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干法刻蚀与湿法刻蚀

干法刻蚀与湿法刻蚀 三吉半导体
2022-12-20
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导读：干法刻蚀与湿法刻蚀
在半导体制造中，对基板或基板上形成的薄膜进行加工的工序被称为刻蚀。因特尔创始人戈登·摩尔在1965年提出的“晶体管数量的集成密度每1.5~2年就会翻倍”的预测（俗称摩尔定律），刻蚀技术的进步对摩尔定律的实现起着重要作用。
刻蚀不用于镀膜这种“加法”加工，而是“减法”加工。其加工方法大致可分为两种:湿法刻蚀和干法刻蚀。简单来说，湿法就是靠溶解来加工，干法则是靠挖掘来加工。
接下来我们来简单说明一下湿法刻蚀与干法刻蚀各自的技术特点与差异，以及各自所适合的用途。

刻蚀工艺的概述

刻蚀技术的诞生源自于15世纪中叶的欧洲。当时，人们将酸倒入刻有花纹的铜板上，让其沿着纹路腐蚀铜来制作凹版。这种利用腐蚀原理来进行表面加工的技术被统称为“etching刻蚀”。
半导体制造工序中的刻蚀，是为了在基板或基板上的薄膜刻成图纸规定的纹路。镀膜工艺和光刻工艺，再加上刻蚀工艺，多次重复就可将平面加工成立体式的结构。

湿法刻蚀与干法刻蚀的不同

湿法刻蚀，是用溶液腐蚀表面来进行刻蚀。这种方法的优点是加工成本低廉、速度快，缺点就是加工精度略低。于是1970年前后便催生出了干法刻蚀。干法刻蚀不使用溶液，而是通过气体冲击基板表面来进行刻蚀，特点就是加工精度高。

等向性与异向性

所谓等向性，就是物质或空间的物理性质各个方向相同，异向性就是物质或空间的物理性质因方向而不同。
刻蚀手法中，“以某个点为中心进行同等程度的刻蚀”就是等向性刻蚀，“以某个点为中心，根据不同方向进行不同程度的刻蚀”则是异向性刻蚀。比如半导体工序的刻蚀中，为了朝指定方向刻蚀同时保留其他方向的部分，多采用异向性刻蚀。

等向性刻蚀与异向性刻蚀示意图

使用药液的湿法刻蚀

湿法刻蚀利用的是药液与基板的化学反应。这种方法虽说也不是不能进行异向性刻蚀，但与等向性刻蚀相比其难度要高出一个水平。除了对溶液和材料的组合搭配有诸多限制，基板温度、溶液浓度、添加物的多少等条件也需要严格控制。
无论将条件控制得有多细微，湿法刻蚀也很进行1μm以下的细微加工。原因之一就是必须要对侧面刻蚀进行把控。
湿法刻蚀时，即便只希望溶解材料的垂直方向（深度方向），也很难避免溶液碰到侧面，结果就是材料的各个方向都开始溶解。由于会出现这种现象，湿法刻蚀中有几率会出现比预期宽度更小的部位，这样一来，就很难去加工那些需要精密控制电流的产品了。

湿法刻蚀中可能出现的失败情况

干法刻蚀适用于精细加工的原因

在半导体制造这种高精度加工中，适合异向性刻蚀的干法刻蚀得到了应用。这里的干法刻蚀多指反应离子刻蚀(RIE)，广义上等离子刻蚀和溅射刻蚀也算在干法刻蚀里，不过本文中主要以RIE为主来说明。
那么，为什么干法刻蚀就可以较容易地做到异向性刻蚀呢？为了解释这一点，我们来具体看一下RIE的过程吧。利用干法刻蚀来腐蚀基板的过程，可以简单地分为“化学刻蚀”和“物理刻蚀”。
化学刻蚀分3个步骤进行。首先，反应气体吸附于表面。接着，反应气体与基板材料形成反应生成物，最后，反应生成物脱离。
接下来物理刻蚀是对着基板吹垂直方向的氩气，以此来进行垂直向下的刻蚀。
化学刻蚀是等向性发生的，而物理刻蚀则可以通过控制气体的方向来实现异向性。正因为这种物理刻蚀，干法刻蚀才会比湿法刻蚀更能把控方向性。
干法刻蚀也跟湿法刻蚀同样要求严密的条件，不过比起湿法刻蚀更易管理。因此，工业生产中干法刻蚀无疑更加有利。

至今仍需要湿法刻蚀的原因

既然干法刻蚀看起来如此万能，为什么当今世上依旧存在着湿法刻蚀呢？其实原因很简单，就是因为湿法刻蚀生产起来成本更低。
干法刻蚀与湿法刻蚀最大的不同就是成本。湿法刻蚀使用的药液价格并没有那么高昂，设备本身的价格也比干法刻蚀设备便宜很多。另外，湿法的加工所需时间短，可以同时处理多个基板，所以生产成本也可以控制的比较低。其结果就是，产品成本更低，和其他竞争对手相比就有了优势。如果不追求很高的加工精度的话，很多量产型企业多选择湿法刻蚀。

根据成本与精度来区分使用的两种刻蚀工艺

虽然湿法刻蚀与干法刻蚀有很大区别,但是也并不能说谁优谁劣，根据对成本、精密度的重视程度不同选择不同的生产工艺才是最理想的方法。


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