干法刻蝕與濕法刻蝕
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日期：2022/12/24 16:47:04
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在半導(dǎo)體制造中，對(duì)基板或基板上形成的薄膜進(jìn)行加工的工序被稱為刻蝕。因特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出的“晶體管數(shù)量的集成密度每1.5~2年就會(huì)翻倍”的預(yù)測(cè)（俗稱摩爾定律），刻蝕技術(shù)的進(jìn)步對(duì)摩爾定律的實(shí)現(xiàn)起著重要作用。
刻蝕不同于鍍膜這種“加法”加工，而是“減法”加工。其加工方法大致可分為兩種:濕法刻蝕和干法刻蝕。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，濕法就是靠溶解來(lái)加工，干法則是靠挖掘來(lái)加工。 接下來(lái)我們來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明一下濕法刻蝕與干法刻蝕各自的技術(shù)特點(diǎn)與差異，以及各自所適合的用途。
刻蝕工藝的概述
刻蝕技術(shù)的誕生源自于15世紀(jì)中葉的歐洲。當(dāng)時(shí)，人們將酸倒入刻有花紋的銅板上，讓其沿著紋路腐蝕銅來(lái)制作凹版。這種利用腐蝕原理來(lái)進(jìn)行表面加工的技術(shù)被統(tǒng)稱為“etching刻蝕”。
半導(dǎo)體制造工序中的刻蝕，是為了在基板或基板上的薄膜刻成圖紙規(guī)定的紋路。鍍膜工藝和光刻工藝，再加上刻蝕工藝，多次重復(fù)就可將平面加工成立體式的結(jié)構(gòu)。
濕法刻蝕與干法刻蝕的不同
濕法刻蝕，是用溶液腐蝕表面來(lái)進(jìn)行刻蝕。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是加工成本低廉、速度快，缺點(diǎn)就是加工精度略低。于是1970年前后便催生出了干法刻蝕。干法刻蝕不使用溶液，而是通過(guò)氣體沖擊基板表面來(lái)進(jìn)行刻蝕，特點(diǎn)就是加工精度高。
等向性與異向性
所謂等向性，就是物質(zhì)或空間的物理性質(zhì)各個(gè)方向相同，異向性就是物質(zhì)或空間的物理性質(zhì)因方向而不同。
刻蝕手法中，“以某個(gè)點(diǎn)為中心進(jìn)行同等程度的刻蝕”就是等向性刻蝕，“以某個(gè)點(diǎn)為中心，根據(jù)不同方向進(jìn)行不同程度的刻蝕”則是異向性刻蝕。比如半導(dǎo)體工序的刻蝕中，為了朝指定方向刻蝕同時(shí)保留其他方向的部分，多采用異向性刻蝕。
(等向性刻蝕與異向性刻蝕示意圖)
使用藥液的濕法刻蝕
濕法刻蝕利用的是藥液與基板的化學(xué)反應(yīng)。這種方法雖說(shuō)也不是不能進(jìn)行異向性刻蝕，但與等向性刻蝕相比其難度要高出一個(gè)水平。除了對(duì)溶液和材料的組合搭配有諸多限制，基板溫度、溶液濃度、添加物的多少等條件也需要嚴(yán)格控制。 無(wú)論將條件控制得有多細(xì)微，濕法刻蝕也很進(jìn)行1μm以下的細(xì)微加工。原因之一就是必須要對(duì)側(cè)面刻蝕進(jìn)行把控。 濕法刻蝕時(shí)，即便只希望溶解材料的垂直方向（深度方向），也很難避免溶液碰到側(cè)面，結(jié)果就是材料的各個(gè)方向都開始溶解。由于會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，濕法刻蝕中有幾率會(huì)出現(xiàn)比預(yù)期寬度更小的部位，這樣一來(lái)，就很難去加工那些需要精密控制電流的產(chǎn)品了。
(濕法刻蝕中可能出現(xiàn)的失敗情況)
干法刻蝕適用于精細(xì)加工的原因
在半導(dǎo)體制造這種高精度加工中，適合異向性刻蝕的干法刻蝕得到了應(yīng)用。這里的干法刻蝕多指反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，廣義上等離子刻蝕和濺射刻蝕也算在干法刻蝕里，不過(guò)本文中主要以RIE為主來(lái)說(shuō)明。
那么，為什么干法刻蝕就可以較容易地做到異向性刻蝕呢？為了解釋這一點(diǎn)，我們來(lái)具體看一下RIE的過(guò)程吧。利用干法刻蝕來(lái)腐蝕基板的過(guò)程，可以簡(jiǎn)單地分為“化學(xué)刻蝕”和“物理刻蝕”。 化學(xué)刻蝕分3個(gè)步驟進(jìn)行。首先，反應(yīng)氣體吸附于表面。接著，反應(yīng)氣體與基板材料形成反應(yīng)生成物，最后，反應(yīng)生成物脫離。 接下來(lái)物理刻蝕是對(duì)著基板吹垂直方向的氬氣，以此來(lái)進(jìn)行垂直向下的刻蝕。 化學(xué)刻蝕是等向性發(fā)生的，而物理刻蝕則可以通過(guò)控制氣體的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)異向性。正因?yàn)檫@種物理刻蝕，干法刻蝕才會(huì)比濕法刻蝕更能把控方向性。 干法刻蝕也跟濕法刻蝕同樣要求嚴(yán)密的條件，不過(guò)比起濕法刻蝕更易管理。因此，工業(yè)生產(chǎn)中干法刻蝕無(wú)疑更加有利。
至今仍需要濕法刻蝕的原因
既然干法刻蝕看起來(lái)如此萬(wàn)能，為什么當(dāng)今世上依舊存在著濕法刻蝕呢？其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，就是因?yàn)闈穹涛g生產(chǎn)起來(lái)成本更低。
干法刻蝕與濕法刻蝕最大的不同就是成本。濕法刻蝕使用的藥液價(jià)格并沒(méi)有那么高昂，設(shè)備本身的價(jià)格也比干法刻蝕設(shè)備便宜很多。另外，濕法的加工所需時(shí)間短，可以同時(shí)處理多個(gè)基板，所以生產(chǎn)成本也可以控制的比較低。其結(jié)果就是，產(chǎn)品成本更低，和其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比就有了優(yōu)勢(shì)。如果不追求很高的加工精度的話，很多量產(chǎn)型企業(yè)多選擇濕法刻蝕。
根據(jù)成本與精度來(lái)區(qū)分使用的兩種刻蝕工藝
雖然濕法刻蝕與干法刻蝕有很大區(qū)別,但是也并不能說(shuō)誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣，根據(jù)對(duì)成本、精密度的重視程度不同選擇不同的生產(chǎn)工藝才是最理想的方法。
