简单来说,刻蚀速率就是刻蚀工艺在单位时间内去除材料的厚度。其标准单位是 Å/秒 或 纳米/秒(1纳米 = 10 Å)。例如,如果对硅的刻蚀速率是5 Å/秒,那么刻蚀1秒,就能去除0.5纳米的硅材料。
可以将其比喻为雕刻家的工作效率:
材料 = 待雕刻的木板
刻蚀工艺 = 雕刻家及其工具
刻蚀速率 = 雕刻家每分钟能凿掉多深的木料。
二、为什么刻蚀速率如此关键?
刻蚀速率绝非越快越好,它需要在速度、精度和控制之间取得完美平衡,其重要性体现在三个方面:
1. 精度控制(精准度)—— “不多不少,刚刚好”
现代芯片的结构复杂精细,某些薄膜层的厚度可能只有几十个原子层。刻蚀的目标是精确地去除特定厚度的材料,直达下一层而不过度损伤。
速率太快:难以精确控制终点,容易过刻蚀,损伤下层结构,导致电路短路或性能失效。
速率太慢:虽然控制精准,但会严重影响生产效率。
刻蚀工艺的核心挑战之一,就是实现高度均匀和稳定的刻蚀速率。
2. 生产效率(经济性)—— “时间就是金钱”
在晶圆厂,一台刻蚀机价值数百万至上千万美元。一片晶圆需要经历数十次刻蚀步骤。
刻蚀速率直接决定了每片晶圆在刻蚀机中停留的时间。
更高的速率意味着更短的单片加工时间、更高的设备产能和更低的生产成本。因此,在保证精度和良率的前提下,提升刻蚀速率是晶圆厂不懈的追求。
3. 工艺选择比(选择性)—— “只削苹果皮,不伤果肉”
这是刻蚀速率衍生出的一个更为关键的概念。在实际操作中,我们 rarely 只刻蚀一种材料。例如,用光刻胶作掩模去刻蚀下方的二氧化硅层,我们希望:
高速率刻蚀二氧化硅。
低速率刻蚀光刻胶和再下方的硅衬底。
选择比 就是两种材料刻蚀速率的比值:选择比 = 材料A的刻蚀速率 / 材料B的刻蚀速率
一个高的选择比意味着刻蚀工艺能高度选择性地去除目标材料,而几乎不损伤掩模和停止层。这是实现复杂三维结构(如FinFET的鳍式结构、3D NAND的存储孔)的基石。