在芯片制造的世界里，有一项看似“破坏性”却极其精密的关键工艺：刻蚀（Etching）。它不是简单地“挖掉”材料，而是像一位顶级雕刻师，用化学或物理的方式，在硅片上精准地“削”出纳米级的电路结构。
今天，我们就来彻底拆解这项决定芯片性能与良率的核心技术，带你从湿法刻蚀到干法刻蚀，再到原子层刻蚀（ALE），层层深入，看懂现代半导体制造的“刀锋艺术”。
首先，刻蚀到底是什么？简单说，就是把晶圆（wafer）表面不需要的材料去掉，只留下设计好的电路图案。
这听起来容易，但要在几纳米的尺度上做到精准无误，堪比在头发丝上雕刻故宫。
刻蚀主要分两大类：
一种叫“图形刻蚀”（patterning etching），就是只在特定区域去除材料，比如把光刻胶或硬掩模上的图案“复制”到下面的薄膜上；
另一种叫“整面刻蚀”（blanket etching），顾名思义，就是把整个晶圆表面的薄膜一次性去掉，比如背面减薄工艺中就常用到。
但更关键的分类，是按工艺特性来分：湿法刻蚀和干法刻蚀。
湿法刻蚀，顾名思义，是在液体化学溶液中进行的。它通常在常温下操作，不需要真空腔体、射频电源或复杂的气体输送系统，设备成本低、操作简单，一度是早期芯片制造的主力。然而，它的致命弱点在于——各向同性（isotropic）。
什么意思？就是它不仅往下“挖”，还会往两边“掏”，形成所谓的“底切”（undercut）。在微米级时代这还能接受，但一旦进入3微米以下工艺，这种横向侵蚀就会导致图形失真、线条倒塌，根本无法满足高密度集成的需求。于是，干法刻蚀——尤其是等离子体刻蚀——逐渐成为主流。
不过，湿法刻蚀并没有完全退出历史舞台。事实上，它在某些关键环节依然不可替代。比如，二氧化硅（SiO₂）的刻蚀常用稀释的氢氟酸（HF），比例通常是6:1或10:1。为什么不用1:1？因为太猛了！反应速度太快，根本控制不住均匀性和速率。而10:1的HF溶液还能用来清除硅片表面的天然氧化层，是清洗工艺中的常客。
单晶硅的刻蚀则多用于形成晶体管之间的隔离区，而多晶硅刻蚀则用来制作栅极电极和局部互连。它们通常用硝酸（HNO₃）和氢氟酸的混合液。这里有个巧妙的化学循环：硝酸先把硅氧化成二氧化硅，HF立刻把这层氧化物溶解掉，暴露出新的硅表面，再被硝酸氧化……如此往复，硅就被一层层“吃”掉。
氮化硅（Si₃N₄）的刻蚀则常用磷酸（H₃PO₄），因为反应生成的硅磷酸盐和氨气都能溶于水，不会留下残渣，非常适合做绝缘层的图形化。
至于金属刻蚀，早期铝金属化工艺常用磷酸、醋酸和硝酸的混合液。但随着工艺进步，这种湿法铝刻蚀现在更多用于评估物理气相沉积（PVD）铝膜的质量，而非实际图形制作。
有趣的是，半导体工程师曾经梦想彻底“干掉”所有湿法工艺，实现全干法制造。但随着化学机械抛光（CMP）和化学气相沉积（CVD）的普及，湿法步骤反而越来越多。为什么？因为湿法刻蚀具有极高的选择性——它能精准地只刻一种材料而不伤及其他，还能通过刻蚀速率反推薄膜质量，这使得湿法设备在先进制程中依然占据一席之地。
那么，干法刻蚀又是如何工作的？它用的是气态化学试剂，在真空腔体中通过射频放电产生等离子体。高能电子撞击气体分子，产生大量活性自由基。这些自由基扩散到晶圆表面并被吸附，同时，带电离子在电场作用下垂直轰击表面，不仅物理溅射材料，还打断表面原子的化学键，极大提升反应效率。
整个过程包括：通入刻蚀气体→稳定腔压→射频激发等离子体→自由基生成→扩散吸附→离子轰击促进反应→生成挥发性产物→排出腔体。这一套流程，实现了高度可控的各向异性刻蚀，也就是“只往下挖，不往两边掏”，完美保留光刻定义的图形。
在实际生产中，刻蚀工艺有五大核心控制参数。第一是刻蚀速率（Etch Rate），即单位时间内去除的材料厚度，计算公式很简单：（初始厚度－最终厚度）÷刻蚀时间。第二是均匀性（Uniformity），必须确保整片晶圆上各点的刻蚀速率一致，否则会导致器件性能差异。工程师会在晶圆上选多个测试点，统计刻蚀速率的标准差来评估。
第三是选择比（Selectivity），也就是目标材料与掩模或下层材料的刻蚀速率之比。比如，刻蚀二氧化硅时，我们希望它比光刻胶快很多，这样胶还没被吃掉，下面的膜就已经刻完了。选择比越高，工艺窗口越宽，良率越有保障。
第四是刻蚀形貌（Profile），这是决定后续工艺成败的关键。理想状态是垂直侧壁——光刻胶多宽，刻出来的沟槽就多宽，没有关键尺寸（CD）损失。但现实中，由于离子角度、聚合物沉积等因素，可能出现锥形、倒锥形甚至弯曲侧壁，影响后续薄膜沉积的覆盖性。
第五是过刻蚀（Over-etch）和残留（Residue）。因为膜厚和刻蚀速率在晶圆上总有波动，为确保最厚区域也被完全刻穿，必须多刻一段时间，这就是过刻蚀。但如果过刻不够，或者表面拓扑复杂（比如有深沟槽），就可能在侧壁或底部留下残留物，导致短路或接触不良。
说到前沿技术，就不得不提原子层刻蚀（Atomic Layer Etching, ALE）。这是一种能以单原子层精度去除材料的技术，平均速率只有约0.1纳米/分钟，慢得惊人，但准得可怕。ALE分两种模式：“离子后置”和“离子前置”。
在“离子后置”模式中，先通入氯气（Cl₂）、氧气（O₂）或氟仿（CHF₃）等等离子体，让活性基团与表面原子反应形成自限性吸附层——一旦表面饱和，反应自动停止。接着用氮气或氩气吹扫未反应的气体，最后用氩离子（Ar⁺）轰击，把这层反应产物“敲”下来。整个过程像剥洋葱，一层一层，绝不超量。
而“离子前置”则是先用离子轰击表面，让材料发生结构改变或注入，再通入反应气体把改性层去除。两种方式各有适用场景，但共同目标都是实现原子级精准控制，为2纳米甚至更先进节点铺路。
最后聊聊市场格局。
在全球刻蚀设备领域，美国泛林集团（Lam Research）稳居龙头，日本东京电子（TEL）和美国应用材料（AMAT）紧随其后。
而在湿法设备方面，由于结构相对简单，加上先进制程对洁净度要求越来越高，中国台湾的多家企业如弘塑科技（GPTC）、辛耘企业（Scientech）、盛宏半导体（SHT）和均华精密（GPM）也强势崛起，逐步打入国际供应链。
本文内容基于半导体制造领域的经典工艺原理与行业实践整理而成。作者长期从事集成电路工艺集成与设备技术研究，曾在国际一线晶圆厂参与先进逻辑与存储芯片的开发，对刻蚀、薄膜沉积及清洗等前道工艺有深入理解，并持续关注原子级制造等前沿方向。