什么是刻蝕？

刻蝕是指通過物理或化學方法對材料進行選擇性的去除，從而實現設計的結構圖形的一種技術。蝕刻是半導體制造及微納加工工藝中相當重要的步驟，自 1948 年發明晶體管到現在，在微電子學和半導體領域中，蝕刻技術的發展伴隨著整個集成電路技術和化合物半導體技術的進步。在器件制造過程中需要各種類型的蝕刻工藝，涉及到幾乎所有相關材料，如介質薄膜、硅、金屬、有機物、III-V 族化合物、甚至光刻膠等。

為什么要刻蝕？

半導體刻蝕的用途有很多，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構？這就需要對晶圓微加工了。

舉個刻蝕工藝在攝像頭中應用的例子。今年小米發布了Xiaomi 13 Ultra.雷布斯在發布會上對13 Ultra的拍照功能贊不絕口，這個手機的拍照功能確實很強大，下面幾張圖是從小米官網上看到的。

那么小米13 Ultra的徠卡相機是如何成像的呢？手機攝像頭芯片會把所拍攝的景象進行分割，比如一幅山水畫，進行分割后是下面這樣：

攝像頭的像素就是根據分割的單元多少進行計算的，上面這張圖橫向有4個像元，縱向也是4個像元，相乘是16，也就是16像素的圖片。如果要將一幅圖看的足夠清晰，那就需要將圖片劃分為更小的單元格。假如橫坐標劃分成1000個像元，縱坐標也劃分成1000個像元，那就是百萬像素的攝像頭。將攝像頭芯片劃分為小單元格的方法就是刻蝕。下圖是一張刻蝕完成后的半導體芯片局部細節圖片:

半導體刻蝕后的顯微結構有點像南方的農田，在一大片農田里用農機設備加工整齊的溝渠，農田被劃分為一塊一塊方正的單元，在單元農田上種水稻或小麥。

半導體刻蝕方法

蝕刻可分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩種，為了便于理解，再舉一個例子。

我們在洗澡時，有兩種洗法，一種是北方洗法，澡堂里放一池子水，人往池子里一泡，開始搓澡。我們全身都接觸到了洗澡水，這種叫做濕法。因為水在各個地方都有接觸，無差別接觸，術語叫做各向同性。

另外一種就是南方洗法，一個小房間放一個噴頭，想洗胳膊就噴一下胳膊，洗大腿就噴一下大腿，精準的控制清洗的地方，這種叫做干法。不是每個地方都接觸到了水，這種叫做各向異性。

另外，當我們胳膊上有傷口時，洗澡時不希望傷口接觸到水，可以選擇在傷口上貼上防水貼，有防水貼的地方不會被淋濕。在半導體刻蝕前，也會選擇一些地方不刻蝕，采用的辦法就是涂光刻膠來保護半導體表面，這就是光刻與刻蝕經常同步出現的原因。

什么是濕法刻蝕？

濕法腐蝕是化合物半導體器件制作中一種不可或缺的工藝技術，主要原理是腐蝕溶液與浸漬在腐蝕液中的材料進行化學反應生成可溶解的生成物，從而將需要腐蝕的區域去除。

它一般在光刻膠的保護下，對材料進行腐蝕，清洗去除光刻膠后得到最終圖形。在對半導體晶圓材料硅或者氧化硅腐蝕時，通常選擇HNO3或HF，反應式如下：

Si + 4HNO3 → SiO2 + 2H2O + 4NO2.SiO2+ 6HF → H2SiF6 +2H2O.

也就是把晶圓丟在HNO3或HF里泡一泡，讓強酸去除晶圓上的某部分。濕法腐蝕的工藝簡單、經濟實惠、光刻掩膜制備技術成熟且通用、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，比如因暴露在化學和生成的氣體中所帶來的安全上的危害，還有化學排放需要廢物處理造成的環境上的危害。

什么是干法刻蝕？

相對濕法腐蝕而言，干法刻蝕的優勢較明顯，干法刻蝕具有各向異性，可以從根本上改善橫向鉆蝕等問題。干法刻蝕分為三種，物理刻蝕、化學刻蝕和物理化學刻蝕。

下面是幾種常用于工業制備的刻蝕技術，其中包括離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）、反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）、以及后來基于高密度等離子體反應離子的電子回旋共振等離子體刻蝕（Electron Cyclotron Resonance，ECR）和電感耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）。

什么是等離子體？

等離子體是正離子和電子的密度大致相等的電離氣體，由離子、電子、自由激進 分子、光子以及中性粒子組成，是物質的第四態。舉個例子，我們都知道原子有原子核和外面的電子組成，類似我們買的核桃，有核桃和外面的殼。正常情況下，殼里面包著核桃。給核桃加一個外力，把核桃和殼分開，核桃帶正電，殼帶負電，許多核桃和核桃殼組成的一堆物質，稱為等離子核桃。

(1)IBE干法刻蝕：

IBE 又被稱為離子銑，是上個世紀 70 年代發展起來的一種純物理刻蝕技術，其原理是利用惰性氣體（例如 Ar，Xe 等）產生的離子束經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，當表面原子積累的能量大于其自身結合能時，則會脫離固體表面發生濺射，從而達到刻蝕的目的，其原理示意圖下圖所示。

該技術采用加速電壓控制離子束的方向及能量，因而刻蝕表現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，可應用的材料范圍也非常廣，至今在刻蝕化學性質非常穩定的材料（例如陶瓷、某些金屬等）時依然發揮著重要作用。但正因為如此，該技術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損傷。

(2)RIE干法刻蝕：

RIE 是在 IBE 基礎上發展而來的一類化學反應為主、離子物理轟擊為輔的干法刻蝕技術。與 IBE 相比，RIE 具有更高的刻蝕速率且同時也表現出優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之一。其結構示意圖如下圖所示，當在平行板電極系統兩側施加射頻電壓時，腔室內的電子會加速轟擊反應氣體導致其發生電離，電離過程中會進一步產生自由電子繼續參與碰撞，直至達到平衡的輝光放電狀態，在平行板一側形成穩定的等離子體。

一般而言，RIE刻蝕需要反應生成物具有一定的揮發性，以便在刻蝕過程中能及時有效的被真空系統抽離，從而避免二次沉積從而保持刻蝕的高精度。在 RIE 刻蝕系統中，射頻電場的 RF 功率直接決定了等離子體的濃度以及加速偏置電壓的大小，繼而可以控制刻蝕速率。但遺憾的是，RIE 在提高等離子密度的同時也會提高加速偏置電壓，加速轟擊離子使其具有較高的能量，可能會導致材料產生晶格損傷，同時也降低了掩膜選擇比，因此在刻蝕應用中還是具有一定限制。隨著大規模集成電路的迅速發展，晶體管的尺寸不斷縮小，對微納加工技術的精度、深寬比等指標提出了更高的要求，由此基于高密度等離子體的干法刻蝕技術應運而生，為電子信息技術的進一步發展帶來了新的曙光。

(3)ECR干法刻蝕：

早期的一種實現高密度等離子體的方式是基于微波電子回旋共振技術實現的，即 ECR 刻蝕技術，其結構示意圖如下圖所示。

該系統從頂部導入高頻微波（~2.5GHz），利用微波與腔體內的電子形成共振，并在腔體外側施加與之頻率匹配的、均勻分布的磁場，使電子發生回旋共振以獲得較高的能量，從而提高電離率。通過該方法可以得到高于 10E11/cm3 的等離子體密度，較 RIE 至少提高了兩個數量級（10E9~10E10/cm3）。同時，底部樣品臺依舊與射頻源相連，通過控制射頻源功率可以獨立控制等離子體的加速偏置電壓。ECR 刻蝕技術的出現，彌補了RIE 刻蝕技術等離子體密度和偏置電壓不能分別控制的缺點，同時高密度的等離子體大大提高了刻蝕速率和掩膜選擇比，促進了微納加工中超高深寬比刻蝕圖形的實現。但該技術的實現依托于微波源、射頻源、磁場等多個系統的共同作用，設備結構設計一般都比較復雜，同時存在各個射頻源之間相互調節匹配的問題，給實際操作也帶來一定難度。因此在 ECR 刻蝕技術提出不久后，又衍生出了新的 ICP 刻蝕技術。

(4)ICP干法刻蝕：

ICP 刻蝕技術在 ECR 技術的基礎上進一步簡化，采用兩個 13.56MHz 的射頻源分別控制等離子體的產生和加速偏置電壓的大小，同時通過螺旋線圈感應出交變電磁場的方式代替 ECR 中的外部磁場，其結構示意圖如下所示，射頻源通過電磁耦合將能量傳遞給內部電子，電子在感應電磁場內做回旋運動碰撞反應氣體使其電離，且可以獲得與 ECR 相當的等離子體密度。ICP 刻蝕技術基本上兼顧了上述幾種刻蝕系統的所有優點，同時滿足了高刻蝕速率、高選擇比、大面積均勻性且設備結構簡單易控等需求，因此也迅速取代了 ECR 成為了新一代高密度等離子刻蝕技術的首選。

下圖是 ICP刻蝕反應過程示意圖，輝光放電產生活性離子，然后活性離子與樣品發生化學反應物理活性離子輔助打斷化學鍵、加速反應物脫附、促進表面化學反應并去除表面的非揮發性殘留。物理化學作用共同構成了刻蝕過程中的三個階段。

六、干法刻蝕中常見的問題

影響干法刻蝕結果的因素多種多樣，最常見的是負載效應、溝槽效應以及充電效應等。

(1)負載效應：

負載效應（Loading effect）是刻蝕中最常見的問題之一，其主要指在刻蝕過程中由于反應等離子體不充足而引起的刻蝕速率降低或刻蝕不均勻的效應。引起負載效應的原因有多種，根據不同原因還可以將該效應進一步細分為宏觀負載效應和微觀負載效應，其具體表現形式如下圖所示。負載效應是由刻蝕系統特點決定的，普遍存在于所有的反應離子刻蝕中，為了緩解該效應對刻蝕結果的影響，一方面需要更高密度、分布更均勻的等離子體，另一方面，可以在反應氣體中加入輔助氣體以稀釋和均勻等離子體、提升真空系統性能以加快等離子體的交換和刻蝕產物抽除、以及在設計光刻板時注意平衡圖形密集程度等。

(2)微溝槽效應

微溝槽效應（Trenching effect）是指在刻蝕過程中側壁附近的刻蝕速率大于溝槽中心的刻蝕速率而導致的倒角現象，如下圖所示。該效應是由于高能粒子以一定角度轟擊到刻蝕側壁時，能量未能損耗完全而被側壁反射下滑至底部形成繼續刻蝕而導致的，該效應的產生與高能粒子的入射角度以及側壁的傾角均有關系，因此側壁溝槽的出現往往伴隨著非完全陡直的側壁。圖b是該效應的蒙特卡羅模擬驗證圖，隨著刻蝕深度的增加，邊角的溝槽效應越來越明顯。加大 RF功率能在一定程度上增加入射粒子的準直性從而提高側壁陡直度和降低溝槽效應。但除此之外，刻蝕掩膜的負電荷積累也會在一定程度上加重側壁溝槽的產生，具體解釋見后面的充電效應。

（3）充電效應

充電效應（Charging effect）是由于刻蝕掩膜的絕緣性導致的，反應等離子體是帶正電的離子和帶負電的電子的平衡態，在偏置電壓的作用下，反應離子垂直入射刻蝕表面，但由于電子質量輕、速度快，其具有一定程度的各向異性，克服反向電勢到達樣品表面的部分電子聚集在不導電的掩膜表面，在樣品頂部形成一個微局域電場，從而對入射粒子的方向產生一定的影響，如圖a)所示。一方面，帶正電的反應離子會在該電場的作用下發生偏轉，轟擊到刻蝕的側壁上，導致刻蝕的各向異性度降低，具體情況如圖b)所示；另一方面，該電場也會通過影響帶電粒子的入射角而加重溝槽效應。該效應在刻蝕窄溝道圖形時較為常見，且刻蝕時間越長，電子聚集越多該效應越明顯。該效應可通過采用合適的刻蝕掩膜或間歇性刻蝕的方式減緩。

七、總結

六十年代之前，在集成電路的制造中主要以濕法腐蝕為主，但隨著器件制作進入微米、納米時代，器件高度集成，濕法腐蝕的加工精度不能滿足生產需求。干法刻蝕技術具有刻蝕速度快、選擇比高、各向異性好、刻蝕損傷小、片內和片間均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控和刻蝕表面平整等優點，被廣泛應用在硅材料、介質薄膜、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體等材料的刻蝕上，取得了優勢非常明顯的刻蝕效果。干法刻蝕技術以各向異性度好、刻蝕速率高等優點取代了濕法腐蝕并迅速在微納加工中占領了主要地位。