华兆科技丨刻蚀技术（ETCH）原理及设备

刻蚀是连接“电路设计"与“物理芯片"的桥梁，是芯片制造中关键核心步骤。其主要目的和作用如下：

（1）图案转移

将光刻后形成的光刻胶图案，精准 “复刻" 到硅片、金属等基底材料上，形成器件的核心结构（如芯片的晶体管、导线凹槽）。

（2）材料加工

精准去除多余材料，实现材料的薄化、开孔、开槽等，满足器件的尺寸和性能要求。

（3）器件制造

不同功能的微纳器件（如芯片、传感器、LED），其内部的多层复杂结构，都需要通过多次刻蚀步骤逐步构建。

刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质:使用特定的化学溶液进行化学反应来去除氧化膜的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

一、干法刻蚀（Dry Etching)

干法蚀刻是一种关键的材料去除技术，利用等离子体，一种高度反应和充满能量的气体，从基板上选择性地去除材料。等离子体的生成通过对低压气体施加电场，促使气体分子电离，并产生离子、电子和中性物质的混合体。这些反应性实体然后与基板表面反应，通过化学和物理溅射的协同作用进行材料去除。

（1）离子束溅射技术（Ion Beam Etching，IBE）

原理：通过离子源产生高能离子束（如 Ar⁺），经加速后物理轰击材料表面，使材料原子溅射脱离实现刻蚀，几乎无化学反应。

特点：刻蚀精度优异（纳米级）、均匀性好，但刻蚀速率慢、成本高。

应用：高精度光学器件（如光栅）、半导体器件的精细修整刻蚀。

（2）等离子体刻蚀（Plasma Etching，PE)

原理：通过射频电源激发惰性气体或反应气体产生等离子体，利用等离子体中的活性粒子与材料表面发生化学反应，生成易挥发物质实现刻蚀。

特点：刻蚀速率较快，成本适中，但各向异性一般，适合对垂直度要求不高的薄膜刻蚀。

应用：半导体芯片的介质层刻蚀（如 SiO₂）、金属薄膜初步刻蚀。

（3）反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）

原理：结合 “化学刻蚀"（等离子体活性粒子反应）和 “物理轰击"（离子加速撞击表面），兼顾选择性和各向异性。

特点：刻蚀图形垂直度高、侧向腐蚀极小，是目前业内应用普遍的干法刻蚀技术。

应用：大规模集成电路（IC）的精细图形刻蚀（如 polysilicon 栅极刻蚀、接触孔刻蚀）。

二、湿法刻蚀(Wet Etching)

湿法刻蚀通过将工件浸入化学刻蚀液，利用化学反应溶解待刻蚀材料，核心优势是操作简单、成本低、刻蚀速率快。

按刻蚀材料分类的常见类型

硅基材料刻蚀：使用 HF-HNO₃-H₂O 混合液，适用于单晶硅、多晶硅的刻蚀。

介质层刻蚀：使用 HF 溶液，主要刻蚀 SiO₂、Si₃N₄等介质薄膜。

金属材料刻蚀：使用酸性或碱性溶液（如 Cu 用 FeCl₃溶液，Al 用磷酸混合液），刻蚀金属电极或布线。

核心特点与应用

特点：属于各向同性刻蚀，易产生侧向腐蚀，刻蚀精度较低（微米级）。

应用：半导体器件的初步刻蚀（如晶圆背面减薄）、低端电子器件（如普通二极管）、非精密结构的刻蚀。

干法刻蚀设备是一个高度集成的、精密的真空系统。

（1）真空反应腔

• 核心部件。由金属（如铝、不锈钢）制成，内部有静电吸盘 用于固定和温控单片晶圆。

• 腔体需要良好的真空密封性和冷却系统。

（2）真空系统

• 包括粗抽泵和高真空泵，用于将反应腔抽至并维持在高真空状态。

（3）气体输送系统

• 由气瓶、质量流量控制器、精密阀门和喷淋头组成。

• 质量流量控制器是核心，用于精确控制多种反应气体的比例和流量。

（4）射频电源与等离子体源

• 能量来源。射频电源 提供能量，通过电容耦合或电感耦合的方式在腔体内激发和维持等离子体。

• 匹配器用于保护电源，确保能量高效耦合到等离子体中。

（5）终点检测系统

• 精密工艺的关键。通过光学发射光谱等传感器，实时监测腔体内化学物质的光谱信号变化，精确判断刻蚀何时结束。

（6）尾气处理系统

• 处理反应后产生的有毒、可燃性尾气，通常采用燃烧、洗涤或吸附等方式。

二、湿法刻蚀设备的主要构成

湿法刻蚀设备通常是一个由多个槽体组成的流水线系统，用于完成“刻蚀-冲洗-干燥"的全流程。

（1）刻蚀槽

• 核心部件。通常由高纯度、耐腐蚀的材料制成，如聚丙烯、PTFE 等。

• 内置加热器和温度传感器，用于精确控制药液温度，保证刻蚀速率的一致性。

• 可能带有循环过滤系统和鼓泡/搅拌系统，使药液浓度和温度均匀。

（2）冲洗槽

• 关键的后续单元。通常使用超纯水，以去除残留在晶圆表面的化学药液，停止刻蚀反应。

• 可能有多个冲洗槽，采用溢流或快速排水的方式，确保冲洗干净。

（3）干燥槽

• 冲洗后，晶圆表面沾有水分，需要通过干燥去除。

• 常用方法是旋转干燥机，通过高速旋转利用离心力甩干水分，或者使用异丙醇蒸汽干燥。

（4）化学药液供应与管理系统

• 包括储液罐、泵、管道和阀门，负责向刻蚀槽补充或更换新鲜药液。

• 可能配备浓度监控系统，自动调整药液配比。

（5）机械传输系统

• 通常是自动机械臂，将承载有多片晶圆的花篮 按顺序在不同槽体之间转移。

• 批次处理是湿法刻蚀的特点，一次处理一整篮晶圆（如25片），吞吐量高。

（6）废液处理系统

• 极其重要的环保和安全组成部分。需要收集和处理大量高腐蚀性、有毒的废酸、废碱。

作为芯片制造的核心装备之一，刻蚀设备正随着半导体技术向更小节点、更复杂架构的发展而步入一个充满挑战与机遇的关键阶段。

核心挑战

（1）精度极限

芯片进入纳米尺度后，在原子级进行“雕刻"极其困难，容易产生缺陷。应对3D NAND和GAA晶体管等复杂三维结构，对刻蚀的均匀性和形状控制能力提出严苛要求。

（2）污染与材料

刻蚀过程本身会产生污染颗粒，迫切需要更耐用的反应腔室内壁涂层材料（如氧化钇）来保证芯片良率。

（3）成本与壁垒

设备极其昂贵，研发和技术壁垒高，市场由少数国际优质企业主导。

未来前景

（1）更精密的工艺

原子层刻蚀（ALE） 技术将成为突破更*进制程的关键，能实现近乎原子的精度控制。

（2）更智能的制造

人工智能（AI） 将被用于实时优化刻蚀工艺参数，显著提升生产效率和良率。

（3）更广阔的应用

*进封装（如Chiplet、3D IC）成为新的增长点，这些技术需要大量的、高选择性的刻蚀工艺。

（4）国产化机遇

在市场需求增长和供应链自主可控的趋势下，国内刻蚀设备厂商迎来重要发展窗口。

总结来说，刻蚀设备正向着更精密、更智能、更通用的方向演进，尽管面临优良技术的极限挑战，但在强大的市场创新驱动下，前景依然广阔。

国际厂商

（1）泛林集团（Lam Research）

全球 3D NAND 刻蚀技术范本，凭借 Cryo™ 3.0 低温等离子体技术实现 1000 层堆叠工艺突破，刻蚀轮廓偏差 < 0.1%，支撑 AI 时代超大规模存储需求。

（2）东京电子（Tokyo Electron）

介质刻蚀领域优质厂商，Tactras™系列设备在 3D NAND STI 刻蚀中深宽比 > 50:1，侧壁粗糙度 < 1nm，设备平均稳定运行时间（MTBF）超 500 小时，可靠性表现优异。

（3）应用材料（Applied Materials）

导体刻蚀全场景解决方案供应商，Centura Etch 系列支持 MEMS 深硅刻蚀（深宽比 > 100:1）和第三代半导体（SiC、GaN）刻蚀，刻蚀速率达 5μm/min，损伤层厚度 < 10nm。

国产厂商

（1）中微公司（AMEC）

全球成功实现 5nm 刻蚀设备量产的中国企业，Primo nanova® ICP 刻蚀机在 3D NAND 通道孔刻蚀中深宽比达 60:1，已进入台积电、三星、长江存储等头部晶圆厂供应链。

（2）北方华创

国内全产业链设备龙头，14nm CCP 刻蚀机量产，5nm 设备进入中芯国际验证阶段，覆盖硅、金属、介质全材料刻蚀，2025 年上半年订单同比增长 60%。

（3）盛美上海

*进封装湿法刻蚀技术探索者，Ultra C bev-p 设备支持 600mm×600mm 面板边缘刻蚀，精度 ±0.2mm，正常运行时间达 95%，适配 HBM 和 Chiplet 集成。

刻蚀技术作为半导体制造的核心环节，随着芯片结构从二维走向三维，其重要性愈发凸显。从微米级到纳米级，再到原子级尺度，刻蚀技术的每一次进步都推动着整个电子信息产业向前发展。在未来更小特征尺寸和更复杂三维结构的芯片制造中，刻蚀技术将继续扮演“精密雕刻刀"的关键角色，为人类数字化生活奠定坚实基础。