本文针对单晶硅在不同温度、浓度、表面活性剂等多种刻蚀条件下的形貌模拟问题, 构建了硅原子结构模型并分析了其主要晶面刻蚀速率和对应原子结构之间的关系, 提出了适应于单晶硅刻蚀模拟的表层原子刻蚀函数(Si-RPF), 明确了晶面宏观刻蚀速率与原子微观移除概率之间的数值联系, 构建了基于遗传算法的动力学蒙特卡罗各向异性湿法刻蚀工艺模型(Si-KMC)。该工艺模型可以基于台阶流动理论,从原子角度解释单晶硅刻蚀各向异性的成因, 能够明确不同类型的原子在刻蚀过程中的作用和实现对不同刻蚀条件下单晶硅衬底三维刻蚀形貌的精确模拟。对比有无表面活性剂添加条件下的单晶硅刻蚀实验数据和模拟结果表明, Si-KMC刻蚀工艺仿真模型模拟结果可以达到90%以上仿真精度。

当前蓝宝石各向异性刻蚀规律还没有获得完整揭示, 其刻蚀微结构演化过程和形貌结构很难实现准确预测和控制, 给蓝宝石衬底图案化结构加工成型和质量控制带来很大的挑战。本研究基于蓝宝石全晶面刻蚀速率实验数据, 详细分析了其微结构刻蚀成型过程和刻蚀机理, 并对比分析了刻蚀条件对蓝宝石刻蚀微结构和表面形貌的影响规律, 实验结果表明: 适当提高刻蚀温度可以提高刻蚀效率, 但会引起表面质量的下降; 以磷酸为代表的弱电解质类作为刻蚀缓冲剂能够有效提高刻蚀结构面质量; (275±10) ℃, 98%H2SO4∶85%H3PO4(体积配比)=3∶1刻蚀溶液可以获得最优的刻蚀速率和表面质量。