芯耀
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在半导体加工领域，刻蚀技术主要分为两种类型：湿法刻蚀和干法刻蚀。
一、湿法刻蚀
湿法刻蚀（Wet Etching）通常涉及利用化学溶液来去除材料表面的物质，而干法刻蚀（DryEtching），则依赖于等离子体或激光等物理手段实现精确的材料去除过程。
这两种方法各自具有特定的应用场景和优势，在集成电路制造、微纳结构加工以及其它精密电子器件生产中扮演着关键角色。
湿法刻蚀技术以其显著的高刻蚀速率和卓越的选择比著称，这一特性主要得益于其纯化学作用机制，而非依赖于物理力，从而实现了高效且精确的材料去除。然而，该过程受限于仅能实现等向性刻蚀这一固有限制。
若将晶圆浸入特定液体中，液体将因物理扩散作用而与晶圆材料接触并可能引发化学反应。尤其值得注意的是，光刻胶覆盖层未被掩护的部分会与此液体发生化学交互作用，导致该区域加速溶解与腐蚀，从而显著影响工艺精确度。因此，在当前的半导体核心技术层制造过程中，普遍避免使用湿法刻蚀技术。
二、干法刻蚀
干法刻蚀是一种基于等离子体物理轰击与化学反应协同作用的微纳加工工艺，通过高能离子和活性自由基对材料表面进行高精度选择性去除，实现复杂微结构的图形转移。
其核心原理是：在真空反应腔中注入特定气体（如CF4、SF6等），通过射频或微波能量激发形成等离子体，其中离子通过电场加速垂直轰击晶圆表面引发物理溅射，而自由基则与材料发生化学反应生成挥发性产物，二者协同作用实现各向异性和高深宽比刻蚀。
干法刻蚀则泛指采用气体进行刻蚀的所有工艺，可分为化学刻蚀、溅射刻蚀和反应性离子刻蚀。
等离子体刻蚀法包括物理刻蚀和化学刻蚀两种。
物理刻蚀其过程是通过射频放电产生等离子体，并通过对等离子体进行加速，使用高能离子轰击原子表面来实现能量转移，该过程为纯物理过程。
物理刻蚀过程表现出良好的刻蚀的各向异性，刻蚀图案的垂直性较好，但是由于物理刻蚀无选择性，离子轰击过程会导致较严重的侧壁掩膜损伤问题，如下图。
化学刻蚀主要通过等离子体的化学反应来传递能量，蚀刻原子或分子在表面发生反应并形成挥发性副产物，该过程为缓慢的化学反应过程。化学刻蚀主要包括化学溅射(Chemical Sputtering)和等离子增强抑制刻蚀（Ion Enhanced Inhibitor Etching）。
化学溅射刻蚀具有良好的选择性，刻蚀时对掩膜刻蚀作用较弱，可以减小物理刻蚀带来的侧壁损伤问题；但是也表现出刻蚀的各向同性问题，表现为刻蚀侧壁的垂直性一般，刻蚀效果如下图所示：
等离子增强抑制刻蚀相比于物理刻蚀，表现出良好的刻蚀选择比，相比于化学刻蚀表现出更加优良的各向异性，在该刻蚀方式中，刻蚀图案的侧壁垂直性表现好，同时，也未出现刻蚀掩膜的异常消耗问题，是刻蚀工艺中的优先选择，如下图所示：
干法刻蚀产生等离子体的方式中，电感耦合等离子体刻蚀(ICP)作为该领域的重要分支，ICP源因其独特的优势，包括简单的设备结构、低温和低压条件下的高等离子体密度以及高离子通量，在半导体、材料加工、环境科学等多个行业得到了广泛应用。
在半导体制造行业，伴随集成电路技术的迅猛进步以及对更大晶圆尺寸（例如12英寸）需求的持续增长，市场对等离子体源展现出更为严苛的要求，不仅需要其具备卓越的均匀性，还需确保稳定的性能以满足高质量大规模生产的需求。
在干法刻蚀中，常见的等离子刻蚀系统包括反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）和电感耦合等离子（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀系统。
RIE是一种使用化学和物理反应，通过在高真空反应腔内产生等离子体去除薄膜沉积物的刻蚀方式。由于其出色高刻蚀速率特性，RIE又被称为离子增加刻蚀技术。利用产生的高密度的高能等离子体轰击晶圆表面，可以有效打破材料表面的化学键，降低刻蚀反应所需要的活化能，从而加速了刻蚀反应速率。因此，该技术在半导体制造中被大量使用。
另一种反应离子刻蚀系统是电感耦合等离子反应离子刻蚀（ICP）系统，如下图所示：
其原理是利用射频电磁线圈来产生高密度的等离子体，高密度的离子源可以有效地提高刻蚀速率。但该方案的等离子体刻蚀，表现为刻蚀的各向异性，对工艺的控制效果较差。因此，在衬底上施加一个独立的射频偏置装置，产生一个靠近衬底的垂直方向的偏置（Bias）电场来控制等离子体的运动方向，从而保证刻蚀过程的同向异性和各向异性。由于此系统利用电感耦合来产生高能等离子体，因此该系统被称为?ICP?刻蚀系统。
在ICP刻蚀系统中，射频频率选择为高频13.56 MHz，功率选择为几百瓦到几千瓦之间，通过在上下极板间产生高频、高功率的电磁场，可以有效地产生反应所需要的等离子体，通过控制极间电场，可以调节反应速率、改变刻蚀效果。
该刻蚀系统可以精确控制反应腔内的气体流量、反应功率、刻蚀温度和反应压力，可以做 到高精度地对刻蚀图案进行调整。
因此，ICP刻蚀系统作为一种高效、高精度的微纳加工设备，在工业和科研领域都有广泛的应用，可以实现高速率、低损伤的刻蚀效果。
ICP技术因其能够在低气压下产生大面积均匀的等离子体，成为满足这一需求的关键解决方案。
其技术原理可分解为三个核心环节：
首先，通过高频电磁场（通常为13.56MHz）在真空反应腔内激发气体产生高密度等离子体；
其次，采用双射频电源独立控制架构——ICP源功率通过螺旋线圈耦合能量维持等离子体密度，而偏置射频（RFBias）则调控离子轰击能量（50-500eV），实现物理溅射与化学反应的协同作用；
最后，通过气体化学与工艺参数的精确匹配，在低气压（1-50mTorr）下形成各向异性刻蚀，侧壁垂直度可达88°以上，同时抑制表面粗糙度。
以硅基刻蚀为例，CF4/O2混合气体的ICP放电可高效生成氟自由基，其与硅反应生成挥发性SiF4（反应式：Si+4F → SiF4↑），同时O2的加入通过氧化反应（CF3+O → COF2+F）抑制碳聚合物沉积，确保刻蚀表面清洁。
三、刻蚀中的典型问题
在高深宽比刻蚀中，由于刻蚀难度增加，刻蚀缺陷也会更加明显。
常见的缺陷包括：刻蚀沟槽（Trenching）、横向刻蚀（Undercut）、刻蚀图案锥型化（Taper）和刻蚀侧壁的驻脚（Foot）等。
(1)刻蚀沟槽
刻蚀沟槽是指刻蚀过程中，由于底部刻蚀不均匀而导致的刻蚀沟槽，其表现为底部边缘的刻蚀深度更深，中间刻蚀深度浅，从而形成了一道道沟槽（Trenching），如下图所示：
刻蚀沟槽产生的原因在于等离子更容易沿着侧壁累积和向下“滑行”，导致沿侧壁的等离子体浓度更高，平均能量更高，对薄膜的刻蚀速率也更快。
减小刻蚀沟槽效应，方法包括：通过调节合适的射频功率来调节等离子的密度；减小反应腔内的压力，来降低离子碰撞的几率；调节等离子轰击时的辅助气体，如Ar、N2流量等。
(2)横向刻蚀
横向刻蚀是指刻蚀过程中，由于对顶部侧壁的保护作用不够，导致掩膜层下方的薄膜被刻蚀过多，出现了横向刻蚀（Undercut）的问题，如下图所示。
Undercut的原因在于侧壁的保护作用过弱，导致刻蚀时底部刻蚀较少，侧壁刻蚀较多，整体的刻蚀方向从底部移向侧壁。
减缓Undercut现象，可以通过调节刻蚀掩膜，增加掩膜对侧壁的保护作用，也可以选择调节刻蚀气体的种类和比例来改变刻蚀的刻蚀选择比，从而改善刻蚀的各向异性问题。
(3)刻蚀图案锥型化
刻蚀图案锥型化（Taper）效应指刻蚀图案达不到理想的垂直图案，刻蚀形貌整体呈现上宽下窄的梯形态，如下图所示。
Taper?现象的产生主要源于掩膜在顶部的保护作用不够，同时侧壁的保护作用过强，可以通过在垂直方向增减Bias电场以及调节刻蚀气体种类和比例来改变刻蚀选择比改善刻蚀图案Taper的问题。
(4)刻蚀侧壁的驻脚
刻蚀侧壁的驻脚（Foot）效应与Taper?效应类似，Taper?图案整体呈现为梯形，而?Foot?效应表现为最底部刻蚀强度不够，如下图。改善Foot效应的方法也与Taper?效应类似，主要方式为调节Bias电场、改变刻蚀气体种类和比例。
当刻蚀深度较大时，由于刻蚀沟槽效应，刻蚀底部出现Trenching现象，引发刻蚀图案的坍塌问题；由于刻蚀的同向异性，纵向刻蚀达不到刻蚀深度的要求，产生了刻蚀图案?Taper、Foot?效应和刻蚀残留等现象；而横向刻蚀又超过了设定的宽度，造成Undercut?现象，导致了刻蚀图案与理想图案的进一步偏差，造成刻蚀形貌的扭曲、摇摆（Wiggling），最终影响到器件和结构和性能。
只有不断优化工艺参数，才能刻蚀出理想的结构形态，好了，关于芯片刻蚀工艺就介绍到这儿，对半导体感兴趣的同学欢迎关注《半导体全解》，一起了解更多半导体知识！
参考文献：
(1)杨鹏?双层堆叠的三维相变存储器刻蚀工艺研究[D].
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(4)李瑞山?二维MoTe_2控制生长与晶体管构筑研究[D].
(5)Introduction to Fabrication? 2020-2025 Micron Technology, Inc. All Rights Reserved. Used with permission.”
