📍 晶圆位置
- 前一站：光刻，光刻胶上已经有电路图形
- 本章：刻蚀，照着光刻胶的图形把底下的材料挖掉
- 下一站：去除光刻胶、清洗，然后测量
光刻完成后，电路图形只存在于光刻胶上。刻蚀的任务，是把这个图形「转印」到底下的材料：被光刻胶盖住的地方受到保护，没有被盖住的地方就被去除。
可以想像在玻璃上贴一张镂空的贴纸，再用喷砂把没有被贴住的地方磨掉。撕掉贴纸后，图案就留在玻璃上了。光刻胶就是那张贴纸。
湿法刻蚀是把晶圆泡在化学溶液中，让溶液溶掉材料，例如用氢氟酸溶掉氧化硅。湿法刻蚀往各个方向的速度都差不多，会从侧面往光刻胶底下「吃」进去，所以不适合做很细的图形，通常用在去除整层材料或清洗。
干法刻蚀则是用等离子体来刻蚀。带电的离子被电场加速，几乎垂直地撞向晶圆，所以主要往下挖，可以做出笔直的侧壁。现代芯片的细微图形，几乎都靠干法刻蚀完成。
Note
📖 名词｜各向同性与各向异性（Isotropic / Anisotropic）
- 定义：各向同性刻蚀往各方向的速度相同；各向异性刻蚀主要往单一方向（通常是往下）进行。
- 现场用法：「这道要各向异性，侧壁要直。」
- 相关名词：干法刻蚀、湿法刻蚀、侧蚀、轮廓
- 常见混淆：干法刻蚀不一定都是各向异性。有些干法刻蚀会刻意调成各向同性，用来从侧面去除材料，结果取决于工艺条件。
等离子体是气体被高能量激发后的状态，里面混合了离子、电子和非常活泼的原子团，常被称为物质的第四态。刻蚀设备在真空腔体中通入特定气体，再用射频电力把它变成等离子体，腔体里会发出微弱的光。
等离子体中的活泼原子团负责和材料发生化学反应，离子则负责提供方向，两者合作，才能又快又准地往下挖。
- 刻蚀速率：每分钟可以挖多深。
- 均匀度：晶圆上不同位置挖得是否一样。
- 选择比：要挖的材料和不想挖的材料，刻蚀速度差多少。
- 轮廓：侧壁是不是笔直，有没有往内缩或往外凸。
- CD 变化：刻蚀后的线宽和光刻后相比，变了多少。
Note
📖 名词｜选择比（Selectivity）
- 定义：目标材料的刻蚀速度，和其他材料刻蚀速度的比值。选择比越高，越能只挖想挖的材料。
- 现场用法：「这道对氮化硅的选择比不够，停止层被吃穿了。」
- 相关名词：刻蚀停止层、过度刻蚀、光刻胶消耗
- 常见混淆：讲选择比时一定要说清楚是「对什么材料」。对光刻胶的选择比和对下层材料的选择比，是两个不同的数字。
刻蚀挖穿目标材料、碰到下一层时，等离子体中的化学成分会改变，发出的光的颜色和强度也跟着改变。设备持续监测这个光，就能判断什么时候挖到底了，这叫做终点检测（Endpoint Detection）。
到达终点后，通常还会再多刻蚀一点点，确保整片晶圆上的材料都清干净，这叫过度刻蚀（Over Etch）。挖不够会留下残留，挖太多则会伤到下层。
刻蚀完成后，先用氧等离子体把光刻胶烧掉，称为去光刻胶（Ashing 或 Strip），再经过清洗，接着测量线宽和缺陷，这个检查称为 AEI（After Etch Inspection）。
和光刻不同，刻蚀做坏了通常无法重来，因为材料已经被挖掉了。
存储器等产品需要挖出非常深又非常窄的孔，深度可以是宽度的数十倍。孔越深，离子越难抵达底部，刻蚀速度会变慢，孔也可能变弯、扭曲，或是中段被挖得比较宽。这是目前最困难的工艺之一，见第 13 章。
Tip
🔧 Know-how｜清洁完的腔体要先「养」一下
- 情境：刻蚀腔体刚做完保养，内壁被清洁得干干净净。
- 做法：先跑一些挡片，让腔体内壁盖上一层稳定的沉积物，再开始跑产品。这个步骤现场叫 Seasoning。
- 为什么：等离子体会和腔体内壁互相作用。内壁的状态不同，等离子体的成分就不同，刻蚀速率也会跟着变。
- 没做会怎样：保养后的前几批晶圆刻蚀结果偏移，可能造成线宽或深度异常。
- 相关章节：第 1 章 晶圆厂如何运行
Tip
🔧 Know-how｜同一台设备，不同腔体也要比对
- 情境：一台刻蚀机通常有好几个腔体，同一批晶圆会分散到不同腔体处理。
- 做法：工程师会定期比对各腔体的结果，让它们尽量一致，系统也会记录每片晶圆是在哪个腔体做的。
- 为什么：腔体之间的微小差异，会让晶圆之间出现系统性的差异。
- 没做会怎样：同一批晶圆中有几片表现特别差，却查不出原因。有腔体记录，才能找出「问题都出在同一个腔体」。
- 相关章节：第 16 章 良率与失效分析
| 异常 | 可能原因 | 结果 |
|---|---|---|
| 刻蚀不足 | 时间或功率不足、终点判断错误 | 残留材料，造成断路 |
| 过度刻蚀 | 选择比不足、时间太长 | 伤到下层材料 |
| CD 偏移 | 侧壁轮廓改变、光刻胶消耗太多 | 线宽不合格 |
| 微粒 | 腔体内壁的沉积物剥落 | 缺陷、短路 |
| 负载效应 | 图形密的地方和疏的地方刻蚀速度不同 | 同一颗裸片内深度不一致 |
- 刻蚀把光刻胶上的图形转印到底下的材料上。
- 湿法刻蚀是各向同性的，干法刻蚀用等离子体可以做到各向异性，现代细微图形主要靠干法刻蚀。
- 选择比决定能不能「只挖想挖的材料」。
- 终点检测通过等离子体发出的光，判断什么时候该停。
- 刻蚀做坏通常无法重来，所以腔体状态的管理特别重要。
- Peter Van Zant，《Microchip Fabrication》，刻蚀相关章节
- James D. Plummer、Michael D. Deal、Peter B. Griffin，《Silicon VLSI Technology》，刻蚀章节