图案化工艺包括曝光(Exposure)、显影(Develope)、刻蚀(Etching)和离子注入等流程。其中，刻蚀工艺是光刻（Photo）工艺的下一步，用于去除光刻胶（Photo Resist，PR）未覆盖的底部区域，仅留下所需的图案。这一工艺流程旨在将掩模（Mask）图案固定到涂有光刻胶的晶圆上（曝光→显影）并将光刻胶图案转印回光刻胶下方膜层。
随着电路的关键尺寸（Critical Dimension, CD）小型化（2D视角），刻蚀工艺从湿法刻蚀转为干法刻蚀，因此所需的设备和工艺更加复杂。由于积极采用3D单元堆叠方法，刻蚀工艺的核心性能指数出现波动，从而刻蚀工艺与光刻工艺成为半导体制造的重要工艺流程之一。
图1. 沉积和刻蚀技术发展趋势
在晶圆上形成“层（Layer）”的过程称为沉积（化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）和物理气相沉积（PVD）），在所形成的“层“上绘制电路图案的过程称为曝光。刻蚀是沉积和曝光工艺之后在晶圆上根据图案刻化的过程。光刻工艺的作用类似于画一张草图，真正使晶圆发生明显变化的是沉积和刻蚀工艺。
自从半导体出现以来，刻蚀和沉积技术都有了显著发展。而沉积技术最引人注目的创新是从沟槽法（Trench）转向堆叠法（Stack），这与20世纪90年代初装置容量从1兆位（Mb）DRAM发展成4兆位（Mb）DRAM相契合。刻蚀技术的一个关键节点是在2010年代初，当时3D NAND闪存单元堆叠层数超过了24层。随着堆叠层数增加到128层、256层和512层，刻蚀工艺已成为技术难度最大的工艺之一。
图2. 小型化（2D）与刻蚀方法的发展
在2D（平面结构）半导体小型化和3D（空间结构）半导体堆叠技术的发展过程中,刻蚀工艺也在不断发展变化。在20世纪70年代，2D半导体为主流，电路关键尺寸（CD）从100微米（㎛）迅速下降到10微米（㎛），甚至更低。在此期间，半导体制造流程中的大部分重点工艺技术已经成熟，同时刻蚀技术已经从湿法刻蚀过渡到干法刻蚀。
对于层切割技术，最先采用的是化学湿法，这是一种相对简单的技术。由于从20世纪70年代早期开始，化学湿法难以满足5微米（㎛）关键尺寸的要求，从而开发出利用等离子体的干法。发展到今天，刻蚀工艺大多采用干法，而湿法刻蚀技术后来发展应用于清洁过程。
图3. 湿法刻蚀和干法刻蚀的优缺点
湿法刻蚀因为使用液体速度更快，每分钟去除的深度更大，但不会形成类似于直方的结构。湿法刻蚀会均匀地刻蚀所有方向，从而导致横向方向上的损耗，而对于CD小型化应该避免这种现象。相反，干法刻蚀可以在某一特定方向上进行切割，使得实现理想中纳米（nm）级的超精细图案轮廓。
此外，湿法刻蚀会产生环境污染，因为使用过的液体溶液需在此工艺完成后进行丢弃处理。相比之下，采用干法刻蚀时，排放管线中会布置洗涤器，这能够在向大气中排放废气之前经过中和过程，从而减少对环境的影响。
然而，由于晶圆上方数多层复杂地缠绕在一起，所以在采用干法刻蚀过程中很难瞄准某一特定的层（膜）。在针对某一特定层进行刻蚀时，采用湿法刻蚀会更容易进行，因为它采用化学反应进行刻蚀。而在进行选择性刻蚀时使用干法并不容易，因为需要结合物理和化学技术。
图4. 刻蚀相关工艺流程
刻蚀工艺流程始于形成薄膜，在其上施加光刻胶，并进行曝光、显影、刻蚀、灰化、清洁、检查和离子注入等步骤，以形成三个Tr端子，这是半导体制造的核心工艺。如果在显影过程中不能顺利切割光刻胶，则剩余的光刻胶会妨碍刻蚀。如果在刻蚀过程中未能对目标层进行充分刻蚀，则不能按计划注入离子，因为杂质会妨碍离子注入。如果干法刻蚀后未能彻底清除残留的聚合物，也会产生同样的后果。如果由于时间控制失败，等离子体的离子气体量太大或薄膜刻蚀过度，会对下层薄膜造成物理性损伤。
因此，在干刻蚀工艺中精准控制终点（EOP：End of Point）至关重要。彻底检查刻蚀条件以及灰化和清洁过程也非常重要。如果晶圆刻蚀不均匀，则晶圆可能遭到退货，而且刻蚀不足比过度刻蚀更为致命。
由于刻蚀工艺涉及的步骤非常复杂，我打算将其分为两部分进行阐述。在这一部分中，我们阐述了刻蚀技术的历史和发展方向。在下一部分中，我们将对等离子体和刻蚀之间的关系、RIE、刻蚀方法、纵横比以及刻蚀速度进行详细阐述。
早期的湿法刻蚀促进了清洁（Cleansing）或灰化（Ashing）工艺的发展。而在如今，使用等离子体（Plasma）的干法刻蚀（Dry Etching）方法已经成为主流刻蚀工艺。等离子体由电子、阳离子和自由基（Radical）粒子组成。在等离子体上施加的能量使中性状态下的源气体最外层电子发生剥离，从而将这些电子转化为阳离子。
此外，还可以通过施加能量来剥离分子中不完美的原子，形成电中性的自由基。干法刻蚀利用构成等离子体的阳离子和自由基，其中阳离子具有各向异性（适用于某一方向上的刻蚀），自由基具有各向同性（适用于所有方向上的刻蚀）。自由基的数量要远远超过阳离子的数量。
在这种情况下，干法刻蚀本应该像湿法刻蚀一样具有各向同性。然而，正是干法刻蚀的各向异性刻蚀使超小型化电路成为可能。这是什么原因呢？另外，阳离子和自由基的刻蚀速度非常慢，那么面对这一缺点，我们又该如何将等离子体刻蚀方法应用到批量生产上呢？
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