半导体光刻工艺之刻蚀——湿法腐蚀

在湿法腐蚀的过程中，通过使用特定的熔液与需要腐蚀的薄膜材料进行化学反应，进而除去没有被光刻胶覆盖区域的薄膜。 湿法腐蚀的优点是工艺简单，但是在湿法腐蚀中所进行的化学反应没有特定方向，所以会形成各向同性的腐蚀效果。各向同性是湿法腐蚀固有的特点，也可以说是湿法腐蚀的缺点。湿法腐蚀通常还会使位于光刻胶边缘下边的薄膜也被腐蚀，这也会使腐蚀后的线条宽度难以控制，选择合适的腐蚀速度，可以减小对光刻胶边缘下边薄膜的腐蚀。 在进行湿法腐蚀的过程中，熔液里的反应剂与被腐蚀薄膜的表面分子发生化学反应，生成各种反应产物。这些反应产物应该是气体，或者是能溶于腐蚀液中的物质。这样，这些反应产物就不会再沉积到被腐蚀的薄膜上。控制湿法腐蚀的主要参数包括：腐蚀溶液的浓度、腐蚀的时间、反应温度以及溶液的搅拌方式等。由于湿法腐蚀是通过化学反应实现的，所以腐蚀液的浓度越高，或者反应温度越高，薄膜被腐蚀的速率也就越快。此外，湿法腐蚀跌反应通常会伴有放热和放气。反应放热会造成局部反应温度的升高，使反应速度加快；反应速率加快又会加剧反应放热，使腐蚀反应处于不受控制的恶性循环中，其结果将导致腐蚀的图形不能满足要求。反应放气产生的气泡会隔绝局部的薄膜与腐蚀的接触，造成局部的反应停止，形成局部的缺陷。因此，在湿法腐蚀中需要进行搅拌。此外，适当的搅拌（例如使用超声波震荡），还可以在一定程度上减轻对光刻胶下方薄膜的腐蚀。 目前常用的湿法腐蚀的材料包括：Si，SiO2和Si2N4等，下面我们将对此进行简要讨论。 一、Si的湿法腐蚀 在湿法腐蚀Si的各种方法中，大多数都是采用强氧化剂对Si进行氧化，然后利用HF酸与SiO2反应来去除SiO2，从而达到对硅的腐蚀目的。最常用的腐蚀溶剂是硝酸与氢氟酸和水（或醋酸）的混合液，化学反应方程式为 Si+HNO3+6HF——H2SiF4+HNO2+H2O+H2 其中，反应生成的H2SiF4可溶于水。在腐蚀液中，水是作为稀释剂，但最好用醋酸（CH3COOH），因为醋酸可以抑制硝酸的分解，从而使硝酸的浓度维持在较高的水平。对于HF-HNO3混合的腐蚀液，当HF的浓度高而HNO3的浓度低时，Si膜腐蚀的速率由HNO3浓度决定（即Si的腐蚀速率基本上与HF浓度无关），因为这时有足量的HF去溶解反应中生成的SiO2.当HF的浓度低而HNO3浓度高时，Si腐蚀的速率取决于HF的浓度（即取决于HF溶解反应生成的SiO2的能力）。 对Si的湿法腐蚀还可以用KOH的水溶液与异丙醇（IPA）相混合来进行。对于金刚石或闪锌矿结构，（111）面的原子比（100）面排的更密，因而（111）面的腐蚀速度应该比（100）面的腐蚀速率小。 采用SiO2层作为掩膜对（100）晶向的硅表面进行腐蚀，可以得到V形的沟槽结构。如果SiO2上的图形窗口足够大，或者腐蚀的时间比较短，可以形成U形的沟槽。如果被腐蚀的是（110）晶向的硅片，则会形成基本为直壁的沟槽，沟槽的侧壁为（111）面。这样就可以利用腐蚀速率对晶体取向的依赖关系制得尺寸为亚微米的器件结构。不过，这种湿法腐蚀的方法大多采用在微机械元件的制造上，在传统的集成电路工艺中并不多见。 二、SiO2的湿法腐蚀 SiO2的湿法腐蚀可以使用氢氟酸（HF）作为腐蚀剂，其反应方程式为： SiO2+6HF——SiF4+2H2O+H2 在上述的反应过程中，HF不断被消耗，因此反应速率随时间的增加而降低。为了避免这种现象的发生，通常在腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂（形成的腐蚀液称为BHF）。氟化氨分解反应产生HF，从而维持HF的浓度。NH4F分解反应方程式为 NH4F——NH3+HF 分解反应产生的NH3以气态被排除掉。 在集成电路工艺中，除了需要对热氧化和CVD等方式得到的SiO2进行腐蚀外，还需要对磷硅玻璃（简称PSG）和硼磷硅玻璃（简称BPSG）等进行腐蚀。因为这些二氧化硅层的组成成分并不完全相同，所以HF对这些SiO2的腐蚀速率也就不完全一样。基本上以热氧化方式生成的二氧化硅层的腐蚀速率最慢。 三、Si3N4的湿法腐蚀 Si3N4也是一种常用湿法腐蚀的材料。Si3N4可以使用加热的磷酸（130-150度的H3PO4）来进行腐蚀。磷酸对Si3N4的腐蚀速率通常大于对SiO2的腐蚀速率。

半导体中铝湿法腐蚀铝残留的原因有：

1、掩膜材料（主要指光刻胶）显影不清和曝光强度不够，会使显影时留有残胶，通常会使腐蚀不净。

2、须腐蚀膜的类型（指如SIO2，POLY，SILICON等）。

3、腐蚀速率。腐蚀速率的变化会使腐蚀效果发生改变，经常会导致腐蚀不净或严重过腐蚀，从而造成异常，影响腐蚀速率的因素可见下面的影响因素。

4、浸润与否。由于在湿法腐蚀时由于腐蚀液与膜间存在表面张力，从而使腐蚀液难于到达或进入被腐蚀表面和孔，难于实现腐蚀的目的。

芯片是一个庞大的产业。一个芯片的制造过程是复杂和冗长的。要想实现芯片自主化，所面临的困难不是一点两点，而是要面对芯片产业上下游众多的挑战。现在我国芯片被卡脖子，从材料到设计和制造都面对着很多的技术壁垒。不过现在我国正在慢慢突破技术，实现芯片产业基本自主。

最近，我国的一个半导体企业就实现了一项新的技术突破。这项技术的重要程度极高，是芯片制造过程中不可缺少的一环，没有这项技术，芯片的制造就不可能完成。从重要性程度来说，这项技术不亚于光刻机。 这家企业就是盛美半导体，其最近再次攻克了边缘湿法蚀刻技术，生产出相应的设备。 更重要的是，该项突破依赖的是国产技术，这意味着这项技术实现了这项技术的自主化。我国之后不必再担心老美对我们进行卡脖子了。

我国为什么制造不出芯片，主要的原因是很多关键的技术被封锁了，一些成品的设备也被老美所封住了渠道，买也买不到。其中公认的最关键的技术和设备就是EUV光刻机了。前一段，上海微电子落地了最新的中低端国产光刻机。此消息一出，可谓振奋人心，给我国芯片产业打了一针强心剂，也让我国芯片自主进程又向前迈进了一大步。

但是我们说，上海微电子这一次研发的光刻机设备再好，也不是EUV光刻机，对于高端芯片还是没有什么办法。这几乎就是一种局限，没有EUV光刻机，就限制了我国通往高端芯片的道路。而我们现在要说的就是EUV光刻机平起平坐，同样重要的蚀刻机 。缺少这玩意，就跟缺少EUV光刻机一样，我们还是搞不出来顶尖那一小撮。

光刻机在芯片制造过程中的承担的功能部分非同一般。 通过光刻机的“雕刻加工”，可以在晶圆上刻画出各种精细的图形，形成集成电路。 这个过程中，光刻机设备的水平直接决定了芯片的制程，可以说是决定芯片“命运”的一步。越是精密的芯片制造，对光刻机的要求越高。

现在顶尖的高端手机几乎都有一个门槛，那就是其芯片需采用的是5nm工艺制程。这种高端芯片只有EUV光刻机能够满足其制造。这也就意味着我国现在没有EUV光刻机，就没办法自主生产出高端手机的关键芯片。

但是芯片制造不止光刻机。在将芯片雕刻之后，还需要后续一系列的处理，芯片才能真正完成。这其中最重要的就算是蚀刻。 光刻机是在晶圆上“作画”，而蚀刻机就是按照“画”来腐蚀掉那些多余的地方和杂质，使集成电路形成。 对于芯片制造来说，光刻机和蚀刻机就像一对兄弟一样，一个处理前置，一个处理后置。

蚀刻机除了影响到芯片的制造成功之外，还影响到芯片的性能和良品率。水平不够的蚀刻技术可能会去除掉不应该去除的部分，或者没有清理干净应该去除的薄膜和杂质，这些都会影响到芯片的性能。如果蚀刻技术再差一点，就会使得芯片报废，达不到合格使用的水准。

现在市场上的蚀刻方法主要有干法和湿法两种，其中湿法蚀刻更加流行。现在市场上主要的芯片蚀刻使用的都是后者的技术。 盛美半导体所研发的边缘湿法蚀刻设备，不仅能够完美完成光刻之后的蚀刻任务，还能够提高芯片的性能和良品率。

不得不说，这一次，又是我国赢了。除了EUV光刻机，老美动用资源封锁的技术和设备正在一个个被我国解锁。加上我国产品的强大的竞争力，老美不得不要考虑一下之后接下来该怎么办了。而那些助纣为虐的企业也应该要好好想一想一下接下来该如何寻求后路了。

还记得华为被制裁的时候，不少人误以为是因为华为才让老美将目光转向我国的芯片产业，但是现在种种事迹表明，老美醉翁之意不在酒，而是在我国的更多的高 科技 产业。在不久的将来，将会开启一场前所未有的 科技 之争，主角当然是以老美为首的老牌强国和以我国为首的后起之秀。为了能够在这场竞争中获得主动权和更多的筹码，我国现在必须将一些被封锁的技术攻克，不被对手卡脖子。 实现芯片自主化，是其中一个极其重要的部分， 目前我国虽然已经取得很多进展，但是任重道远，我们还需要继续努力。

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