芯片制造中的濕法刻蝕和干法刻蝕

在芯片制造過程中的各工藝站點，有很多不同的工藝名稱用于除去晶圓上多余材料，如“清洗”、“刻蝕”、“研磨”等。

如果說“清洗”工藝是把晶圓上多余的臟污、particle、上一站點殘留物去除掉，“刻蝕”工藝則是在圖形化掩膜（多為光刻膠）的幫助下，通過各種復(fù)雜的物理和化學(xué)作用將被刻蝕材料層特定位置的材料去除或改性，實現(xiàn)對被刻蝕材料層的精細加工和雕刻。

刻蝕工藝作為IC芯片制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在芯片的制造過程中發(fā)揮著不可替代的作用。

在了解具體工藝之前，我們先梳理一下刻蝕工藝的重要術(shù)語，請見下圖：

第一個關(guān)鍵術(shù)語就是“選擇比”。該參數(shù)用于衡量刻蝕過程對目標(biāo)材料與非目標(biāo)材料刻蝕速率的差異大小，選擇比越大，刻蝕速率差異越大。在上圖所示的刻蝕反應(yīng)過程中，一部分光刻膠掩膜也會被刻蝕，因此在實際的刻蝕工藝中，不可能達到100%只刻蝕去除目標(biāo)材料的效果。一套高選擇比的刻蝕工藝參數(shù)，可以高效的去除刻蝕目標(biāo)材料，并盡可能多的保留非刻蝕目標(biāo)材料。

第二個關(guān)鍵詞，就是“方向的選擇性”。顧名思義，方向的選擇性是指刻蝕的方向。該性質(zhì)可分為等向性（Isotropic）和非等向性（Anisotropic）刻蝕兩種：等向性刻蝕沒有方向選擇性, 除縱向反應(yīng)外，橫向反應(yīng)亦同時發(fā)生；非等向性刻蝕則是借助具有方向性的離子撞擊來進行特定方向的刻蝕，形成垂直的輪廓。試想一個包裹糖果的包裝袋漏了一道口子，如果把整塊糖連包裝袋一起放入水中，一段時間后，糖果就會被溶解?？扇绻幌蚱瓶谔幷丈浼す猓枪蜁粺?，形成一個洞，而不是整塊糖果被燒沒。前一現(xiàn)象就好比等向性刻蝕，而后一現(xiàn)象就如同非等向性刻蝕。

第三個關(guān)鍵詞，就是表明刻蝕快慢的“刻蝕速率（Etching Rate）”。如果其他參數(shù)不變，當(dāng)然速率越快越好，但一般沒有又快又準的完美選擇。在工藝研發(fā)過程中，往往需要在準確度等參數(shù)與速率間權(quán)衡。比如，為提高刻蝕的非等向性，需降低刻蝕氣體的壓力，但降壓就意味著能夠參與反應(yīng)的氣體量變少，這自然就會帶來刻蝕速率的放緩。

最后一個關(guān)鍵詞就是“均勻性”。均勻性是衡量刻蝕工藝在整片晶圓上刻蝕能力的參數(shù)，反映刻蝕的不均勻程度?？涛g與曝光不同，它需要將整張晶圓裸露在刻蝕氣體中。該工藝在施加反應(yīng)氣體后去除副產(chǎn)物，需不斷循環(huán)物質(zhì)，因此很難做到整張晶圓的每個角落都是一模一樣。這就使晶圓不同部位出現(xiàn)了不同的刻蝕速率。

為什么要刻蝕？

芯片刻蝕的用途有很多，最初晶圓是一個沒有任何功能的硅片，如何將這個平板進行改造成需要的結(jié)構(gòu)？這就需要對晶圓微加工了。下圖是一張刻蝕完成后的半導(dǎo)體芯片局部細節(jié)圖片：

刻蝕后的顯微結(jié)構(gòu)有點像南方的農(nóng)田，在一大片農(nóng)田里用農(nóng)機設(shè)備加工整齊的溝渠，農(nóng)田被劃分為一塊一塊方正的單元，在單元農(nóng)田上種水稻或小麥。

刻蝕的種類：濕法刻蝕與干法刻蝕

刻蝕也像氧化工藝一樣，分為濕法刻蝕（Wet Etching）和干法刻蝕（Dry Etching）。

濕法刻蝕（Wet Etching）

是純粹的化學(xué)反應(yīng)，利用化學(xué)試劑與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性物質(zhì)或揮發(fā)性物質(zhì)。被選擇的刻蝕液要有可均勻地去掉晶圓表層而又不傷及下一層材料的能力。

工藝流程：槽式刻蝕系統(tǒng)是將晶圓沉浸于裝有刻蝕液當(dāng)中，經(jīng)過一定時間傳送到清洗設(shè)備中去除殘留的污染物，再送到最終清洗臺以沖洗和甩干。

在對晶圓材料硅或者氧化硅腐蝕時，通常選擇HNO3或HF，反應(yīng)式如下：

也就是把晶圓丟在HNO3或HF里泡一泡，讓強酸去除晶圓與刻蝕液體接觸部分的材料。

濕法腐蝕的工藝簡單、經(jīng)濟實惠、光刻掩膜制備技術(shù)成熟且通用、光刻膠在腐蝕液中的選擇比一般很高，利于選擇性腐蝕。腐蝕速率決定于腐蝕劑的活性和腐蝕產(chǎn)物的溶解擴散性。但濕法腐蝕具有自然的腐蝕各向同性，掩膜下的下切使它不適合做小于2微米的圖形，濕法腐蝕過程中還會形成氣泡，氣泡附著的地方就會導(dǎo)致腐蝕終止。

另外濕法腐蝕還有一些其它的問題，比如因暴露在化學(xué)和生成的氣體中所帶來的安全上的危害，還有化學(xué)排放需要廢物處理造成的環(huán)境上的危害。

干法刻蝕（Dry Etching）

利用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)或者是利用高能離子束轟擊去除物質(zhì)的方法。以氣體為主要媒體的刻蝕方法，晶圓不需要液體化學(xué)品或沖洗，因此稱為干法刻蝕。三種干法刻蝕技術(shù)分別為：等離子刻蝕、離子銑刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕。

等離子刻蝕：用等離子進行薄膜刻蝕的技術(shù)，其利用刻蝕氣體在電場加速作用下形成等離子中的活性基，與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成副產(chǎn)物隨氣流帶走。

離子銑刻蝕：是上個世紀70年代發(fā)展起來的一種純物理刻蝕技術(shù)，其原理是利用惰性氣體（例如 Ar，Xe 等）產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速電壓作用后高速轟擊靶材表面，轟擊過程中離子束不斷的將能量傳遞給材料表面原子，當(dāng)表面原子積累的能量大于其自身結(jié)合能時，則會脫離固體表面發(fā)生濺射，從而達到刻蝕的目的，其原理示意圖下圖所示。

該技術(shù)采用加速電壓控制離子束的方向及能量，因而刻蝕表現(xiàn)出極好的各向異性和速率可控性，加之其完全屬于純物理刻蝕，可應(yīng)用的材料范圍也非常廣，至今在刻蝕化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的材料（例如陶瓷、某些金屬等）時依然發(fā)揮著重要作用。

但正因為如此，該技術(shù)的掩膜選擇比往往較低，在刻蝕較深的溝槽時需要采用很厚的掩膜而影響刻蝕精度；且高速轟擊的離子束容易造成表面晶格損傷，給器件帶來不可避免的電學(xué)損傷。

反應(yīng)離子刻蝕：結(jié)合了等離子體刻蝕和離子銑刻蝕的原理，具有更高的刻蝕速率且同時也表現(xiàn)出優(yōu)異的各向異性以及大面積均勻性，是目前微納加工過程中使用最為廣泛的刻蝕技術(shù)之一。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，當(dāng)在平行板電極系統(tǒng)兩側(cè)施加射頻電壓時，腔室內(nèi)的電子會加速轟擊反應(yīng)氣體導(dǎo)致其發(fā)生電離，電離過程中會進一步產(chǎn)生自由電子繼續(xù)參與碰撞，直至達到平衡的輝光放電狀態(tài)，在平行板一側(cè)形成穩(wěn)定的等離子體。

如何選擇刻蝕工藝？

首先，根據(jù)芯片產(chǎn)品的制程要求，如果只有干法刻蝕能勝任刻蝕任務(wù)，選干法；如果干濕法刻蝕都能勝任的，一般選濕法，因為濕法較經(jīng)濟；如果想精確控制線寬或刻垂直/錐形角度，則選干法。

當(dāng)然還有一些特殊的結(jié)構(gòu)是必須要用濕法刻蝕的。比如MEMS中刻硅的倒金字塔結(jié)構(gòu)，則只能用濕法刻蝕來完成。