普通的刻蝕過程大致如下:先在表面塗敷一層光致抗蝕劑,然後透過掩模對抗蝕劑層進行選擇性曝光,由於抗蝕劑層的已曝光部分和未曝光部分在顯影液中溶解速度不同,經過顯影后在襯底表面留下了抗蝕劑圖形,以此為掩模就可對襯底表面進行選擇性腐蝕。如果襯底表面存在介質或金屬層,則選擇腐蝕以後,圖形就轉移到介質或金屬層上。
由於曝光束不同,刻蝕技術可以分為光刻蝕(簡稱光刻)、X射線刻蝕、電子束刻蝕和離子束刻蝕,其中離子束刻蝕具有解析度高和感光速度快的優點,是正在開發中的新型技術。
刻蝕工藝不僅是半導體器件和積體電路的基本製造工藝,而且還套用於薄膜電路、印刷電路和其他微細圖形的加工。
刻蝕還可分為濕法刻蝕和乾法刻蝕。
蝕刻的機制,按發生順序可概分為「反應物接近表面」、「表面氧化」、「表面反應」、「生成物離開表面」等過程。所以整個蝕刻,包含反應物接近、生成物離開的擴散效應,以及化學反應兩部份。整個蝕刻的時間,等於是擴散與化學反應兩部份所費時間的總和。二者之中孰者費時較長,整個蝕刻之快慢也卡在該者,故有所謂「reaction limited」與「diffusion limited」兩類蝕刻之分。
1、濕蝕刻
最普遍、也是設備成本最低的蝕刻方法。其影響被蝕刻物之蝕刻速率 (etching rate) 的因素有三:蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。定性而言,增加蝕刻溫度與加入攪拌,均能有效提高蝕刻速率;但濃度之影響則較不明確。舉例來說,以49%的HF蝕刻SiO2,當然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6) 快的多;但40%的KOH蝕刻Si的速率卻比20%KOH慢! 濕蝕刻的配方選用是一項化學的專業,對於一般不是這方面的研究人員,必須向該化學專業的同儕請教。一個選用濕蝕刻配方的重要觀念是「選擇性」(selectivity),意指進行蝕刻時,對被蝕物去除速度與連帶對其他材質 (如蝕刻掩膜;etching mask, 或承載被加工薄膜之基板;substrate ) 的腐蝕速度之比值。一個具有高選擇性的蝕刻系統,應該只對被加工薄膜有腐蝕作用,而不傷及一旁之蝕刻掩膜或其下的基板材料。
(1)等向性蝕刻 (isotropic etching)
大部份的濕蝕刻液均是等向性,換言之,對蝕刻接觸點之任何方向腐蝕速度並無明顯差異。故一旦定義好蝕刻掩膜的圖案,暴露出來的區域,便是往下腐蝕的所在;只要蝕刻配方具高選擇性,便應當止於所該止之深度。
然而有鑒於任何被蝕薄膜皆有其厚度,當其被蝕出某深度時,蝕刻掩膜圖案邊緣的部位漸與蝕刻液接觸,故蝕刻液也開始對蝕刻掩膜圖案邊緣的底部,進行蝕掏,這就是所謂的下切或側向侵蝕現象 (undercut)。該現象造成的圖案側向誤差與被蝕薄膜厚度同數量級,換言之,濕蝕刻技術因之而無法套用在類似「次微米」線寬的精密製程技術!
(2)非等向性蝕刻 (anisotropic etching)
先前題到之濕蝕刻「選擇性」觀念,是以不同材料之受蝕快慢程度來說明。然而自1970年代起,在諸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中,發表了許多有關鹼性或有機溶液腐蝕單晶矽的文章,其特點是不同的矽晶面腐蝕速率相差極大,尤其是<111>方向,足足比<100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個數量級!因此,腐蝕速率最慢的晶面,往往便是腐蝕後留下的特定面。
這部份將在體型微細加工時再詳述。
2、乾蝕刻
乾蝕刻是一類較新型,但迅速為半導體工業所採用的技術。其利用電漿 (plasma) 來進行半導體薄膜材料的蝕刻加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr 的環境下,才有可能被激發出來;而乾蝕刻採用的氣體,或轟擊質量頗巨,或化學活性極高,均能達成蝕刻的目的。
乾蝕刻基本上包括「離子轟擊」(ion-bombardment)與「化學反應」(chemical reaction) 兩部份蝕刻機制。偏「離子轟擊」效應者使用氬氣(argon),加工出來之邊緣側向侵蝕現象極微。而偏「化學反應」效應者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4),經激發出來的電漿,即帶有氟或氯之離子團,可快速與晶片表面材質反應。
乾蝕刻法可直接利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕,不必另行成長阻絕遮幕之半導體材料。而其最重要的優點,能兼顧邊緣側向侵蝕現象極微與高蝕刻率兩種優點,換言之,本技術中所謂「活性離子蝕刻」(reactive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」線寬製程技術的要求,而正被大量使用中。