如果把芯片制造比作一件藝術品的“微雕”，刻蝕就是手握精細刻刀的“雕刻大師”——它將光刻轉移的圖案精準“雕刻”在硅片上，最終形成溝槽、成千上萬以上的晶體管等微觀器件結構。沒有刻蝕，再簡單的電路設計也無法實現，堪稱半導體制程的“最重要的一筆”。
刻蝕的核心是通過化學或物理方法，按照預設圖案精準去除材料表面不需要的部分，最終在材料上 “雕” 出目標微觀結構，這就好比是雕刻大師按設計雕琢精美的作品一樣。
只不過雕刻大師的目標是完美的藝術作品，刻蝕的目標則是在微觀世界制造產品功能。
一、工藝定位：芯片制造的“關鍵減法”
在芯片制造全流程中，刻蝕處于光刻之后、薄膜沉積之間，是“圖形化工藝”的核心環節。隨著制程從14nm邁向3nm、2nm，刻蝕步驟占比大幅提升，單芯片刻蝕次數從數十次增至數百次，其成本占比也攀升至15%-20%，成為僅次于光刻的第二大支出項。
二、核心原理：“遮罩+去除”的精準操作
刻蝕本質是“選擇性去除”：先在硅片表面覆蓋光刻膠“保護罩”，經光刻曝光后，需要保留的區域被光刻膠覆蓋，未被保護的區域則通過化學或物理方法“剝離”，就像用模板遮住蛋糕花紋后，刮掉多余奶油的過程，最終呈現目標電路圖案。
三、主流分類：干法與濕法的“各顯神通”
1、刻蝕可分為濕法刻蝕和干法刻蝕。
濕法刻蝕各向異性較差，側壁容易產生橫向刻蝕造成刻蝕偏差，通常用于工藝尺寸較大的應用，或用于干法刻蝕后清洗殘留物等。干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術，占比超90%，其中以等離子體干法刻蝕為主導。
2、濕法刻蝕
用氫氟酸等化學溶液浸泡硅片，溶解未被保護區域。優點是成本低、操作簡單；但精度較差，易出現“過刻蝕”，目前多用于28nm以上成熟制程或非關鍵層加工。
3、干法刻蝕
以等離子體為“刻蝕劑”，通過離子轟擊+化學反應雙重作用去除材料。優點是精度高（線寬誤差可小于1nm）、邊緣整齊，是7nm以下先進制程的“主力軍”；缺點是設備復雜、成本較高。等離子體刻蝕設備是除光刻機以外最關鍵的微觀加工設備，是制程步驟最多、工藝過程開發難度最高的設備。
4、干法刻蝕可分為電容性等離子體刻蝕(CCP)和電感性等離子體刻蝕(ICP)兩大類。
CCP受益3D發展趨勢，制程微縮推動ICP需求增長。
? CCP蝕刻原理：通過對相互平行放置的電極施加射頻功率產生的高頻電磁場激發產生等離子體。這種等離子體密度低，可調節性較差，但能量高。適用于蝕刻硬介電材料，如氧化物和氮氧化物，以及硬掩模。
? ICP蝕刻原理：通過電感應線圈產生的感應磁場產生等離子體，由于能量傳遞機制類似于兩個電感線圈相互耦合形成的變壓器，有時ICP又被稱為變壓器耦合等離子體(TCP)。這種等離子體密度高、能量低，但具有可相對獨立控制等離子體密度和離子能量的優點。適用于蝕刻單晶硅、多晶硅、金屬和其他硬度低或相對薄的材料，也適用于挖掘淺槽。
5、根據被刻蝕材料的不同，干法刻蝕可分為介質刻蝕、硅刻蝕和金屬刻蝕三大類。介嶚質刻蝕和硅刻蝕為主，金屬刻蝕占比僅3%。
6、干法刻蝕常見問題
包括負載效應、微溝槽效應和充電效應等。負載效應是刻蝕中最常見的問題之一，是指在刻蝕過程中由于反應等離子體不足而引起的刻蝕速率降低或刻蝕不均勻的效應。
四、3D NAND刻蝕工藝
1、3D NAND制作簡要流程一覽
2、3D NAND刻蝕工藝及其難點
不同于2D NAND，3D NAND的制造工藝難點從光刻技術轉向沉積和刻蝕技術。
臺階刻蝕難點在于臺階尺寸的可重復性以及高選擇比的側向修整工藝(Trim)。狹縫刻蝕、溝道孔洞刻蝕和接觸孔刻蝕均要求設備具有高深寬比(High Aspect Ratio，HAR)刻蝕能力。
刻蝕的難度受孔間距和模具總高度兩方面決定，前者與橫向縮放即制程有關，后者與堆疊層數有關。三星表示刻蝕難度與模具高度平方成正比，與通道口間距立方成反比。Lam Research數據顯示，96層3D NAND晶圓的刻蝕深寬比高達70:1，且每塊晶圓中約有一萬億個細小通孔，這些孔道必須互相平行規整。
3、CMOS結構涉及刻蝕工藝
CMOS結構涉及的刻蝕工藝主要為淺層溝道隔離刻蝕、柵極刻蝕、補償側墻刻蝕、鎢接觸孔刻蝕、銅通孔(Via)刻蝕和介質溝槽(Trench)刻蝕。
淺層溝道隔離刻蝕、柵極刻蝕和鎢接觸孔刻蝕三類工藝對均勻性要求高，因此靜電吸盤需要具備多動態控溫功能，同時設備還需配置多區氣體分配系統。
五、DRAM刻蝕工藝
DRAM刻蝕工藝按刻蝕材料可分為導體刻蝕和介質刻蝕BEOL的MCNia/Trench/PAD、MEOL的CC/PC和Cell的Cap及其介質掩膜版(Mask Open)均屬于介質刻蝕工藝，常采用電容耦合等離子體(CCP)刻蝕設備。
六、設備與市場：全球競爭的“硬核戰場”
刻蝕機是工藝核心設備，需滿足高選擇性（只刻目標材料）、高均勻性（整片硅片效果一致）、高保真度（圖案與設計圖吻合）三大要求。
全球市場呈現“三足鼎立”格局：應用材料（美國）、東京電子（日本）、泛林半導體（美國）占據超90%份額，技術壁壘極高。
北方華創布局刻蝕/薄膜沉積/清洗/熱處理四大應用領域，打造半導體設備平臺型企業。現已形成對刻蝕工藝的全覆蓋，2023年公司刻蝕設備收入近60億元。TSV刻蝕設備已廣泛應用于國內主流Fab 廠和先進封裝廠，是國內TSV量產線的主力機臺，市占率領先。
中微公司從事高端半導體設備及泛半導體設備的研發、生產和銷售，布局刻蝕設備、MOCVD設備、薄膜沉積設備及其他設備四大系列產品。公司刻蝕設備分為CCP和ICP兩大類，可涵蓋國內近95%的刻蝕應用需求。
2021年全球刻蝕設備競爭格局(%)
五、關鍵參數：決定精度的“三大標尺”
刻蝕工藝參數包括不完全刻蝕、過刻蝕、刻蝕速率、鉆蝕、選擇比、均勻性、線寬粗糙度、縱橫比及側邊的各向異性/各向同性刻蝕等。
其中決定精度的三大標尺：
1.刻蝕速率：單位時間去除材料厚度，需在效率與精度間平衡；
2.刻蝕選擇比：目標材料與其他材料的刻蝕速率比，比值越高越精準；
3.線寬粗糙度：圖案邊緣光滑度，粗糙度越低，芯片性能越穩定。
當前，“多重圖形刻蝕”技術正成為先進制程突破關鍵，通過多次刻蝕疊加實現更小線寬，刻蝕工藝的重要性還將持續提升。 |
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