起：
雕刻的极限硅片，而是一层胶，之后还要以这层图形化的光刻胶为模板，来刻出芯片上的各种结构，这种光刻后利用化学或物理的手段是什么？加入我们有钱有时间，可以在实验室的超低温环境下，用扫描隧道显微镜的探针，把一个个原子排成爱你的形状。但如果既要满足工业量产的速度，又能兼顾微观层面的精度，那就只有先光刻，再刻蚀。
今天讲讲芯片的减肥和瘦身，上一季我们讲解了光刻的基本流程，也就是在硅片上旋涂一层胶体，然后经过光刻机曝光，和显影冲洗，把集成电路版图印在光刻胶上，因此光刻机所刻的不是，对硅片本体精雕细琢的过程，就叫刻蚀Etching.
湿法刻蚀：
刻蚀技术可以分为两类，一是使用液态化学品的湿法刻蚀（Wet etch),让硅片在强酸强碱的泡澡淋浴中定量减肥，二是使用气体等离子体的干法刻蚀（Dry etch),让硅片在化学气体的离子轰击下局部瘦身，
其中湿法刻蚀的技能早就被人类点亮，比如中世纪的欧洲人，会用酸性溶液，在金属盔甲上蚀刻雕花，明代的《格古要论》中，也有记载，凡刀剑器，打磨光净，用金丝矾矾之，其花（纹）则见。明朝人说的金丝矾就是一种硫酸盐，因此当历史进入集成电路的时代，工程师们首先想到的也是利用各种酸碱的腐蚀性，来大规模地刻出芯片，制程工艺中的刻蚀之名，由此产生。
然而和甲胄兵刃不同，芯片上不只有金属，还有硅，氧化硅，碳化硅，氮化镓等各种介质，想在它们身上雕花要困难得多，举个例子，硅作为一种半导体，性质比金属稳定，一般的强酸它不吃，要想腐蚀硅就只能酸上加酸，比如浓硝酸加氢氟酸，让硅首先被硝酸氧化成二氧化硅，再被氢氟酸溶解去除，同时为了防止硝酸的氧化分解，溶液中还会额外加一些醋酸（乙酸），
这种三酸混合液绝对不能拿来蘸饺子，里面的氢氟酸极其危险，接触皮肤后，会迅速渗入组织，侵蚀骨骼，因此氢氟酸在民间，有一个更响亮的俗名——“化骨水”，但它不可以制造无骨凤爪，只能用来制造芯片，万一在刻蚀中，不慎接触高浓度氢氟酸，必须大量冲洗后，去医院做紧急处理，轻则拔指甲，重则截肢，这不是在给你上刑，这是在清毒救命，所以手搓芯片的活，还是留给厂商去做吧，芯片厂中的湿法刻蚀，是不是只要吧光刻后的硅片浸泡在酸槽里，坐等灭有光刻胶保护的部位，被腐蚀掉就可以了呢？看上去如此，但没那么简单。
刻蚀指标：
刻蚀中有三个关键指标：刻蚀速率，选择比和方向性，其中刻蚀速率指的是，物质被溶解的速度，通常用每分钟损失多少微米的厚度来计量。在芯片制程中，一个部位的刻蚀深度，通常是用刻蚀时长来控制的，因此保证一个精确且恒定的刻蚀速率非常重要，而这对于刻蚀液的纯度，配比，和浓度变化的要求很高，
比如前面提到刻蚀硅的“三酸化骨水”，业内的名字是HNA溶剂，刻蚀速率高达每分钟480微米，一张硅片放下去两分钟，即便是平常最喜欢捞的我，也捞不起来了，所以刻蚀液的配比很讲究，要根据工艺需求做调整，比如在HNA中加大硝酸的比例，有助于表面充分氧化再被腐蚀，刻蚀后的硅片会更光滑，反之加大氢氟酸的比例，刻蚀速度更快，表面会更加粗糙；
其次温度和搅拌也会影响刻蚀速率，在我们做刻蚀的酸槽中，会配备加热和搅拌功能，毕竟湿法刻蚀本质上是一种化学反应，对于温度很敏感，5度的温差足以让速率减半，因此生产中的温度控制很重要，否则同样的刻蚀工序，可能东北的硅片出锅了，四川的硅片不见了，
另外为了让化学刻蚀来得更加猛烈，有时还要上更多的物理buff,比如使用超声波装置产生机械波来摇晃刻蚀溶液，让液体在不间断的高频振动中，被持续压缩和释放，产生大量微小的空泡，这就是空穴现象（Cavitation).
常见的例子是船舶螺旋浆，当桨叶在水下高速旋转时，就会受到泡泡攻击而产生磨损，因为这些空泡的生成和破裂，会释放能量，但在芯片制程中，控制好超声波的振幅和频率，就能利用直径合适的空泡，在刻蚀中带走硅片表面的杂质，比如我们在用刻蚀液，来清洗比较精密的芯片时，可以把高频超声波，换成振幅更小的兆频（Megasonic),来减弱空穴和共振效应，避免损伤微笑的器件结构，注意这里说的清洗，不是拿超纯水给硅片简单冲个澡，而是利用刻蚀溶液的腐蚀作用，洗掉硅片的一层皮，去除表面杂质，显现表面缺陷（defect），
这也是目前湿法刻蚀最广泛的应用，湿法清洗，但真正的刻蚀，重点不是“蚀”，而是“刻”，要想按照光刻胶的模板，给硅片做定点定向的雕刻，那刻蚀中除了刻蚀速率，还有两个重要的指标，选择比和方向性，
选择比很好理解，就是不同物质的刻蚀速率之比，假设硅和光刻胶的选择比是10：1，那么每刻掉10微米深的硅，就会损失1微厚的光刻胶，所以选择比越高，刻蚀就越省心越保险，比如在后段的金属刻蚀中，我们希望选择比尽量高，只腐蚀金属，而不会过度刻蚀到下层，影响已经做好的硅或氧化物结构，
各向异性：
选择比之外，刻蚀方向更重要，一般的湿法刻蚀没有方向，或者说是朝各个方向均匀腐蚀，这叫做各向同性，各项同性意味着只能挖坑，甚至会发生钻蚀，挖穿本应被光刻胶保护的区域，导致器件短路或开路，
而我们在设计芯片时，理想情况是没有横向腐蚀，让刻蚀只在一个方向上进行，这就叫各向异性，那如何在湿法刻蚀中，实现各向异性呢？这时各种酸性的化骨水就不好用了，工程师们开始用碱性的金属溶剂，比如氢氧化钾，它能够大幅降低横向腐蚀，实现一定程度的各向异性，
原理是利用单晶硅在不同晶向上，对氢氧化钾的耐腐蚀性不同，溶液在底部平面的腐蚀速度要比在侧面斜面强数百倍，所以在半导体生产的早期，这类碱金属溶剂，被用来做器件造型，比如纵向刻出功率晶体管的V型沟槽，但碱金属溶剂的缺点很明显，就是其中的金属离子，会影响期间的阈值电压，复杂点的芯片多刻几次就失效了，于是工程师们又开发出了各种不含金属的刻蚀液，比如TMAH溶剂，EDP溶剂，联氨溶剂，
特点是对芯片安全，但对于人类，一个比一个危险，简单介绍下这几种刻蚀溶剂。最安全的是TMAH（Tetramethy ammonium hydroxide),它比较好处，就是有点剧毒，主要成分四甲基氢氧化铵，是一种神经毒素，接触就可致死，对皮肤和黏膜附带灼烧效果，
除了刻蚀，TMAH也经常作为光刻后的显影液使用，在工厂和实验室用途广泛；然后是EDP溶剂，学名叫乙二胺邻苯二酚，其中乙二胺是一种毒，邻苯二酚是另一种毒，两者都是农药的常见成分，梦幻联动之后组成的EDP有剧毒，易挥发，还致癌，buff叠满，
最后是芯片厂里的终极武器，联氨，它不光剧毒，还易燃易爆炸，在被拿来刻蚀芯片之前，它经常给火箭做发射燃料，所以湿法工艺的工程师会告诉你：让人备受折磨的不光有爱情，还有Etching ,操作不规范，轻则中氢氟酸的化骨绵掌之毒，重则被联氨点火发射升天，
那介绍了这么多有用的试剂，但在目前主流的前端制程中，它们基本都被淘汰了，因为归根结底，基于化学反应的湿法刻蚀，只能尽量减少横向刻蚀，完全的各向异性它做不到，要在芯片制程的早期，器件结构比较粗糙，线宽间距也够大，刻蚀方向性差一点，问题还不大，但随着制程进入次微米级，湿法刻蚀就跟不上芯片的精度要求了，逻辑电路自然不用说，关键层需要纳米级的精密刻蚀，即便像DRAM之类相对粗糙的存储芯片，要刻出里面又窄又深的电容沟槽，也需要方向感极强的雕刻方法，这就是干法刻蚀，
干法刻蚀：
湿法用的是液体，干法用的则是气体，芯片厂每天消耗很多特种气体，其中很大一部分就用于刻蚀，这些气体在精确配比后，被通入反应腔内，再用电容或电感耦合的方式，让气体完全或部分电离，形成等离子体或离子束，经过电场加速，射向硅片进行刻蚀，这是一种兼具物理与化学属性的雕刻方式，
如果侧重化学攻击，可以通入更多氟碳类气体，牺牲一些方向性，来达到更好的选择比，如果侧重物理攻击，就通入更多惰性气体，比如氩气，主要用高能粒子，溅射硅片确保纵向刻蚀，但缺点是选择比较低，容易不分敌我，上下层一起穿透，所以干法刻蚀设备一般会配备终点检测功能，尽量避免过度刻蚀，或者更保险一点，我们在芯片上先额外沉积一层氮化硅之类的物质，用来作为停止层，
这里提到的沉积，是光刻与刻蚀之外，芯片制造的第三个重要工艺，这三者通常互相关联，所以关于干法刻蚀的更多细节，以及更先进的原子层刻蚀技术（ALE），我要等先讲完沉积原理，再来给你们讲解，
这里先做一个简单的总结，湿法刻蚀由于精度较差，只适用于很粗糙的制程，但它还是有优点的，比如价格便宜适合批量处理，酸槽里可以一次浸泡25张硅片，所以有些高校和实验室还在用湿法做器件，芯片厂里也会用湿法刻蚀来显露表面缺陷（defect)，腐蚀背面多晶硅，或者拆拆对家产品，做做逆向工程，
而在主流的芯片制程中，超过90%的芯片刻蚀都是干法，因为它的方向性好，气体配比和射频电源也能实现更精密的调控，至于缺点，抛开技术的复杂度不谈，主要有两个，一个是贵，一个是慢：一台进口刻蚀机的价格，数百万美元，那比光刻机是便宜多了，但是不同介质的刻蚀，需要买不同的刻蚀机，而且工艺中，刻蚀的时长远超光刻，毕竟人家是用光来刻嘛，因此产线上一台光刻机，要配多台刻蚀机，按照设备总成本来计算，两者的开销差不多。
国产替代：
最后按照节目惯例，来说说刻蚀环节的国产替代情况，先说结论，在光，积，蚀三大工艺领域，刻蚀部分的国产化非常不错，
首先是刻蚀需要的材料，包括湿法刻蚀的各种湿法化学品，以及干法刻蚀的各类特种气体，尽管市场仍然是欧美和日本的供应商占据着大头，但我国并不缺这类化学品的生产能力，提纯技术也在快速成长，目前电子级湿法化学品的国产率25%，以我们的生产效率，以后还会大幅提升，电子级特种气体的国产率较低，目前不到15%，但国内供应商也已经成功进入美光，英特尔，德州仪器这些一线大厂，未来可期，
另外是刻蚀设备：国内头部厂商的技术实力也不俗，比如中微公司的干法刻蚀机，已经通过台积电的5纳米产线认证，北方华创也有能用于14纳米的刻蚀设备，当然几纳米这样的数字，对于业内来说太虚了，更实在的是采购量，从近年国内大厂的设备招标情况来看，国产刻蚀机的比例在快速提升，达到了20%左右，
这是一个非常不错的成绩，毕竟刻蚀设备长久以来，被美日厂商所垄断，目前在国际市场上，泛林，应用材料和东京电子这三家大厂，仍然占据9成以上的份额，但对于半导体这样的重要领域，国产化的首要目标，不在于争夺市场，而在于掌握关键技术，提高话语权，不再仰人鼻息，受制于人，
结：
未来的刻蚀技术和光刻一样重要，共同决定着我们雕刻芯片的精度，尤其当晶体管制程进入纳米级，面临量子隧穿这样的物理极限，只在平面维度上继续缩小尺寸毫无意义，芯片开始变得越来越立体，
不论是Gate All Around这样三维的器件结构，还是3D NAND ,这样立体的层次堆叠，对于刻蚀技术的要求，会越来越高，不光要刻的小，还要刻的巧。
这一期讲怎么用刻蚀挖坑，下一期讲怎么用沉积填坑，等我们把离子注入氧化 金属说完，就可以尝试从零打造一个简单的晶体管了。
