刻蚀技术

半导体工艺技术

刻蚀技术（etching technique），是在半导体工艺，按照掩模图形或设计要求对半导体衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的技术。刻蚀技术不仅是半导体器件和集成电路的基本制造工艺，而且还应用于薄膜电路、印刷电路和其他微细图形的加工。刻蚀还可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

过程

普通的刻蚀过程大致如下：先在表面涂敷一层光致抗蚀剂，然后透过掩模对抗蚀剂层进行选择性曝光，由于抗蚀剂层的已曝光部分和未曝光部分在显影液中溶解速度不同，经过显影后在衬底表面留下了抗蚀剂图形，以此为掩模就可对衬底表面进行选择性腐蚀。如果衬底表面存在介质或金属层，则选择腐蚀以后，图形就转移到介质或金属层上。

技术

由于曝光束不同，刻蚀技术可以分为光刻蚀（简称光刻）、X射线刻蚀、电子束刻蚀和离子束刻蚀，其中离子束刻蚀具有分辨率高和感光速度快的优点，是正在开发中的新型技术。

应用

刻蚀工艺不仅是半导体器件和集成电路的基本制造工艺，而且还应用于薄膜电路、印刷电路和其他微细图形的加工。

工艺分类

刻蚀还可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

刻蚀的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个刻蚀，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个刻蚀的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长，整个刻蚀之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类刻蚀之分。

湿刻蚀

最普遍、也是设备成本最低的刻蚀方法。其影响被刻蚀物之刻蚀速率 (etching rate) 的因素有三：刻蚀液浓度、刻蚀液温度、及搅拌 (stirring) 之有无。定性而言，增加刻蚀温度与加入搅拌，均能有效提高刻蚀速率；但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF刻蚀SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH刻蚀Si的速率却比20%KOH慢！湿刻蚀的配方选用是一项化学的专业，对于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿刻蚀配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行刻蚀时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质 (如刻蚀掩膜；etching mask，或承载被加工薄膜之基板；substrate ) 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的刻蚀系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之刻蚀掩膜或其下的基板材料。

(1)等向性刻蚀 (isotropic etching)

大部份的湿刻蚀液均是等向性，换言之，对刻蚀接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好刻蚀掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在；只要刻蚀配方具高选择性，便应当止于所该止之深度。

然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度，当其被蚀出某深度时，刻蚀掩膜图案边缘的部位渐与刻蚀液接触，故刻蚀液也开始对刻蚀掩膜图案边缘的底部，进行蚀掏，这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象 (undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿刻蚀技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术！

(2)非等向性刻蚀 (anisotropic etching)

先前提到之湿刻蚀「选择性」观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起，在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。

这部份将在体型微细加工时再详述。

干刻蚀

干刻蚀是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用等离子体 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的刻蚀加工。其中等离子体必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干刻蚀采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成刻蚀的目的。

干刻蚀基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份刻蚀机制。偏「离子轰击」效应者使用氩气(argon)，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF4)，经激发出来的等离子体，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。

干刻蚀法可直接利用光阻作刻蚀之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高刻蚀率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子刻蚀」(reactive ion etch；RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。

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