智芯文库 | 5分钟看懂刻蚀工艺：干法刻蚀、湿法刻蚀、刻蚀设备国产化进程......

网上刷到一张图↓ 师傅正在雕刻一块石头，那么雕刻这个过程类比芯片，会属于哪个工艺流程呢？

👏 业界有个简单的比喻：如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的基础材料。光刻的精度直接决定了电路的走向和尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工。所以师傅用刀刻掉不用的部分，雕成想要的图形，最像芯片工艺流程中的刻蚀，今天主要为大家分享刻蚀工艺。

🔨芯片加工工艺

芯片制造分为前道工艺设备（晶圆制造）、后道工艺设备（封装与检测）等，前道的晶圆加工工艺包括氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等。

这些工艺并不是单一顺序执行，而是在制造每一个元件时选择性地重复进行。一个完整的晶圆加工过程中，一些工序可能执行几百次，整个流程可能需要上千个步骤，通常耗时六到八个星期。

后道工艺比较好理解，主要包括封装和测试，其中封装设备包括划片机、装片机、键合机等，测试设备包括中测机、终测机、分选机等。划片机将整个晶圆切割成单独的芯片颗粒，装片机和键合机等完成芯片的封装，测试设备则负责各个阶段的性能测试和良品筛选。

🔨刻蚀的定义与分类 

如果说光刻是将图形转移到覆盖在半导体硅片表面的光刻胶上的过程。那么将图形再转移到光刻胶下面组成器件的各薄层上，我们称之为刻蚀，即选择性地刻蚀掉该薄层上未被掩蔽地部分。

刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀， 关于具体定义及原理如下：

目前干法刻蚀市场占比90%，湿法刻蚀占比10%，湿法刻蚀一般适用于尺寸较大的情况下（大于3微米）以及用来腐蚀硅片上某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物。其余，生产中大部分采用干法刻蚀。

干法刻蚀与湿法腐蚀工艺利用药液处理的原理不同，干法刻蚀在刻蚀表面材料时，既存在化学反应又存在物理反应。因此在刻蚀特性上既表现出化学的等方性，又表现出物理的异方性。所谓等方性，是指纵横两个方向上均存在刻蚀。而异方性，则指单一纵向上的刻蚀。 

干法刻蚀用于高精度的图形转移。目前我国刻蚀工艺以及刻蚀设备相对于光刻而言，已经能够达到世界较为前列的水平。能够达到较高的刻蚀选择性、更好的尺寸控制、低面比例依赖刻蚀和更低的等离子体损伤。

刻蚀也可以分成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形刻蚀采用掩蔽层（有图形的光刻胶）来定义要刻蚀掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉。有图形刻蚀可用来在硅片上制作多种不同的特征图形，包括栅、金属互连线、通孔、接触孔和沟槽。无图形刻蚀、反刻或剥离是在整个硅片没有掩模的情况下进行的，这种刻蚀工艺用于剥离掩模层（如STI氮化硅剥离和用于制备晶体管注入侧墙的硅化物工艺后钛的剥离）。

干法刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分类。按材料来分，刻蚀主要分成三种：金属刻蚀、介质刻蚀、和硅刻蚀。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅。接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质，从而在ILD中刻蚀出窗口，而具有高深宽比（窗口的深与宽的比值）的窗口刻蚀具有一定的挑战性。硅刻蚀（包括多晶硅）应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容。金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。

🔨刻蚀设备分类

目前主流所用的是干法刻蚀工艺，利用干法刻蚀工艺的叫等离子体刻蚀机。也分为三大类，分别是介质刻蚀机、硅刻蚀机、金属刻蚀机，这主要是因为电容性等离子体刻蚀设备在以等离子体在较硬的介质材料（氧化物、氮化物等硬度髙、需要髙能量离子反应刻蚀的介质材料；有机掩模材料）上，刻蚀通孔、沟槽等微观结构；电感性等离子体刻蚀设备主要以等离子体在较软和较薄的材料（单晶硅、多晶硅等材料）上，刻蚀通孔、沟槽等微观结构。

其中CCP属于中密度等离子体，ICP则属于高密度等离子体。CCP技术的发明早于ICP，但由于其特点的不同，两类技术并非相互取代，而是相互补充的关系。CCP的等离子密度虽然较低，但能量较高，适合刻蚀氧化物、氮氧化物等较硬的介质材料；ICP的等离子密度高，能量低，可以独立控制离子密度和能量，有更灵活的调控手段，适合刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄的材料。

电子回旋加速振荡等离子体刻蚀设备主要应用于金属互连线、通孔、接触金属等环节。金属互连线通常采用铝合金，对铝的刻蚀采用氯基气体和部分聚合物。钨在多层金属结构中常用作通孔的填充物，通常采用氟基或氯基气体。

刻蚀通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。从难度上讲，硅刻蚀最难，其次介质刻蚀，最简单的是金属刻蚀。

🔨刻蚀设备国产化进程

刻蚀机方面，Lam Research、TEL、应用材料都实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖，占据了全球干法刻蚀机市场80%以上的份额。

在中国市场，介质刻蚀机是我国最具优势的半导体设备，目前，我国主流设备中，去胶设备、刻蚀设备、热处理设备、清洗设备等的国产化率均已经达到20%以上。而这其中市场规模最大的就是刻蚀设备，代表厂商为中微公司、北方华创，以及屹唐半导体。

中微半导体在介质刻蚀领域较强，其产品已在包括台积电，SK海力士、中芯国际等厂商的20多条生产线上实现了量产。该公司5nm等离子体蚀刻机已通过台积电验证，已用于全球首条5nm工艺生产线。中微半导体还切入了TSV硅通孔刻蚀和金属硬掩膜刻蚀领域。

北方华创在硅刻蚀和金属刻蚀领域较强，其55nm/65nm硅刻蚀机已成为中芯国际主力设备，该公司的28nm硅刻蚀机也已进入产业化阶段，14nm硅刻蚀机正在产线验证中，金属硬掩膜刻蚀机则攻破了28nm-14nm制程。

同行业技术比较

中微公司在研项目

北方华创刻蚀机产品

总而言之，在半导体设备领域，刻蚀机的国产化进程还是比较快的，但是，7nm刻蚀机的成功并不意味着国产7nm芯片可实现全面量产。因为刻蚀的前一道工序——光刻，其国产设备目前还处于卡脖子状态。因此，想要打造一个全制程国产化的 “中国芯”，各个工艺生产设备的齐头并进尤为重要。

参考来源：

1. 刻蚀机揭秘...，电子报

2. 国产刻蚀设备后发赶超，这些厂商功不可没！国际电子商情

3. 刻蚀的概念，功率半导体那些事儿

4. 中银证券

| 来源：旺材芯片

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