl3 因无法挥发而会残留在衬底表面。残留下来的难挥发性副产物会起到微小掩模的作用，从而引发所谓的“微掩模效应（Micro-masking effect）”。其结果是导致表面出现严重的粗糙度（Roughness），无法获得光波导等应用中不可或缺的平滑表面。

即使同属于“化合物半导体刻蚀”这一范畴，限制 GaAs 和 InP 刻蚀的关键限速因素（律速阶段）也是各不相同的。将针对 GaAs 优化的工艺条件直接套用到 InP 上往往无法获得预期效果，正是由于这种热力学前提的根本差异所致。

氯基气体的分工：Cl2、BCl3、Ar 与 N2

为了克服上述限制并兼顾选择比与表面质量，现代工艺已建立起一套不使用单一 Cl2 气体，而是将多种氯基气体与惰性气体按精确比例混合的方法。各气体均有明确的分工定位：

• Cl2：作为主要的刻蚀物种（活性种），通过化学反应为实现高刻蚀速率奠定基础。

• BCl3：高效去除衬底表面的自然氧化层，并清除（清除剂/Scavenge）腔体内的残留水分。同时还能抑制残留物的生成，提升侧壁钝化效果。在低气压及低 RF 偏压条件下，为将表面损伤降至最低并形成垂直侧壁形貌，优化 Cl2/BCl3 的混合比是不可或缺的关键（参考来源 ：The Open Plasma Physics Journal）。

• Ar：提供物理溅射效应，通过物理轰击将难挥发的 InCl3 等副产物击出表面，从而保持表面洁净。

• N2： 促进 In 和 P 的氮化反应（生成 InN 等），以此保护侧壁，防止侧向钻蚀（Undercut），起到确保高各向异性的钝化效果。

实际应用与实验数据也表明，在采用 Cl2/BCl3/Ar 混合气体的 ICP 刻蚀中，刻蚀速率可随气体流量呈比例在 200 nm/min 至 3000 nm/min 以上的宽范围内受控调节；实验同时证实，对光刻胶掩模的选择比也会随着 Cl2 流量的增加而得到提升（参考来源 ：High-density inductively coupled plasma etching of GaAs/AlGaAs in BCl3/Cl2/Ar）。

在此需要注意的是，各气体的作用并非彼此独立，而是相互影响、相互制约的。增加 Ar 的比例虽然更易于去除残留物，但同时也会加剧物理轰击；增强 N2 带来的侧壁保护效果虽可提升各向异性，但在某些工艺条件下却会以牺牲刻蚀速率为代价。所谓“氯基气体的选择”，与其说是挑选单一气体，不如将其视为在相互冲突的各种作用之间寻找最佳平衡点的过程，这样更能反映其实际本质。

等离子体刻蚀与温度：InCl3 挥发与衬底加热的两难困境

以往为了利用 Cl2 基气体对 InP 实现高速且高各向异性的刻蚀，传统的方法是将衬底温度加热至 150℃ 到 200℃ 以上，以促进 InCl3 的挥发。

然而，这种方法却带来了新的限制。在高温环境下，半导体工艺中广泛使用的低成本有机光刻胶会发生热降解和热形变，从而失去作为掩模的功能。其结果是，必须预先沉积 SiO2 或 SiN 等无机硬掩模（Hard Mask）并对其进行图案化（图形转移），从而增加了额外的工艺步骤。这直接导致了制造成本的增加和产出率（吞吐量）的下降。因此，业界一直迫切需要开发出在室温附近也能实现高质量刻蚀的工艺条件。
在这方面的探索中已有相关成果的报道。例如，有研究表明，通过采用 Cl2/CH4/H2 的混合（杂化）气体体系，对 SiO2 硬掩模实现了高达 35:1 的高选择比，并在室温附近获得了足以媲美 200℃ 以上高温条件下的垂直度与表面质量（参考来源：Study and optimization of room temperature inductively coupled plasma etching of InP using Cl2/CH4/H2 and CH4/H2）。

温度是提升刻蚀速率最直接的变量，但同时也是决定掩模材料选择范围与成本结构的关键变量。如果能够通过优化气体化学组分的搭配来降低对温度的依赖，那么从整个工艺流程来看，其综合效益（利弊权衡）将发生显著的变化。

化合物半导体干法刻蚀中的三大挑战

挑战 1：等离子体诱导损伤（PID）

与硅相比，GaAs 和 InP 对物理轰击更为脆弱。为了提高各向异性，或是为了通过物理溅射去除低挥发性的 InCl3 而施加高离子能量（高 RF 偏压）时，晶体结构会受到不可逆的损伤。

在电学特性上，高能离子的碰撞会诱发深能级受主态和晶格缺陷，导致掺杂剂失活（去活化），从而使表面附近的载流子浓度下降。实验已证实，特别是氦（He）等轻质量离子，比重质量离子能够侵入晶体更深的内部区域，导致损伤在更广泛的范围内扩散（参考来源 ：Semiconductor Damage from Inert and Molecular Gas Plasmas）。

在光学特性上，刻蚀损伤会形成非辐射复合中心，从而导致光致发光（PL）强度显著下降。详细的分析报告显示，干法刻蚀会使单粒子弛豫时间减少 20% 至 50%，并使表面顺磁缺陷浓度增加一个数量级（参考来源 ：Effects of Dry Etching and Hydrogen Passivation on Transport Properties and Photoluminescence of GaAs/AlGaAs Heterostructures）。

为了防止损伤，需要将离子能量精确控制在极低偏压（数伏特量级）下，但这同时也带来了刻蚀速率下降的权衡问题。

挑战 2：深宽比依赖性刻蚀（ARDE / RIE 迟滞效应）

在刻蚀如光子晶体或微纳光波导等深而窄的沟槽时，随着图案开孔宽度的缩小，刻蚀速率会出现显著下降。其主要原因在于，受克努森扩散（Knudsen Transport）特性的限制，中性自由基和离子向沟槽深处的传输供应不足，同时刻蚀副产物的排出也变得十分困难。在深宽比超过 10 至 30 的区域，这一影响尤为显著，会导致同一晶圆上不同宽度的图案之间出现深度不均的现象（微负载效应 / Microloading Effect）。要克服这一难题，对离子通量（Ion Flux）与自由基通量（Radical Flux）进行精密平衡控制是必不可少的（参考来源 ：HBr-based inductively coupled plasma etching of high aspect ratio nanoscale trenches in GaInAsP/InP）。

挑战 3：容易被忽视的前提—材料本身的制约

InP 和 GaAs 中含有铟（In）和砷（As）等有毒物质。尽管业界的讨论往往集中在等离子体源的性能对比上，但设备是否原本就具备无限制处理目标材料的能力、针对腐蚀性及有毒气体的排气系统与腔体设计在量产条件下能否保持稳定，才是更为基础的前提条件。

刻蚀速率和选择比等数值在工艺调优阶段相对容易评估，但材料兼容性以及排气系统的稳定性，往往要在从研发（R&D）向产线量产转化的阶段才会真正显现出来。可以说，这是在设备选型时极易被忽视的关键领域。

实现低损伤刻蚀的控制要件

综上所述，化合物半导体的等离子体刻蚀呈现出以下格局：越是试图通过混合氯基气体来获得高选择比和各向异性，物理轰击（Bombardment）就越会增加，从而导致 PID（等离子体诱导损伤）的风险升高。如何化解这一二律背反（权衡难题），才是实质性的核心议题。

因此，气体化学配方（Gas Chemistry）的优化，必须与支撑它的硬件控制精度相辅相成。具体而言，关键要件在于：设备能否在低 RF 功率区间实现稳定的电力输出，以及能否独立且具重复性地分别控制等离子体密度与偏压。

SPP Technologies 推出的化合物半导体刻蚀设备搭载了专用的 RF 电源，即使在低 RF 功率下也能保持高精度的功率输出，不仅支持氟（F）基气体，还可支持氯（Cl）基气体的高精度刻蚀。此外，公司还公开了不仅适用于光刻胶掩模（Resist mask），同样适用于 SiO2 掩模和金属掩模（Metal mask）的实际应用成果。针对高深宽比及难刻蚀材料，设备还提供特殊设计的等离子体源配置，可在晶圆表面生成高离子密度的等离子体，从而实现高刻蚀速率与高深宽比加工。

值得一提的是，本公司的化合物半导体刻蚀设备曾在由电子器件产业新闻（株式会社产业Times社）主办的“第22届 2016年度半导体大奖（Semiconductor of the Year 2016）”中荣获半导体制造设备部门优秀奖（参考来源 ：日本产业时报社“第22届 2016年度半导体大奖”评选结果  (日语)）。

我们在硅深孔刻蚀（博世工艺 / Bosch Process）中所积累的高密度等离子体均匀生成与气体通量精密控制技术诀窍，也同样被应用到了化合物半导体工艺中。针对腐蚀性及有毒气体的腔体设计与排气控制经验，亦一脉相承于这一技术底蕴。