刻蚀工艺是半导体加工技术中的关键工艺之一，是一种有选择性地将部分区域、某种或某层材料去除的技术。

理想的常规刻蚀工艺具有以下特点：①各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀。这样才能保证精确地在被刻蚀的薄膜上复制出与抗蚀剂上完全一致的图形；②良好的刻蚀选择性，即对作为掩模的抗蚀剂和处于被刻蚀部分其下的另一层薄膜或材料的刻蚀速率都比被刻蚀薄膜的刻蚀速率小得多，以保证刻蚀过程中抗蚀剂掩蔽的有效性；在多层结构刻蚀中，需要刻蚀掉的上层材料的刻蚀速率要比需保留的下一层材料的刻蚀速率要大得多，以保证刻蚀对停止层材料的选择性；③刻蚀剖面可控，损伤小，均匀性、重复性好，表面无残留或污染；④刻蚀速率较快或可以多片同时进行，适宜批量加工，控制容易，成本低，对环境污染少，适用于工业生产。

根据分类规则不同，刻蚀工艺有多种分类方式。按照传统分类可以分为湿法腐蚀和干法刻蚀，也可以分为有掩模刻蚀和无掩模刻蚀。相对有掩模刻蚀，无掩模刻蚀的应用较少，例如样片的整体减薄刻蚀，切磨抛流程中的损伤层去除，浓硼掺杂后的选择性腐蚀等。在半导体器件加工流程中，多是应用有掩模刻蚀，即把未被抗蚀剂掩蔽的部分去除，从而在被刻蚀材料上得到与抗蚀剂膜上相同图形的转移。在半导体器件的制造过程中，需要经过掩模曝光、显影，在抗蚀剂膜上制备出所需的图形，或者用电子束、激光直写等方式直接在抗蚀剂膜上产生图形，然后通过刻蚀把此图形转移到抗蚀剂下面的材料上去，制造出所需的薄层图案。

这是传统的刻蚀方法。把样片浸泡在相应的化学试剂或试剂溶液中，或把腐蚀液喷淋到样片表面，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去。例如，用一种含有氢氟酸的溶液刻蚀二氧化硅薄膜，用磷酸刻蚀铝薄膜等。这种在液态环境中进行刻蚀的工艺称为“湿法”工艺，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现大批量生产，并且刻蚀的选择性也好。但是，湿法腐蚀以化学反应为主，在非晶体结构中，化学反应的各向异性较差，横向钻蚀使所得的刻蚀剖面呈圆弧形（见图）。这不仅使图形剖面发生变化，而且当稍有过刻蚀时剖面会产生如图中的虚线，致使薄膜上图形的线宽比原抗蚀剂膜上形成的线宽小2Δx，并且Δx随过刻蚀时间迅速增大。这使精确控制图形变得困难，在细线宽结构制备中是很难克服的问题。湿法腐蚀的另一问题，是抗蚀剂在溶液中，特别是在较高温度的溶液中易受破坏而使掩蔽失效，因而对于那些只能在这种条件下腐蚀的薄膜须采用专用光刻胶或复合掩模等更为复杂的掩蔽方案。

湿法刻蚀所得的薄膜剖面

对于采用微米级和亚微米量级线宽的超大规模集成电路，刻蚀方法必须具有较高的各向异性特性，才能保证图形的精度，但湿法腐蚀不能满足这一要求。湿法腐蚀在微电子机械系统（micro-electromechanical system; MEMS）器件和化合物半导体器件制备中发挥着较大作用，在纳米级器件和集成电路的表面清洗、选择性腐蚀中也有着重要作用。

　　针对湿法腐蚀中存在的问题，研究人员不断地开发和优化湿法腐蚀液种类和配方，也在考虑采用搅拌、流动和超声以及自动化实施和检测手段提高湿法腐蚀的效果。此外，在湿法腐蚀液中添加各种添加剂和表面改性剂也是常用的方法。例如，添加表面改性剂，提高在微结构制备中溶液和表面的浸润特性，有效改善腐蚀质量。在硅腐蚀中添加异丙醇（IPA）、聚氧乙烯烷基苯基醚（NC-200）、乙二醇（ASPEG）、聚乙二醇辛基苯基醚（triton X-100）等活性剂，利用其在不同晶面的吸附性差异，可以改变不同湿法腐蚀的晶面依赖各向异性，结合掩模设计，可以制备出不同倾角的侧壁甚至连续光滑的弧面。

在湿法腐蚀中，把样片放入电解槽中，可以用电流来辅助驱动化学反应，这种方法称为电化学腐蚀。电化学腐蚀可以使得一些难以发生的腐蚀变得容易。例如，以硅为阳极的氟化氢（HF）液体中发生电化学腐蚀，对硅产生较快的腐蚀，可用于实现硅孔的制备；加入光辐照，可实现光电化学腐蚀。

金属催化化学腐蚀液是湿法腐蚀的一种方法，例如在硅片上形成图形化的金属（金、银、铂）薄层，样片浸入HF和氧化剂（H₂O₂等）的混合溶液中，硅在金属催化下加速了局部的氧化和分解，可以实现定向腐蚀。该方法被用于硅纳米线，黑硅和沟槽制备中。在沟槽制备中应用时，存在的主要问题之一是容易导致表面疏松多孔和底面的粗糙，随着腐蚀深度增加，形貌控制难度增加。

从20世纪60年代中期，为了克服湿法腐蚀的一些问题以及减少湿法腐蚀中的废液，物理轰击去除工艺被引入器件制备流程中。70年代开始逐步得到了广泛应用，期间出现一系列干法刻蚀工艺。干法刻蚀可以大概分为离子铣刻蚀（物理作用为主）、等离子体刻蚀（化学作用为主）和反应离子刻蚀（物理化学综合作用）三类方法。①离子铣刻蚀。低气压下惰性气体辉光放电所产生的离子加速后入射到薄膜表面，裸露的薄膜被溅射而除去。由于这种刻蚀是纯物理作用，各向异性程度很高，可以得到分辨率优于1微米的线条。通过改变样片与离子束轰击的方向角度，还可获得不同的刻蚀侧壁角度。这种方法已在磁泡存储器、表面波器件和集成光学器件等制造中得到应用。但是，这种方法的刻蚀选择性差，须采用专门的刻蚀终点监测技术，而且刻蚀速率也较低。此项技术在惰性金属以及很难形成挥发性产物的材料去除中应用较多。与离子铣刻蚀工艺同属离子束刻蚀的还有反应离子束刻蚀工艺和化学辅助离子束刻蚀。这两项技术因设备结构相对复杂，效果提升不够理想，设备实际应用较少。聚焦离子束加工技术，可以通过多种离子（镓、氦、氖、硅、锗、金等）聚焦和加速后实现快速（重离子，高溅射产率）或高精度的去除加工，加工精度可达纳米量级。②等离子体刻蚀。利用气压为10～1000帕的特定气体（或混合气体）的辉光放电，产生能与薄膜发生离子化学反应的分子或分子基团，生成的反应产物是挥发性的。它在低气压的真空室中被抽走，从而实现刻蚀。通过选择和控制放电气体的成分，可以得到较好的刻蚀选择性和较高的刻蚀速率。这种刻蚀工艺中化学反应作用大，物理轰击作用小，各向异性较差，刻蚀精度不高，一般仅用于大于4～5微米线条的工艺中，多被用于光刻胶去除，聚合物沉积和表面改性等。③反应离子刻蚀。这种刻蚀过程同时兼有物理和化学两种作用。辉光放电在零点几帕到几十帕的低真空下进行。硅片处于阴极电位，放电时的电位大部分降落在阴极附近。大量带电粒子受垂直于硅片表面的电场加速，垂直入射到硅片表面上，以较大的动量进行物理刻蚀，同时它们还与薄膜表面发生强烈的化学反应，产生化学刻蚀作用。选择合适的气体组分，不仅可以获得理想的刻蚀选择性和速度，还可以在刻蚀的侧壁形成钝化层，这就有效地抑制了侧向反应，大幅提高了刻蚀的各向异性特性。反应离子刻蚀是半导体器件工艺中广泛应用的刻蚀方法。

21世纪20年代初，在半导体光电器件、大规模集成电路和存储器芯片的制备中，应用最多的刻蚀工艺是电容耦合等离子体刻蚀工艺和电感耦合等离子体刻蚀工艺。其中，电容耦合等离子体刻蚀设备主要用于对物理轰击作用依赖性较高的介质等材料的刻蚀。此类刻蚀设备，可以在下电极上配备双频或多频电源，用于进一步优化等离子体组分和刻蚀参数。电感耦合等离子体刻蚀设备主要用于硅等材料的刻蚀。此类材料刻蚀对物理轰击作用要求较弱，等离子体中的活性粒子容易与被刻蚀材料反应，所形成的挥发物容易脱附。

初期的反应离子刻蚀以及后期的磁增强反应离子刻蚀和三极结构的反应离子刻蚀，在刻蚀中产生的等离子体密度较低，故后多用高密度等离子体进行刻蚀。此类设备配备在传统反应离子刻蚀设备的基础上，进行了腔室设计改进，增加了一套用于在低压强下产生高密度等离子体的电源。这就为等离子体刻蚀中的化学作用（等离子体密度）和物理作用（离子轰击）降低耦合强度，向实现独立可控的目标前进奠定了基础条件。常见产生高密度等离子体的方式包括电感耦合、电子回旋共振和螺旋波。其中电感耦合等离子体（反应离子刻蚀）设备最为常见，螺旋波等离子体刻蚀设备较为少见。

为了满足器件特征尺寸不断降低、结构变化和性能提升以及对新材料的需求，刻蚀工艺也在不断发展。较新的刻蚀工艺主要包括脉冲等离子体刻蚀工艺、中性粒子束刻蚀工艺和原子层刻蚀工艺。

针对传统刻蚀工艺中的等离子体诱导损伤、各种原因引起的均匀性差、高深宽比中的刻蚀停止和选择比低等问题，研究人员采用了脉冲等离子体对样片进行刻蚀。以电感耦合等离子体设备为例，在电感耦合等离子体射频电源和偏压射频电源上可以分别或同时采用脉冲模式，通过优化脉冲周期、占空比和相位差，可以影响等离子体中的组分比例，例如可以影响或调控离子和活性中性粒子比例，离子中原子离子和分子团离子比例，也可以影响离子和电子的能量和角度分布范围等参数，为提高选择比，降低损伤、降低电荷积累和侧壁局部过钝化引起的端面扭曲等提供了可能。脉冲等离子体刻蚀工艺已经在半导体器件加工中获得了广泛的应用。

为了改善等离子体刻蚀效果，研究人员还提出了一种中性粒子束刻蚀工艺。在等离子体刻蚀中，因为电荷积累、紫外辐射以及过高能量的离子轰击会引起一些负面的效果。中性粒子束刻蚀工艺可以通过在电感耦合等离子体刻蚀设备中加一套用于中和等离子体中离子电荷的装置实现。这套装置主要包括一套电源、匹配控制系统以及一块置于腔室内样片上方的中和孔板（带有高深宽比孔的格栅），由电感耦合方式产生的等离子体在经过中和孔板后，其中的带正电荷粒子通过和孔的侧壁碰撞后中和准直，保持一定的轰击能量，具有较好的方向性。这种带有一定轰击能量的中性粒子达到样片表面后，辅助活性粒子与被刻蚀材料发生反应。其过程与轰击离子辅助反应类似，理想情况下没有带电粒子的参与。经过硅刻蚀试验表明，采用这种方法刻蚀，真空紫外光强相比常规等离子体刻蚀小很多，对于刻蚀表面晶格结构损伤极小。由于电荷积累等原因引起的问题也可以得到相应的解决。

芯片关键尺寸越来越小，器件结构三维化以及一些高深宽比结构的出现，对刻蚀的精度、均匀性、高选择性、形貌控制、低损伤、低残留和表面的光滑程度都提出了越来越高的要求。20世纪90年代初被提出，并首先应用在砷化镓刻蚀中的原子层刻蚀工艺，有望使得刻蚀效果得到进一步提升。

原子层刻蚀工艺是一种能够实现原子层级去除的先进技术。与传统刻蚀方式不同，其过程与原子层沉积类似，刻蚀过程分为改性和去除（原子层沉积此步为淀积）两步进行。原则上刻蚀剂可用多种方式输送到样片，对表面层进行改性。使用最多的还是等离子体方式。例如，第一步改性，采用氯气刻蚀硅，氯气等离子体与硅表面接触，形成硅-氯（Si-Cl）键，相比体内的硅-硅（Si-Si）键，改性层紧邻的Si-Si键能较小，使其在第二步中容易被去除。此步表面改性与原子层沉积有相同的自限制性，有效控制了改性层的厚度。每次循环只去除薄薄一层材料（一个到几个原子层），可重复循环直至达到期望的深度。表面改性这一步可以采用连续等离子体，也可采用脉冲等离子体进一步提高效果。第二步去除，可以采用惰性气体离子或中和后的中性粒子束轰击协助完成，轰击离子种类和能量会影响每次去除层的厚度；也可以通过各种方式将样片加热到较高温度实现脱附去除。采用加温方式时，最高温度不能超过自发腐蚀发生温度。

原子层刻蚀工艺可以精确控制刻蚀深度，获得十分光滑的刻蚀表面；通过不同的表面改性和去除方式可以实现很好的各向异性和各向同性；通过改进去除技术，可以很好地消除深宽比依赖效应。原子层刻蚀工艺还在不断的发展中，存在的问题是刻蚀速率慢，实验室级别的设备一个循环约在1～5分钟，刻蚀几个原子层。此外，还不能像原子层沉积那样采用一炉多片的方式提高效率。原子层刻蚀工艺已在极浅刻蚀（＜10纳米）、大深宽比结构刻蚀和过刻蚀过程中获得应用。

在传统的等离子体干法刻蚀方法之外，有一种直接利用气体物质对样片进行腐蚀的技术。这种方法无须把反应气体等离子体化提高其反应活性。其中的典型代表是气态氢氟酸（常用酒精或水气化携带）腐蚀氧化硅技术和二氟化氙（有时采用氩离子轰击协助脱附，改善刻蚀效果）腐蚀硅技术。

激光加工技术在材料刻蚀（去除）方面的应用也越来越多，尤其是超短脉冲激光用于材料去除。例如，皮秒激光器的脉宽时间小于电子与声子的耦合时间以及声子的弛豫时间，从而可以实现“冷加工”；可以有效避免常规激光器加工时容易出现的崩裂、碎屑等问题，加工表面凸起小。超短脉冲激光能量集中，通过选择合适的波长十分适宜加工一些等离子体刻蚀加工难度大的材料，例如可用于玻璃、蓝宝石、碳化硅、陶瓷等材料的打孔和切割。通过选用短波长（266纳米），超短脉冲加工可以在碳化硅材料上实现直径10微米、深度100微米的挖孔。

采用超短脉冲激光还可以实现激光诱导背面湿法腐蚀技术。例如，可以通过选择248纳米波长的超短脉冲激光，对玻璃实现高效三维腐蚀。玻璃的背面密封有芘的丙酮饱和溶液，激光经过匀光整形，透过掩模版后投影到玻璃背面和含芘丙酮溶液的交接面处。根据脉冲激光能量密度不同，在溶液中相应诱导产生空气泡或等离子体空泡，实现对玻璃的加工。这种技术可以在玻璃材质上实现深宽比大于100的深槽加工，改变激光焦点或照射角度可以在一定角度范围内改变挖槽方向，实现三维加工。

现代化的干法刻蚀设备包括复杂的机械、电气和真空装置，同时配有自动化的刻蚀终点检测和控制装置。刻蚀设备在不同的工艺线中种类配比会有不同，因设备单价较高和所需数量较多，在各种工艺线整体投资额中均占有较大比重。

作为半导体加工中的关键技术之一，刻蚀工艺在现实需求的推动下仍在持续不断地发展，有望在新材料和新器件的加工制备中发挥更大的作用。