二氧化硅(SiO2)微结构被广泛应用于光子学与微电子器件中。然而，实现良好控制的器件轮廓通常依赖于昂贵的干法刻蚀工具和复杂的制造流程。使用氢氟酸(HF)进行 SiO2湿法刻蚀虽然因其简便性和可扩展性而极具吸引力，但通常被认为是固有的各向同性，限制了侧壁控制。本研究表明，利用基于缓冲氧化物刻蚀(BOE)的湿法刻蚀策略，可以实现显著且连续可调的各向异性。通过系统地调节刻蚀剂化学性质、表面活性剂辅助的界面传输和刻蚀温度，研究人员在保持平滑均匀轮廓的相对较高刻蚀速率下，设计了各向异性选择性，而无需依赖高成本的制造方法。具体而言，降低刻蚀温度可使侧壁倾角减少 33%，垂直与横向刻蚀速率比增加 16%。这些结果确立了基于 BOE 的湿法刻蚀作为一种简单、可扩展且具有成本效益的方法，用于具有高轮廓保真度的近各向异性 SiO2微细加工。
研究背景与意义
二氧化硅(SiO2)因其优异的光学透明度和化学稳定性，是制造表面浮雕光栅(SRGs)、衍射超构表面及集成波导的核心材料。传统的干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE）虽能实现各向异性，但面临设备昂贵、表面损伤及等离子体诱导充电导致轮廓畸变等问题。相比之下，氢氟酸(HF)基湿法刻蚀成本低廉且表面光滑，但长期以来被视为“固有各向同性”，即存在严重的横向钻蚀(undercutting)，导致无法精确控制侧壁形貌。本研究旨在打破这一认知局限，通过物理化学手段调控湿法刻蚀过程，实现可控的近各向异性刻蚀，为高精度微纳光学器件提供一种低成本、可扩展的制造路径。该研究成果发表于《Nanoscale》。
关键技术方法
研究人员采用 4 英寸熔融石英晶圆作为基底，通过标准光刻工艺结合 40 nm 铬(Cr)硬掩模(hard mask)制备图案。核心实验设计围绕基于缓冲氧化物刻蚀(BOE)体系的三参数调制策略展开：首先对比稀释 HF 与 BOE 的化学稳定性差异；其次引入非离子表面活性剂 Triton X-100 探究其对界面张力及刻蚀坑的抑制作用；最后通过控温系统（25 °C 与 0 °C）考察温度对纵向与横向刻蚀动力学的差异化影响。刻蚀后的截面形貌与粗糙度通过扫描电子显微镜(SEM)进行定量表征。
研究结果
刻蚀剂化学的作用
在 HF 与 BOE 体系的对比实验中，研究人员发现稀释 HF 由于局部质量传输与表面反应动力学的强耦合，极易产生局部刻蚀速率放大效应，导致表面粗糙度高且形成大量刻蚀坑。而 BOE 体系通过铵根离子(NH4+)稳定了氟化氢二价阴离子(HF2−)的平衡，维持了恒定的 HF 活性，从而抑制了刻蚀速率衰减。结果表明，BOE 能提供显著更平滑、均匀的侧壁轮廓，确立了其作为后续研究的基准化学体系。
表面活性剂辅助的粗糙度调控
针对固液界面因微气泡附着导致的空间不均匀传质现象，研究人员引入了 Triton X-100。该表面活性剂有效降低了溶液表面张力，促进了气泡脱离并防止其在侧壁和角落区域稳定附着。这种改善的润湿性消除了由旁路流和浓度梯度引起的局部刻蚀抑制或增强，从而大幅减少了刻蚀坑的面密度，实现了更精细的轮廓连续性。
降温对定向刻蚀的影响
这是实现各向异性的关键环节。研究人员发现，将温度降至 0 °C 能有效抑制横向刻蚀。原因在于受限掩模下方的横向通道对反应动力学和质量传输变化更为敏感：低温不仅增加了溶液粘度从而削弱扩散限制区域的反应物补充，还优先阻断了具有较高动力学势垒的横向反应路径。量化数据显示，低温结合表面活性剂条件下，侧壁倾角 α 降至 14.97°，垂直与横向刻蚀速率比提升至 1.33，成功实现了近各向异性刻蚀。
结论总结
本研究证实，通过协同调控缓冲氟化物化学、表面活性剂辅助润湿及温度调制，能够有效克服 HF 基湿法刻蚀的固有各向同性。优化条件下，侧壁倾角实现了约 33% 的缩减，垂直与横向刻蚀速率比增加了 16%。这一策略不仅保持了与实际微细加工流程兼容的高刻蚀速率，还为工程化控制 SiO2侧壁几何形状提供了一个稳健且可调的工艺窗口，对下一代光学信息处理系统中的精密光子结构制造具有重要推动意义。
