【电子通识】半导体工艺——刻蚀工艺

        在文章【电子通识】半导体工艺——光刻工艺中我们讲到人们经常将 Photo Lithography（光刻）缩写成 Photo。光刻工艺是在晶圆上利用光线来照射带有电路图形的光罩，从而绘制电路。光刻工艺类似于洗印黑白照片，将在胶片上形成的图像印在相纸上。

        美术课上创作过的“版画”是一种通过在木材、金属或石材的表面上绘制形状，然后涂上墨水或颜料印在纸或布上的绘画形式。刻蚀工艺与这种版画的刻蚀 (Etching)技术有着相似的原理。

        绘画中的刻蚀技术是指在銅板上涂抹防止酸产生化学反应的防腐蚀剂，然后利用锋利的工具 刮削，露出铜板的过程，然后再将铜板放入腐蚀液(稀硝酸)中，控制其腐蚀程度从而产生图形。

         显影过程结束后，光刻工艺就完成了。接下来进行刻蚀。刻蚀工艺是与铜版画刻蚀(Etching)技术相似的刻蚀工艺。刻蚀工艺作为半导体工艺中的核心环节，直接决定了器件的结构和特性，刻蚀工艺用于精确地去除或调整半导体表面的材料，以形成所需的结构和电路图案。

        如果沉积或光刻（Photolithography）工程中出现问题，可通过选择性蚀刻（Etch）技术解决问题。但是，如果蚀刻（Etch）工程过程中出现问题，则情况无法逆转。这是因为无法在雕刻区域填充相同材料。因此，在半导体制造过程中，刻蚀对于确定总体良品率和产品质量至关重要。

        图案化工艺包括曝光(Exposure)、显影(Develope)、刻蚀(Etching)和离子注入等流程。其中，刻蚀工艺是光刻（Photo）工艺的下一步，用于去除光刻胶（Photo Resist，PR）未覆盖的底部区域，仅留下所需的图案。

        这一工艺流程旨在将掩模（Mask）图案固定到涂有光刻胶的晶圆上（曝光→显影）并将光刻胶图案转印回光刻胶下方膜层。随着电路的关键尺寸（Critical Dimension, CD）小型化（2D视角），刻蚀工艺从湿法刻蚀转为干法刻蚀，因此所需的设备和工艺更加复杂。由于积极采用3D单元堆叠方法，刻蚀工艺的核心性能指数出现波动，从而刻蚀工艺与光刻工艺成为半导体制造的重要工艺流程之一。

物理刻蚀（Physical Etching）

         物理刻蚀指的是通过物理作用去除材料的过程，不涉及化学反应。

• 溅射（Sputtering）： 这是一种常见的物理刻蚀方法，其中高能离子撞击材料表面，将原子或分子从表面撞出，从而实现刻蚀。这种方法广泛用于精细图案的制造，尤其是当需要各向异性刻蚀时。

化学刻蚀（Chemical Etching）

        化学刻蚀通过化学反应去除材料，形成易于移除的产物。

• 干法刻蚀（Dry Etching）： 在干法刻蚀中，使用等离子体产生的活性离子和自由基与材料发生反应，生成挥发性产物，常用于精确的图案转移。

  干法刻蚀过程中的注意事项         

          第一，维持一致性(Uniformity)。

          一致性是指刻蚀的速度在晶圆上的各个部位“有多相同”在工艺进行的过程中，一定时间下，不同的晶圆部位刻蚀的速度不同，形成的形状也可能不同，所以可能会导致位于某些部位的芯片发生不良现象或其特性发生变化。

          第二，刻蚀速度(Etch Rate)。

          它意味着在一定时间内可以去除多少薄膜。刻蚀速度主要取决于表面反应所必需的反应性原子和离子的数量以及离子的能量，所以提高对这些因素的控制能力就可以提高总收益率。此外，选择性(Selectivity)、形状(Profile)等也是干式刻蚀的重要因素。

• 湿法刻蚀（Wet Etching）： 使用液态化学试剂与材料发生反应，形成可溶解的产物，然后通过溶液移除，这种方法适用于大面积材料的均匀去除。

湿法刻蚀和干法刻蚀的优缺点

        湿法刻蚀因为使用液体速度更快，每分钟去除的深度更大，但不会形成类似于直方的结构。湿法刻蚀会均匀地刻蚀所有方向，从而导致横向方向上的损耗，而对于CD小型化应该避免这种现象。

        相反，干法刻蚀可以在某一特定方向上进行切割，使得实现理想中纳米（nm）级的超精细图案轮廓。

        此外，湿法刻蚀会产生环境污染，因为使用过的液体溶液需在此工艺完成后进行丢弃处理。相比之下，采用干法刻蚀时，排放管线中会布置洗涤器，这能够在向大气中排放废气之前经过中和过程，从而减少对环境的影响。

        然而，由于晶圆上方数多层复杂地缠绕在一起，所以在采用干法刻蚀过程中很难瞄准某一特定的层（膜）。在针对某一特定层进行刻蚀时，采用湿法刻蚀会更容易进行，因为它采用化学反应进行刻蚀。而在进行选择性刻蚀时使用干法并不容易，因为需要结合物理和化学技术。

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