干法刻蚀机原理及分类
作为长期接触半导体制造设备的从业者，我对干法刻蚀机的原理和分类有着深入的实操与认知，接下来我将以第一人称，把这份专业知识通俗地拆解开来，让大家清晰了解这款半导体制造中的“微观雕刻刀”。干法刻蚀机是半导体制程中不可或缺的核心设备，核心作用是将光刻工艺定义的图形，精准转移到晶圆表面的薄膜层上，尤其是在3nm及以下先进制程中，刻蚀步骤占比已超过50%，直接决定芯片的性能、良率和集成度，而它与湿法刻蚀最大的区别，就是无需液态化学溶液，全程在气态环境中完成刻蚀作业。
一、干法刻蚀机的核心工作原理
在我实际操作和研究过程中，发现干法刻蚀机的核心原理其实可以概括为“气态环境下的物理撞击与化学反应协同作用”，简单来说，就是用“气体离子炮弹”精准“削切”晶圆表面的目标材料，而非像湿法刻蚀那样“泡药水”腐蚀。具体来说，整个刻蚀过程我总结为三个关键步骤，每一步都环环相扣，缺一不可。
第一步，创造真空反应环境并通入刻蚀气体。我操作时会先将晶圆放入刻蚀机的反应腔室，通过真空泵将腔室抽至高度真空状态，这样做既能避免空气中的杂质干扰刻蚀精度，也能让刻蚀气体均匀扩散。随后，根据被刻蚀材料的不同，我会选择合适的刻蚀气体——比如刻蚀硅材料时常用SF₆，刻蚀二氧化硅时会搭配O₂，这些气体在常态下化学性质相对稳定，但进入真空腔室后，会在能量激发下发生变化。
第二步，激发等离子体，产生活性刻蚀粒子。这是干法刻蚀的核心环节。我会通过射频电源、微波等能量源，向真空腔室中的刻蚀气体施加能量，让气体分子发生电离和解离，形成等离子体。这种等离子体并非我们日常所见的物质形态，而是由带正电的离子、带负电的电子，以及具有高度化学活性的中性原子、分子（自由基）组成的混合体系，就像一团“带电的高能气体云”。其中，正离子和自由基是完成刻蚀的关键“主角”——自由基化学活性极强，能快速与被刻蚀材料发生化学反应；正离子则会在电场的引导下，定向轰击晶圆表面。
第三步，物理撞击与化学反应协同，完成图形刻蚀并排出产物。当等离子体中的正离子在电场作用下加速撞击晶圆表面时，会将晶圆表面目标区域的材料原子击出，这是物理刻蚀的作用，能保证刻蚀的方向性（也就是各向异性），避免侧向钻蚀；同时，等离子体中的自由基会与晶圆表面的目标材料发生化学反应，将不挥发的固体材料转化为挥发性的气体产物。最后，我会通过真空泵将这些挥发性产物及时抽出腔室，避免其残留影响刻蚀精度。整个过程中，我需要精准调控能量大小、气体配比、真空度等参数，才能实现纳米级的精细刻蚀，比如多晶硅蚀刻的侧壁垂直度，就需要控制在89°以上。
这里我还要补充一点，干法刻蚀之所以能取代湿法刻蚀成为先进制程的主流，核心就是它能实现各向异性刻蚀——湿法刻蚀的化学溶液会向各个方向均匀腐蚀，容易出现底切现象，导致图形线宽失真，无法满足高精度需求；而干法刻蚀通过物理撞击的方向性，能精准控制垂直方向的刻蚀，完美解决了这一问题。
二、干法刻蚀机的分类
在实际工作中，我接触过多种类型的干法刻蚀机，根据不同的分类标准，分类方式也有所不同，但最常用、最核心的分类方式有两种：一种是按刻蚀机制（物理、化学作用占比）分类，另一种是按等离子体产生方式（设备结构）分类。接下来，我结合自己的实操经验，分别给大家介绍每一类的特点和适用场景。
（一）按刻蚀机制分类（核心分类，我实操中最常区分）
这种分类方式，核心是看刻蚀过程中物理撞击和化学反应的占比，我将其分为纯物理刻蚀、纯化学刻蚀，以及物理-化学混合刻蚀三类，其中混合刻蚀是目前半导体制造中应用最广泛的类型。
1. 纯物理刻蚀（又称溅射刻蚀）
这类刻蚀机的刻蚀过程几乎完全依靠物理撞击，化学反应的作用可以忽略不计。我操作这类设备时，通常会通入氩气（Ar）等惰性气体，因为惰性气体化学性质稳定，不会与晶圆材料发生反应。在能量激发下，氩气形成等离子体，其中的正离子会在电场加速下，高速轰击晶圆表面，就像用足球用力踢旧土墙，让墙面碎片剥离一样，将目标材料的原子击出，从而完成刻蚀。
它的优点很明显，就是方向性极强，能实现完美的各向异性刻蚀，线宽控制精度高，适合对图形轮廓要求严格的场景；但缺点也很突出，刻蚀选择性极差——也就是说，它不仅会刻蚀目标材料，还会刻蚀掩膜（光刻胶）和下层材料，而且刻蚀速率较慢，还会对晶圆表面造成一定的物理损伤，反应副产物也多为非挥发性，容易累积在腔室内。目前这类设备我主要用于一些对选择性要求不高的简单制程，应用范围相对较窄。
2. 纯化学刻蚀（又称等离子体刻蚀）
与纯物理刻蚀相反，这类刻蚀机主要依靠化学反应完成刻蚀，物理撞击的作用微乎其微。我操作时会通入具有强化学腐蚀性的气体（如氟基、氯基气体），在能量激发下形成等离子体，其中的自由基会扩散到晶圆表面，与目标材料发生剧烈的化学反应，将目标材料转化为挥发性的气体产物，再通过真空泵抽出，从而实现刻蚀。
它的优点是刻蚀选择性极好，能精准识别目标材料和非目标材料，只刻蚀需要去除的部分，而且刻蚀速率快，对晶圆表面的物理损伤极小，腔室洁净度也更容易维持；但缺点是刻蚀方向性差，属于各向同性刻蚀，就像湿法刻蚀一样，会向侧向扩散腐蚀，容易出现底切现象，无法满足细线条、高精度的刻蚀需求。目前这类设备我主要用于不需要图形转换的步骤，比如光刻胶的去除，或者一些对精度要求不高的成熟制程。
3. 物理-化学混合刻蚀（应用最广泛，核心类型）
这类刻蚀机综合了纯物理刻蚀和纯化学刻蚀的优点，既利用物理撞击保证刻蚀的方向性，又利用化学反应提高刻蚀速率和选择性，是我日常工作中接触最多、应用最广泛的类型，也是半导体先进制程中的核心设备。其中，反应离子刻蚀（RIE）和高密度等离子体刻蚀（HDP）是最具代表性的两种。
以我最常用的反应离子刻蚀（RIE）为例，它通过在平行电极间施加射频功率产生等离子体，高频功率用于产生等离子体，低频功率用于控制离子能量，既能让正离子定向轰击晶圆表面，保证各向异性刻蚀，又能让自由基与目标材料发生化学反应，提高刻蚀速率和选择性。这种设备适用范围极广，可用于多种材料的刻蚀，尤其是在二氧化硅刻蚀方面，窄间隙平行板结构的RIE表现尤为出色。而高密度等离子体刻蚀（如ICP刻蚀），则能产生更高密度的等离子体，刻蚀精度和效率更高，适合3nm及以下先进制程的复杂图形刻蚀。
（二）按等离子体产生方式分类
除了按刻蚀机制分类，我在工作中也会根据等离子体的产生方式，将干法刻蚀机分为以下几类，每类设备的结构和适用场景各有侧重，我结合自己的实操体验给大家简要介绍：
1. 电容耦合等离子体刻蚀机（CCP）
这类设备也叫平行板刻蚀机，是我接触最早、应用最普遍的一种。它的结构相对简单，主要由两个平行排列的电极组成，我会将晶圆放置在下方的电极上，上方电极接地，通过向下方电极施加射频功率，在两个电极之间形成电场，从而激发刻蚀气体产生等离子体。它的工作压力通常在1-5Pa，等离子体密度约为10¹¹cm⁻³，通过调控射频功率和气体配比，就能实现对刻蚀过程的精准控制。
它的优点是结构简单、操作方便、成本相对较低，刻蚀均匀性较好，适合刻蚀二氧化硅、氮化硅等介质材料，以及一些简单的金属材料刻蚀；缺点是等离子体密度相对较低，刻蚀速率有限，在处理高深宽比结构时，效果不如高密度等离子体刻蚀机。另外，磁控RIE是它的一种改进型，通过施加磁场增强等离子体密度，但存在离子能量无法独立控制、均匀性较差的问题，随着晶圆直径增大，这些问题会愈发明显。
2. 电感耦合等离子体刻蚀机（ICP）
这类设备是目前先进制程中应用最广泛的高密度等离子体刻蚀机，也是我现在操作最多的设备之一。它的核心结构是一个缠绕在反应腔室外部的电感线圈，我通过向电感线圈施加射频功率，产生交变磁场，进而激发腔室内的刻蚀气体产生高密度等离子体。它的工作压力也在1Pa左右，但等离子体密度可达10¹¹cm⁻³以上，而且能独立控制离子能量和等离子体密度，这是它的核心优势。
实操中我发现，它的刻蚀速率快、精度高，能实现高深宽比结构的精准刻蚀，而且刻蚀选择性好，对掩膜和下层材料的损伤极小，尤其适合栅极、硅（如浅沟槽隔离）和铝线等导电材料的刻蚀，是5nm及以下FinFET制程的核心刻蚀设备。另外，它无需大型电磁线圈，设备体积相对紧凑，维护也比较方便。
3. 电子回旋共振等离子体刻蚀机（ECR）
这类设备属于高精度刻蚀机，我只在一些对刻蚀精度要求极高的特殊制程中接触过。它利用2.45GHz微波和875G磁场，在特定条件下产生电子回旋共振，从而形成高密度、高纯度的等离子体。它的工作压力约为1Pa，等离子体密度可达10¹¹cm⁻³以上，而且能独立控制离子能量，刻蚀精度极高，非常适合精细图案的刻蚀。
但它也有明显的缺点，由于使用磁场，在刻蚀过程中容易导致晶圆充电损伤，虽然可以通过降低连接到晶圆台的射频发生器频率来缓解，但效果有限。另外，它的设备成本高、操作复杂，维护难度大，因此应用范围相对较窄，主要用于一些特殊的精密刻蚀场景，比如微机电系统（MEMS）的制造。
4. 桶式等离子体刻蚀机（早期设备）
这类设备是早期的干法刻蚀设备，我在一些老旧生产线中见过，现在已经基本被淘汰。它的结构非常简单，通过13.56MHz的射频功率，在石英管内产生等离子体，刻蚀过程相对简单。但它的刻蚀属于各向同性，精度很低，无法满足精细芯片电路图案的刻蚀需求，只能用于对精度要求不高的简单工艺，比如一些成熟制程中的光刻胶去除。
三、我对干法刻蚀机的实操总结
结合多年的实操经验，我认为干法刻蚀机的核心竞争力在于“精准可控”——无论是原理上的物理与化学作用协同，还是分类上的各类设备迭代，本质上都是为了满足半导体制程对刻蚀精度、速率、选择性的不断提升的需求。目前，混合刻蚀机制的设备（如RIE、ICP）占据了市场的主导地位，其中ICP刻蚀机更是凭借高密度等离子体、独立控能等优势，成为先进制程的核心选择。
另外，我也深刻体会到，操作干法刻蚀机不仅需要掌握其原理和分类，更需要精准把控各类工艺参数——比如偏压功率（典型范围50-300w）、气体配比（如SF₆/O₂=5:1）、真空度、温度等，任何一个参数的微小偏差，都可能影响芯片的良率。随着半导体制程向更先进的纳米级演进，干法刻蚀机也在不断迭代，未来会朝着更高精度、更高效率、更低损伤、更环保的方向发展，而我也会持续深耕，不断掌握新设备、新工艺的核心要点。
