蝕刻是什麼？半導體如何削出電路，濕式與乾式的差異

生活中的例子

「蝕刻」原本是一種版畫技法的名稱。先在銅板上覆蓋一層蠟等耐藥品的膜，再用針刻出線條，讓銅露出來。把銅板浸到酸裡，只有露出的線條會溶解成溝，版就做好了。

「被覆蓋的地方留下，只溶掉露出的地方」，這個想法在電子零件上也一樣。印刷電路板上的銅導線，也是用藥品溶掉不需要的銅做出來的（「印刷電路板（PCB）是什麼？」）。半導體晶片，則是用細微得多的圖案來做這件事。

根據IEEE Spectrum的文章（2020年），當時最先進的世代中，細導線的間距約為36 nm。nm（奈米）是100萬分之1 mm。一根頭髮的粗細（約0.09 mm）中，可以排進2,000條以上，就是這麼細。

蝕刻位在製程的哪裡？

晶片的電路，是在晶圓上鍍上薄膜，再把膜刻成電路的形狀，這樣反覆做出來的。刻之前，要先用光在膜上轉印圖案。塗上照光後性質會改變的藥劑，依圖案的形狀照光，再溶掉其中一部分。這種藥劑稱為光阻。

轉印好的圖案，這時還只在光阻上。因此要去除沒有被光阻覆蓋的膜，把圖案刻進膜本身。這項作業就是蝕刻。

刻完之後，要去除已經完成任務的光阻。多數情況下，是用氧電漿把光阻像燃燒一樣變成氣體去除。這道製程稱為灰化。這樣膜上就留下了電路的形狀，接著進入下一層的作業。

用光轉印圖案為止的流程，請見「半導體晶片是怎麼做出來的？」；光本身的原理，請見「EUV微影是什麼？」。接下來，我們來看削去這項作業的內容。

用藥液溶解的「濕式」，用氣體削去的「乾式」

削去的方法，大致分成2種。一種是把晶圓浸在藥液裡，或對晶圓噴灑藥液，把膜溶掉。因為使用液體，所以稱為濕式蝕刻。

例如氫氟酸（氟化氫的水溶液），很容易溶解和玻璃成分相同的氧化矽膜。另一方面，它幾乎不會溶解矽本身（德州大學的實習資料）。原理簡單、不容易損傷晶圓，也是它的優點。

另一種，是在抽掉空氣的容器中，給氣體電的能量來削去。部分氣體的電子被剝離，變成混有容易反應粒子的「電漿」。因為不用液體，所以稱為乾式蝕刻。電漿裡有什麼，在「電漿是什麼？」中有詳細說明。

兩者最大的差異，是「往哪個方向削」。下一節會說明，這一點為什麼對微細電路很重要。把兩者並列比較的表格，請見「濕式蝕刻與乾式蝕刻的差異」。

往橫向也削就麻煩了：等向性與非等向性

藥液只要碰到膜，不管哪裡都一樣會溶解。往下進行的同時，也以相同的速度往橫向削。因此會鑽進光阻邊緣的下方，剖面變成像碗一樣的形狀。往所有方向都以相同速度削的方式，稱為等向性蝕刻。

單純來想，膜往下削100 nm的同時，左右也會各擴大約100 nm。即使想留下寬度幾十nm的線，膜也會整個溶掉。圖案愈細，只靠藥液來刻就愈困難。

因此，需要只往正下方削的方法。電漿中有帶正電的粒子（離子）。離子在晶圓前方被電的力量拉動，從正上方整齊地降下來。離子打到的溝底反應很快，離子幾乎打不到的側面則不太會被削。

這樣就能做出垂直筆直的壁。依方向不同、削去速度也不同的方式，稱為非等向性蝕刻。離子從正上方降下的原理，在「電漿是什麼？」中有詳細說明。

這裡把話說得比較簡單。實際的乾式蝕刻，還下了很多工夫，例如一邊在側面形成薄薄的保護膜一邊削。剖面的差異，也可以在「等向性蝕刻與非等向性蝕刻的差異」中比較。

只削目標的膜：蝕刻選擇比

蝕刻最理想的狀態，是只削掉想削的膜。但實際上，上方的光阻和下方的膜，也會一點一點被削掉。因此，想削的膜和其他膜的削去速度差多少，就很重要。這個速度的比，稱為蝕刻選擇比。

例如蝕刻選擇比為20時，想削的膜削掉20 nm，下方的膜只會削掉1 nm。蝕刻選擇比會因氣體種類、壓力、離子的衝勁等條件而大幅改變。因此，要依削去的膜和留下的膜的組合，分別選擇條件。

在哪裡停下？停止層與判斷結束

膜的厚度，在晶圓上的不同位置會有些微差異。即使最薄的地方已經削完，厚的地方還留著膜。因此，膜沒有了之後，還要再多削一會兒。這稱為過度蝕刻。

多削一會兒，先削完的地方，下面的層就會開始被削。因此，有時會在想削的膜下方，先鋪一層別種材料的膜。在相同條件下，這層膜很難被削。它成為「蝕刻停止層」，保護下面的層。高蝕刻選擇比的組合之所以重要，就是這個原因。

削完了沒有，可以從電漿的光知道。電漿發出的光是什麼顏色，由其中粒子的種類決定。想削的膜沒有了，從膜跑出來的物質就會減少，那種物質顏色的光就會變弱。抓住這個變化來得知結束的方法，稱為終點偵測。

削深孔時，光阻有時會先被削光。這時，會在光阻下方鋪一層更難被削的硬膜，當作圖案的模子。這層膜稱為硬遮罩。

又深又細的孔，為什麼難削？

表示孔或溝的深度是寬度幾倍的數字，稱為深寬比。寬度1、深度50的話，深寬比就是50。數字愈大，孔就愈細愈深。

特別需要深孔的，是SSD等所使用的3D NAND這種記憶體。首先，把材料的膜疊上好幾百層。接著開一個從上到下貫穿這些層的孔，再沿著孔做出記住資料的小元件（記憶單元）。堆疊的原理，在「SSD（固態硬碟）是什麼？」中有說明。

這個孔稱為通道孔（記憶孔）。根據科林研發技術人員的說明，以128層為例的大致參考值，是直徑約100 nm、深度約5～6 µm。µm（微米）是1,000分之1 mm，深寬比為50～60。換成直徑1 cm的孔，就是深度超過50 cm的細長程度。

孔愈深，離子和自由基（容易反應的粒子）就愈難到達孔底。削下來產生的氣體，也不容易從細孔跑出去。因此，孔愈深，削去的速度就愈慢。稍微斜著進來的離子打到側面，孔的中段也會膨脹或彎曲。

貫穿好幾百層的孔，形狀如果不一致，各層記憶單元的品質就會不同。因此，從上到下粗細一致、又能快速削去的技術，一直在開發中。科林研發在2024年7月發表，能把深度超過寬度50倍的孔，以從上到下幾乎相同的粗細削出來。東京威力科創在2023年6月，發表了用於超過400層3D NAND的技術。該公司表示，能在33分鐘內削出深10 µm的孔。

這2家公司的技術，都是把晶圓冷卻到遠低於0 ℃再削的「極低溫蝕刻」。這些性能數字，都來自廠商自己的發表，並不是其他機構確認過的數值。

一次削一層原子：原子層蝕刻

相反地，也有想把極薄的膜，只精確削去一點點的場合。最先進的電晶體，需要把厚度只有幾nm的膜，削去固定的量。一般的蝕刻是持續削去的方式。停止的時間只要有一點偏差，就會直接變成削過頭或削不夠。

因此，會使用交替重複2個步驟的方法。首先，讓氣體附著在表面，只把最上面一層原子變成容易削去的狀態。接著，打入衝勁較弱的離子，只去除改變過的那一層。2個步驟都是表面1層完成後，就幾乎不會再繼續進行。

每重複1次，削去的量大約是1層原子，是固定的。用重複的次數，就能精細決定削去的量。這個方法稱為ALE（原子層蝕刻）。科林研發在2014年發表，已在自家現有的設備上加入原子層蝕刻的功能。該公司稱這項功能可用於量產。

這裡是把代表性的流程簡化來說明。因為1次只能削去一點點，很花時間，所以用在特別需要精度的製程。和其他使用電漿的削去方式有什麼不同，可以在「RIE、ICP-RIE與ALE的差異」中比較。

蝕刻設備與主要廠商

乾式蝕刻的設備，主要由4個部分構成。分別是放晶圓的真空腔體、通入氣體的機構、產生電漿的電源，以及承載晶圓並保持溫度的載台。主要廠商是美國的科林研發和應用材料，以及日本的東京威力科創。3家公司都把蝕刻設備當作自家產品來介紹。

在削3D NAND孔的技術上，如前面所見，科林研發和東京威力科創都發表了新技術。應用材料則推出了削去導電膜的設備，用於3D NAND等記憶體和運算用的晶片。設備的種類和廠商的全貌，整理在「半導體設備是什麼？」中。

安全與環境的考量

蝕刻使用的藥液和氣體，有些是危險的。例如氫氟酸也會從皮膚進入體內，灼傷的症狀可能會延後出現（美國NIOSH）。乾式蝕刻使用的四氟化碳（CF4），暖化效果約是相同重量二氧化碳的6,600倍。而且會在大氣中殘留約5萬年（IPCC第五次評估報告的數值，效果以100年來比較）。因此工廠會在密閉的設備中處理，排氣經過廢氣處理設備處理後才排出。

常見的誤解

從數字來看

深度5～6 µm，只有頭髮粗細（約0.09 mm）的十幾分之1。看起來非常淺，但對直徑100 nm的孔來說，是寬度50倍以上的深度。在1片晶圓上，要開出數不清的這種孔，而且每個孔從上到下的形狀都要一致。

進一步學習

• 系列文章：「半導體晶片是怎麼做出來的？」（製程全貌）、「電漿是什麼？」（離子從正上方降下的原理）、「矽晶圓是什麼？」、「無塵室是什麼？」、「半導體測試是什麼？」（量測削出形狀的檢查）
• 用表格看差異：「CCP與ICP的差異」（電漿的產生方式）、「SC-1、SC-2與稀釋氫氟酸的差異」（用藥液清洗、溶掉薄膜）、「鑲嵌製程與蝕刻成形導線的差異」
• 從用語深入：孔愈深愈難削的ARDE（深寬比相依蝕刻）、高密度電漿的ICP（感應耦合電漿）、溫室氣體的全氟碳化物（PFC）
• 從圖解來看：微影與蝕刻的步驟、鍍膜方式的圖，都在圖解的一覽中。