浅谈半导体制造中的刻蚀工艺

在上一篇文章，我们介绍了光刻工艺，即利用光罩(掩膜)把设计好的电路图形绘制在涂覆了光刻胶的晶圆表面上。下一步，将在晶圆上进行刻蚀工艺，以去除不必要的材料，只保留所需的图形。

刻蚀：本身就是一门艺术

大家在学生时代的美术课上创作过的“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。半导体的刻蚀工艺与这种版画的制版技术有着相似的原理。

版画制版时，将防腐材料涂在金属板上，然后用锋利的工具雕刻所需的设计图形。然后将板浸入硝酸等腐蚀性材料中，并控制腐蚀程度以形成图形。

特意找了木刻版画的视频，大家可以感受一下。

木刻版画过程

同理，半导体制造中的刻蚀工艺使用液体或气体刻蚀剂选择性地去除不必要的材料，直到所需的电路图形留在晶圆表面上。

没有光刻胶的区域的材料通过刻蚀剂去除，以在晶圆上形成电路图形。刻蚀过程完成后，光刻胶被移除。这些步骤需要在不同的层上多次重复。

刻蚀过程

根据刻蚀过程中使用的材料，干法刻蚀刻蚀分为和 湿法刻蚀 。干法刻蚀使用反应性气体和离子选择性地去除不必要的材料，而湿法刻蚀使用化学溶液。

与湿法刻蚀技术相比，干法刻蚀的成本更高，也更复杂。然而，随着纳米级最新先进的半导体技术，电路越来越精细复杂。因此，干法刻蚀的应用更为广泛，yield(可以理解为成品率)更高。

干法刻蚀：去除不必要的部分

那么干法刻蚀如何去除不必要的基板材料呢？

干法刻蚀也称为等离子刻蚀。等离子体是通过将气体注入压力低于气压的真空室，然后通过提供电能来产生的。等离子体是一种物质状态(类似固体，液体和气体)，由大量自由电子、离子和中子或电离气体形式的分子组成。当物质被电离时，这意味着中子或分子通过失去或获得电子改变了其电荷状态。

等离子体的产生过程

当将电能产生的足够强的磁场施加到气体上以使气体分子碰撞并电离时，就会产生等离子体。换句话说，自由电子被磁场加速，随后的高能电子与中子或分子碰撞并电离它们。

这种电离的连锁反应，称为雪崩效应，导致离子数量呈指数级增加。这就是所谓的“等离子体状态”。从这种等离子体状态解离的自由基原子挥发并远离晶圆表面，从而剥离以前未用光刻胶涂层保护的表面材料。

在干法刻蚀过程中有几点需要注意。

一，均匀性。均匀性显示了整个晶圆表面刻蚀速度的一致性。如果刻蚀速度在晶圆的不同区域不一致，则刻蚀深度将不同，这可能会导致芯片故障。

二，刻蚀率。这是指在给定时间内去除的表面材料的数量。刻蚀速率可以根据反应原子和离子的数量以及离子携带的导致表面反应发生的能量而有所不同。也就是说，我们需要严格控制这些因素以提高整体Yield。

此外，选择比(被刻蚀的目标材料的刻蚀速率与其他材料的刻蚀速率之比)和刻蚀剖面也被认为是干法刻蚀的重要因素。

现在您对构建半导体电路图形的刻蚀工艺有了更多的了解。半导体是集成电路技术的缩影，它是通过在硅衬底上重复施加所需材料的薄膜、施加保护层和选择性刻蚀不必要部分的过程来制造的。整个过程在安全设计的仪器中进行。

接下来的文章，我们将介绍沉积和离子注入工艺，晶圆通过这些工艺获得电性能。

审核编辑：汤梓红