什么是湿法蚀刻工艺

小英说半导体

在晶圆制造中，蚀刻是指从晶圆去除材料的过程，即从硅衬底本身或从晶圆上的任何薄膜或材料层去除材料。有两种主要类型的蚀刻：干法蚀刻和湿法蚀刻。湿法蚀刻 是一种蚀刻工艺，它利用液体化学品或蚀刻剂从晶圆上去除材料，通常采用晶圆上的光刻胶掩模定义的特定图案。

未被这些掩模覆盖的材料会被化学物质“蚀刻掉”，而被掩模覆盖的材料几乎完好无损。 这些掩模在称为“光刻”的早期晶圆制造步骤中沉积在晶圆上。

湿法工艺

简单的湿法蚀刻工艺可能只包括将要去除的材料溶解在液体溶剂中，而不改变溶解材料的化学性质。然而，一般而言，湿法蚀刻工艺涉及一种或多种化学反应，这些反应会消耗原始反应物并产生新物质。

基本湿法蚀刻工艺可分为三个基本步骤： 1) 蚀刻剂扩散到表面以进行去除；2）蚀刻剂与被去除材料之间的反应；3) 反应副产物从反应表面扩散。

晶圆厂湿法蚀刻工艺中经常遇到还原-氧化（氧化还原）反应，即首先形成待蚀刻材料的氧化物，然后溶解，导致新氧化物的形成，再次溶解，并且以此类推，直到材料被消耗。

湿蚀刻通常是各向同性的，即它以相同的速率在所有方向上进行。非各向同性的蚀刻工艺称为 “各向异性”。 仅在一个方向（例如，仅垂直）上进行的蚀刻工艺被称为“完全各向异性”。

图 1. 湿 法 蚀 刻

在半导体制造中，蚀刻过程中需要高度的各向异性，因为它会导致更“忠实”的掩模图案复制，因为只有不直接位于掩模下方的材料会受到蚀刻剂的侵蚀。另一方面，各向同性蚀刻剂甚至可以蚀刻掉掩模正下方的材料部分（通常为四分之一圆形状），因为其水平蚀刻速率与其垂直速率相同。

当各向同性蚀刻剂侵蚀掩模下的一部分材料时，蚀刻膜被称为“底切”掩模。 “底切”量 是一种称为“偏差”的蚀刻参数的量度。偏差简单地定义为蚀刻图像和蒙版图像的横向尺寸之间的差异。因此，蚀刻中使用的掩模必须补偿蚀刻剂已知会产生的任何偏差，以便在晶片上创建所需的特征。

湿法蚀刻优缺点

由于湿法蚀刻的各向同性特性，它会导致高偏差值，这对于在具有小于 3 微米的特征的图案图像中使用是不切实际的。因此，特征小于3 微米的晶圆图案不得进行湿法蚀刻，而应采用其他提供更高程度各向异性的蚀刻技术。

任何蚀刻工艺中的另一个重要考虑因素是蚀刻剂的“选择性”。蚀刻剂不仅会侵蚀被去除的材料，还会侵蚀掩模和基板（被蚀刻材料下方的表面）。蚀刻剂的“选择性”是指它能够仅去除用于蚀刻的材料，同时保持掩模和基板材料完好无损。

选择性S测量为不同材料的蚀刻剂的不同蚀刻速率之间的比率。因此，良好的蚀刻剂需要对掩模（Sfm）和衬底（Sfs）都具有高选择性值，即其对被蚀刻薄膜的蚀刻速率必须远高于其对掩模的蚀刻速率和基板。

尽管湿法刻蚀的分辨率有局限性，但由于其以下优点而得到广泛应用：1）成本低；2）可靠性高；3) 高吞吐量；4) 在大多数情况下，对于掩模和基板材料都具有出色的选择性。自动湿法蚀刻系统增加了更多优势：5) 更易于使用；6) 更高的重现性；7) 蚀刻剂的使用效率更高。

当然，与任何工艺一样，湿法蚀刻也有其自身的缺点。其中包括：1) 分辨率有限；2）人员直接接触化学品，安全风险较高；3) 某些情况下蚀刻剂成本高；4）与抗蚀剂失去对基材的附着力有关的问题；5) 与气泡形成有关的问题，这些气泡阻碍了它们存在的蚀刻过程；6) 与蚀刻不完全或不均匀有关的问题。