刻蚀
Etching也称 干法刻蚀、湿法刻蚀
在掩模约束下，用液相反应或等离子体中的自由基—离子协同，选择性地移走目标材料并把平面图形转成三维结构。
速览
约 1 分钟刻蚀不是简单把材料『挖掉』：化学反应决定能否形成可移除副产物，离子方向、侧壁保护和传输共同决定轮廓；刻蚀率、选择比、各向异性、均匀性和损伤必须同时进入工艺窗口。
系统理解
约 2 分钟湿法刻蚀让反应物经液体输运到表面，发生化学反应后把产物带走。它通常设备简单、选择比高，但各向同性反应会在掩模下横向钻蚀；KOH、TMAH等对硅不同晶面速率差异很大，又能形成由慢蚀晶面限定的方向性轮廓。
干法刻蚀把气体解离为电子、离子、自由基和中性粒子。中性自由基提供高反应活性，却没有天然方向性；电子比重离子更快到达表面，使等离子体与晶圆之间形成鞘层，正离子被鞘层电场加速并近似沿法向轰击底部。实际RIE依靠离子活化表面、移走反应层并与化学反应协同，而侧壁上的抑制层因较少受到垂直离子轰击而被保留，由此建立各向异性。
轮廓仍受气相解离、表面吸附、产物挥发、离子角度、压力、偏压和深宽比共同限制。高深宽比结构中，反应物和离子通量会随深度衰减，出现ARDE；过宽角度分布、侧壁散射和充电又可能造成弓形、微沟槽等异常。ALE把表面改性与改性层移除拆成顺序自限制步骤，换取每周期尺度的控制，但只有在改性饱和且移除能量不侵蚀基底的窗口内才成立。
显影之后把二维掩模转成三维材料结构，并连接沉积、清洗、CMP与量测。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| R | nm/min | 目标膜厚减少量与时间之比 |
| S | — | 目标材料对掩模或停止层的刻蚀率比 |
| A | — | 由横向与纵向速率定义的各向异性程度 |
| 偏压 / 离子能量 | V / eV | 控制底部活化、方向性、溅射与损伤 |
| 压力与通量 | mTorr | 共同影响平均自由程、自由基供给、产物排出和ARDE |
常见误区
- 认为干法刻蚀天然就是各向异性，忽略中性自由基本身没有方向性
- 只看刻蚀率，不同时检查选择比、横向钻蚀、均匀性和基底损伤
- 把RIE理解成离子单独直接刻掉材料，忽略离子与表面化学的协同
- 认为更高偏压总能改善垂直度，忽略掩模消耗、充电、缺陷和侧壁散射
- 把ALE等同于绝对单原子、零损伤刻蚀，忽略自限制窗口和每周期去除量
工程深入
16 条结论 · 1 道例题材料去除的四个指标
选择比回答目标膜相对掩模或停止层刻得多快
选择比是目标材料刻蚀率与参考材料刻蚀率之比；高选择比允许目标膜适度过刻以覆盖片内不均匀性，同时减少掩模消耗或下层损失，但它不能单独保证垂直轮廓。12
S₁/₂ = R₁ / R₂
- R₁
- 目标材料刻蚀率，单位 nm/min
- R₂
- 掩模或停止层刻蚀率，单位 nm/min
成立条件 必须写明分子和分母对应的材料；选择比随温度、化学配比、离子能量和表面状态变化
例题：动手算一次教学假设，可复算
某刻蚀条件下目标膜速率为120 nm/min、掩模速率为6 nm/min；去除100 nm目标膜并加20%过刻时，选择比和理想掩模损失各是多少？
已知
- Rtarget=120 nm/min
- Rmask=6 nm/min
- 目标膜厚100 nm
- 过刻比例20%
- 两种速率在整个步骤中保持不变
步骤
- Starget/mask=120/6=20，选择比必须明确为目标膜相对掩模
- 等效目标去除量=100×(1+20%)=120 nm，过刻把名义处理时间延长到完整清除时间的1.2倍
- t=120/120=1.00 min；Δhmask=6×1.00=6.0 nm，用目标速率求时间，再估算掩模消耗
较高选择比为过刻留出掩模厚度余量，但最终掩模预算仍取决于所需处理时间。
不能外推到 真实速率会随加载、温度、图形密度、终点和表面状态变化；选择比也不代表轮廓、均匀性或停止层一定合格。
湿法化学与晶向
等离子体、鞘层与通量
化学—物理协同与侧壁保护
轮廓异常、ARDE与ALE
ARDE来自深结构中反应物和离子通量随几何收窄
深宽比升高后，掩模边缘和侧壁会遮挡、吸附或散射进入结构的中性粒子与离子，底部获得的有效通量下降，因而窄深结构通常比宽浅结构刻得慢；保护层沉积占优时也可能出现反向ARDE。1
成立条件 ARDE不是单一常数，还随开口、深度、表面黏附、充电和保护层变化；不同图形密度造成的微负载效应还会叠加晶圆尺度供气与耗尽
弓形和微沟槽反映离子角度分布与侧壁散射失控
鞘层碰撞使离子角度变宽时，侧壁会受到额外轰击并产生弓形；离子在侧壁低角度散射后集中到沟槽底角，则会形成局部过刻的微沟槽。降低压力、调整偏压或增强侧壁保护可能改善一项，却同时改变化学、速率和损伤。1
成立条件 异常形貌需要结合截面位置和图形密度诊断；不能用单一的『提高偏压』规则覆盖所有材料与设备
ALE只有在自限制能量窗口内才接近每周期受控去除
移除能量过低时改性层残留，过高时会直接溅射未改性基底并丢失自限制性；实际每周期去除量还受吸附饱和时间、吹扫切换、离子通量、表面粗糙和材料状态限制，因此ALE不等于绝对单原子或零损伤。1
成立条件 每种材料—改性剂—移除方式都需要单独确定窗口；更精细的周期控制通常以切换时间和吞吐量为代价
出处
2 本教材 · 4 处引用- 1
Integrated Circuit Fabrication: Science and Technology
- 第 9 章 9.1–9.7 节，第 412–436 页 支持：刻蚀把掩模中的二维开口转成材料中的三维轮廓；选择比回答目标膜相对掩模或停止层刻得多快；各向异性比较纵向去除与掩模下横向钻蚀；湿法刻蚀是液相输运、表面反应与产物移除的串联过程；高湿法选择比通常伴随掩模下横向钻蚀；晶向选择性湿法刻蚀由不同晶面的表面反应速率差建立；电子碰撞把刻蚀气体变成自由基、离子和激发态粒子；鞘层把等离子体势差转化为近法向离子轰击；高密度等离子体设备用源功率和偏压近似分开控制通量与能量；纯化学刻蚀与纯离子铣削分别牺牲方向性或选择性；离子增强化学刻蚀的速率可以远高于两条单独路径之和；侧壁保护利用离子方向差把化学反应限制在沟槽底部
- 第 9 章 9.8–9.10 节.2，第 437–450 页 支持：ARDE来自深结构中反应物和离子通量随几何收窄；弓形和微沟槽反映离子角度分布与侧壁散射失控；ALE用表面改性和改性层移除构成一个自限制周期；ALE只有在自限制能量窗口内才接近每周期受控去除
- 2
芯片制造：半导体工艺与设备
- 第 6 章 6.1–6.3.5 支持：刻蚀把掩模中的二维开口转成材料中的三维轮廓；选择比回答目标膜相对掩模或停止层刻得多快；各向异性比较纵向去除与掩模下横向钻蚀；湿法刻蚀是液相输运、表面反应与产物移除的串联过程；高湿法选择比通常伴随掩模下横向钻蚀；晶向选择性湿法刻蚀由不同晶面的表面反应速率差建立；纯化学刻蚀与纯离子铣削分别牺牲方向性或选择性；离子增强化学刻蚀的速率可以远高于两条单独路径之和；侧壁保护利用离子方向差把化学反应限制在沟槽底部
- 第 6 章 6.4.1–6.4.6 支持：电子碰撞把刻蚀气体变成自由基、离子和激发态粒子；鞘层把等离子体势差转化为近法向离子轰击；高密度等离子体设备用源功率和偏压近似分开控制通量与能量