写在前面
光刻在胶上定义图形，刻蚀负责把图形转移到下层材料。先进刻蚀面对的不只是“去掉多少”，还要决定去除方向、材料选择性、侧壁形貌、片内均匀性和表面损伤。
一、湿法与干法刻蚀
1.1 湿法刻蚀
晶圆浸入或接触化学溶液，材料通过化学反应溶解。优点是设备相对简单、吞吐量高、某些材料选择性好；缺点是常呈各向同性，容易在掩模下方产生横向钻蚀。
晶向相关湿法刻蚀也可表现出方向性，因为不同晶面的反应速率不同。不能简单把“湿法”与“各向同性”完全等同。
1.2 干法刻蚀
干法刻蚀通常在低压腔体中产生等离子体：
- 活性自由基与材料发生化学反应；
- 带电离子受鞘层电场加速，提供方向性轰击；
- 挥发性反应产物被真空系统排出。
RIE 等工艺通过化学反应与物理轰击组合，实现微细图形的垂直转移。
二、刻蚀的五个核心指标
| 指标 | 含义 |
|---|---|
| Etch Rate | 目标材料去除速度 |
| Selectivity | 目标材料相对掩模或停止层的去除比 |
| Anisotropy | 垂直与横向刻蚀的差异 |
| Uniformity | 片内、片间和批间一致性 |
| Profile | 侧壁角、底部、顶部和局部形貌 |
高刻蚀速率不自动等于好工艺。若选择比不足，掩模会提前耗尽；若侧壁保护过强，可能产生残留；若离子能量过高，又可能造成晶格或介质损伤。
三、等离子体设备控制什么
Recipe 常包含气体种类与流量、腔压、源功率、偏置功率、温度和时间。这些输入影响等离子体密度、离子能量、自由基组成和表面反应。
静电吸盘固定晶圆，背面氦气帮助热传导；温度会改变反应和聚合物沉积。腔壁状态也会影响工艺，所以清腔、Seasoning 和耗材寿命是重复性的一部分。
四、终点检测与过刻蚀
只按固定时间刻蚀会受到膜厚和速率变化影响。终点检测可观察等离子体发光、反射或其他信号，判断目标层是否被穿透。
实际工艺常在终点后继续一定比例的 Over-Etch，确保片内较慢区域也清除干净。但过刻蚀过多会侵蚀停止层、扩大 CD 偏差和增加损伤。
五、先进结构的典型难题
- ARDE：高深宽比或小开口结构刻蚀更慢；
- Microloading：局部图形密度影响反应物供给和产物排出；
- Bow / Taper：侧壁弯曲或锥化；
- Notching：界面附近发生横向侵蚀；
- Residue：底部或侧壁残留；
- Roughness：边缘粗糙度被转移或放大；
- Charging Damage：绝缘结构积累电荷导致损伤。
3D NAND 通道孔、FinFET 鳍片和 GAA 选择性释放都要求不同的刻蚀方案，没有一种“最强等离子体”可以通吃。
六、刻蚀后如何判断合格
需要把多个结果结合起来：
- 顶部和底部 CD；
- 深度、侧壁角和轮廓；
- 残膜与停止层损失；
- 片内均匀性；
- 缺陷、残留和颗粒；
- 电学漏电与可靠性。
CD-SEM 提供局部二维尺寸，截面 SEM/TEM 观察结构，散射量测可高速反演三维形貌，残留和成分还可能需要光谱或表面分析。
七、小结
- 湿法刻蚀依靠溶液反应，干法刻蚀利用等离子体化学与离子轰击。
- 速率、选择比、方向性、均匀性和形貌必须共同优化。
- 腔体状态、晶圆温度和终点控制决定量产重复性。
- 高深宽比结构把传质、充电和形貌控制推到新的难度。