溼法刻蝕 (Wet Etch)

3 秒看懂

一句話定義：用液態化學試劑（刻蝕液）與晶圓表面材料發生化學反應，選擇性地溶解去除目標薄膜或殘留物的工藝。

核心關鍵詞：化學反應 · 液相各向同性（主流） · 高選擇比 · 低成本 · 清洗/刻蝕雙角色

為什麼重要：幾乎每一層薄膜沉積前後都需要溼法清洗或刻蝕，它在先進邏輯晶片的單片工藝中出現 數百次，是使用頻次最高的製程步驟之一。

3 分鐘產業解釋

做什麼

半導體晶圓在製造過程中會經歷數十到上百道薄膜沉積與圖形化步驟。溼法刻蝕的職責是：

選擇性去除薄膜：用特定化學溶液只溶解目標材料（如用氫氟酸 HF 去除 SiO₂），而對襯底或掩模幾乎不損傷（高選擇比）。
清洗去殘（Wet Clean）：去除光刻膠殘渣、有機/金屬汙染、氧化層等。嚴格來說”溼法清洗”和”溼法刻蝕”在裝置端往往共用同一類機臺，化學藥液體系高度重疊。
平坦化輔助 / Lift-off：部分工藝中作為輔助步驟。

與”幹法刻蝕”的關係

維度	溼法刻蝕 (Wet Etch)	幹法刻蝕 (Dry Etch)
介質	液態化學藥液	等離子體 / 氣態反應物
方向性	各向同性為主（側向掏蝕）	可各向異性（離子輔助）
解析度	受限於 undercut，難以做亞微米精細圖形	可做到數奈米線寬
選擇比	通常很高（可達 100:1 甚至更高）	相對較低，需精密調控
成本	裝置便宜、耗材主要是化學品	裝置昂貴、RF 源/真空系統
典型場景	清洗、整片氧化層剝離、殘膠去除、犧牲層釋放	圖形化刻蝕、高深寬比溝槽、FinFET 側牆

產業定位：溼法刻蝕/清洗裝置約佔晶圓製造裝置總支出的 5%–8% [行業估算口徑，各報告定義邊界不同]，但其使用頻次極高，屬於”低單價、高頻率”的基礎工藝。

15 分鐘專家深入

1. 溼法刻蝕的化學本質

溼法刻蝕本質是 液-固介面的氧化還原反應或絡合溶解反應。以最常見的幾種體系為例：

HF 刻蝕 SiO₂：HF 與 SiO₂ 反應生成可溶性的 H₂SiF₆（六氟矽酸），反應式簡寫為：
```
SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O
```
純 HF 刻蝕速率極快且難以控制，工業中常使用 緩衝氧化物刻蝕液（BOE, Buffered Oxide Etch），即 NH₄F + HF 的混合液，NH₄F 提供 F⁻ 緩衝，穩定刻蝕速率。
熱 H₃PO₄ 刻蝕 Si₃N₄：在約 160–180°C 的磷酸中，Si₃N₄ 被水解溶解，而 SiO₂ 的刻蝕速率極低，利用此選擇比差異實現氮化矽的去除。
SPM / Piranha（H₂SO₄ + H₂O₂）：強氧化性混合液，主要用於去除有機殘餘物和光刻膠。
SC-1（NH₄OH + H₂O₂ + H₂O）：鹼性氧化性清洗液，去除顆粒和有機汙染，同時可控地生長/去除一薄層化學氧化物。
SC-2（HCl + H₂O₂ + H₂O）：去除金屬離子汙染。
KOH / TMAH 刻蝕單晶矽：各向異性刻蝕——沿不同晶向的刻蝕速率差異很大（(111)面速率遠低於(100)面），可刻出確定角度的 V 形槽或懸空微結構，廣泛用於 MEMS。

2. 各向同性 vs 各向異性

絕大多數溼法刻蝕是各向同性的——化學反應不區分方向，水平和垂直的刻蝕速率基本相同。這意味著圖形邊緣會出現 側向掏蝕（undercut / lateral etch），undercut 量約等於刻蝕深度。

          掩模 (Mask)
  ┌───────────────────────┐
  │                       │
──┤  ← undercut          ├──  刻蝕前
  │                       │
  └───────────────────────┘
          目標薄膜 (Film)
===============================  襯底

  刻蝕後：

  ┌───────────────────────┐
  │       掩模            │
──┤  ┌─────────────┐      ├──
  │  │             │      │
  │  └─────────────┘      │
  └───────────────────────┘
     ↑ 側向掏蝕區域

各向同性的特點決定了溼法刻蝕 不適合定義精細的亞微米圖形——在先進節點（≤28nm）中，圖形定義幾乎完全交給幹法刻蝕（等離子刻蝕），溼法主要承擔”非圖形化”角色：清洗、全片剝膜、犧牲層釋放等。

例外：單晶矽在鹼性溶液中的各向異性刻蝕（KOH、TMAH）是 MEMS 工藝的核心手段。

3. 關鍵工藝引數

引數	含義	典型影響
刻蝕速率（Etch Rate）	單位時間去除厚度（Å/min 或 nm/min）	速率越高→產能越高，但控制精度下降
選擇比（Selectivity）	目標材料刻蝕速率 / 其他材料刻蝕速率	選擇比越高→對襯底/掩模保護越好
均勻性（Uniformity）	晶圓內刻蝕速率的片內波動（%）	直接影響器件一致性
刻蝕液溫度	影響反應動力學	溫度每升高 10°C，速率可能翻倍（經驗法則）
藥液濃度	HF 濃度、H₃PO₄ 濃度等	與速率和選擇比直接相關
沖洗/乾燥	DI 水沖洗、IPA 乾燥、Marangoni 乾燥	控制水痕（water mark）、顆粒沾汙

4. 現代溼法工藝的挑戰

在先進製程節點（≤7nm / 5nm / 3nm），溼法工藝面臨全新挑戰：

圖案塌陷（Pattern Collapse）：當線寬縮小到幾十奈米、深寬比增大時，毛細力在液體蒸發過程中會導致細長結構倒塌。解決方案包括使用表面張力更低的溶劑（如 IPA）、超臨界 CO₂ 乾燥、或者 Marangoni 效應乾燥技術。
材料體系變化：High-K / Metal Gate 引入了對化學選擇比更苛刻的要求；GAA / nanosheet 架構中的犧牲層是整體 SiGe 層，溼法刻蝕通過高選擇比工藝（如含H₂O₂、HF等混合液）去除整個 SiGe 層以釋放矽奈米片。
化學純度要求：先進節點對金屬離子汙染的容忍度在 ppt（萬億分之一）級別，化學品的超純過濾和配送系統成為關鍵。
單片 vs 批次：傳統溼法裝置為批處理（batch，一次處理 50–200 片），先進製程越來越多采用單片（single-wafer）處理以獲得更好的均勻性和工藝控制。

技術原理

刻蝕機制：擴散-反應模型

溼法刻蝕的速率受兩個串聯環節控制：

  [藥液體相] → ① 擴散穿過液相邊界層 → [表面] → ② 表面化學反應 → 產物溶解

擴散控制（diffusion-limited）：當化學反應本身很快時，瓶頸是反應物穿過液相邊界層的擴散速度。此時攪拌強度、藥液流動對速率影響很大。
反應控制（reaction-limited）：當擴散很快、化學反應本身較慢時，速率主要由溫度和反應活化能決定。對溫度更敏感（阿倫尼烏斯關係）。

大多數工業溼法刻蝕處於 反應控制 或 混合控制 區間。

各向異性溼法刻蝕機制（以 KOH 刻蝕 Si 為例）

單晶矽在 KOH 溶液中，不同晶面的懸掛鍵密度和氧化速率不同：

{100} 面：刻蝕速率較快
{111} 面：刻蝕速率極慢（約為 {100} 的 1/100 ~ 1/400，視濃度和溫度）
{110} 面：介於兩者之間

這使得從 {100} 晶向的矽片表面刻蝕時，{111} 面自然成為”停止面”，形成 54.74° 的 V 形槽（因為 {111} 與 {100} 的夾角為 54.74°）。

       掩模開口
    ┌──┐    ┌──┐
    │  │    │  │
────┘  └────┘  └────  (100) 表面
      \    /          {111} 側壁
       \  /           54.74°
        \/             V 形槽底 (111) 面

核心化學體系速查

目標材料	刻蝕液	典型溫度	備註
SiO₂（熱氧/TEOS）	HF（稀）或 BOE (NH₄F:HF)	室溫~40°C	BOE 更可控；對 Si 選擇比極高
Si₃N₄	熱 H₃PO₄ (85%)	160–180°C	對 SiO₂ 選擇比約 10–30:1
Si（非選擇性）	HNO₃:HF:CH₃COOH (HNA)	室溫	HNO₃ 氧化 + HF 溶解氧化層，自催化
Si（各向異性）	KOH（30–45 wt%）或 TMAH	60–90°C	MEMS 核心工藝
有機殘渣/光刻膠	Piranha (H₂SO₄:H₂O₂) 或 SPM	120–160°C	強氧化性，注意安全
金屬顆粒/離子	SC-1, SC-2, DHF（稀 HF）	室溫~80°C	標準 RCA 清洗流程
Ge（在 SiGe 中）	H₂O₂ 或 HNO₃ 基溶液	視工藝	GAA 釋放步驟之一

注意：以上引數為業界通用知識範圍的典型值，具體配方屬於各 Fab 的工藝機密，實際濃度、配比、溫度曲線因工藝節點和廠商而異。

技術演進史

年代	里程碑	意義
1950s–60s	HF、HNO₃ 等基礎溼法刻蝕工藝確立	半導體制造初期唯一的刻蝕手段
1970s	RCA 標準清洗（SC-1 / SC-2）被髮明並廣泛採用	奠定了晶圓清洗的基本範式，沿用至今
1980s	BOE（緩衝氧化物刻蝕）普及，溼法裝置開始自動化	提高可控性與產能
1990s	單片旋轉式（Spin Processor）溼法裝置出現	從批處理向單片處理演進的開端
2000s	Marangoni 乾燥、IPA 蒸汽乾燥技術推廣	解決先進節點的水痕與顆粒問題
2005–2010	Single-wafer spray / streaming 溼法裝置成熟（如 TEL、SCREEN 的產品線）	更好的均勻性與工藝控制
2010s	MEMS、TSV（矽通孔）工藝推動各向異性溼法刻蝕復興	TMAH 等替代 KOH 以相容 CMOS
2015+	先進封裝（Fan-out、3D IC）大量使用溼法工藝（UBM 刻蝕、RDL、聚合物刻蝕等）	溼法在封裝領域的需求快速增長
2020s	GAA/nanosheet 架構對選擇性釋放刻蝕提出新要求；高深寬比清洗（如 HAR wet clean for DRAM）成為熱點	溼法工藝向更高選擇比、更精細控制方向演進

技術路線對比

溼法 vs 幹法刻蝕對比（量化參考）

指標	溼法刻蝕	幹法刻蝕（等離子）
方向性	各向同性（主流）	各向異性
最小特徵尺寸	受 undercut 限制，通常 > 0.5 µm 做圖形定義	< 5 nm（先進節點）
選擇比	高（SiO₂:Si 可 > 100:1）	一般 5:1–50:1，需最佳化
損傷層	無離子轟擊損傷	等離子可引入晶格損傷、充電損傷
裝置單價	相對低（數百萬美元級）	高（數百萬至千萬美元級）
產能	批處理可達很高（50–200 片/批）	通常單片或多片（有限）
化學耗材成本	化學品消耗大、廢液處理成本高	氣體消耗相對小
環境合規	廢酸廢鹼處理是 EHS 重點	含氟氣體排放管控
典型應用	清洗、全片剝膜、犧牲層釋放、MEMS、封裝	圖形化刻蝕、高深寬比結構、spacer

批處理 vs 單片溼法裝置對比

指標	批處理（Batch）	單片（Single-wafer）
每批片數	50–200 片	1 片
均勻性	片間差異較大	片內均勻性優異
化學品消耗	按批消耗，總量大	單片用量小
適用節點	≥ 28nm（清洗為主）	≤ 14nm 及先進封裝
裝置單價	較低	較高
代表廠商	SCREEN（批處理清洗龍頭）	TEL、Lam（單片平台）

上下游

上游（供應鏈）

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  超高純化學品                                           │
│  · HF、NH₄F、H₃PO₄、H₂SO₄、HCl、H₂O₂、NH₄OH 等       │
│  · 純度要求：SEMI C12 / ppt 級金屬雜質控制              │
│  · 供應商：Stella Chemifa、Kanto Chemical、              │
│    BASF、Entegris（化學品配送/過濾）、國內晶瑞電材等     │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  裝置零部件 / 子系統                                     │
│  · PFA / PTFE 管路與閥門（耐腐蝕）                       │
│  · 超純液體流量控制器、加熱器、旋轉臺                    │
│  · 化學品管理系統（CDS）與廢液處理系統                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  裝置製造                                               │
│  · SCREEN Semiconductor Solutions（日本）—— 全球溼法      │
│    裝置市佔率領先（批處理清洗領域）                       │
│  · Tokyo Electron (TEL) —— 單片溼法/清洗平台領先         │
│  · Lam Research —— 單片清洗平台                          │
│  · 北方華創、芯源微 —— 國產替代進展 [市佔率待驗證]       │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

下游（應用端）

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  前道晶圓製造（Front-End）                               │
│  · 標準清洗（RCA / 增強型 RCA / 先進清洗方案）           │
│  · 柵極氧化前清洗、外延前清洗、沉積前後清洗              │
│  · 全片氧化層/氮化層剝離                                 │
│  · High-K / Metal Gate 工藝中的選擇性刻蝕               │
│  · GAA nanosheet 釋放中的選擇性溼法刻蝕                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  後道封裝（Back-End / Advanced Packaging）               │
│  · RDL（再佈線層）金屬刻蝕                               │
│  · UBM（凸點下金屬層）刻蝕                               │
│  · 聚合物/PI 開口刻蝕                                    │
│  · TSV 銅暴露與 CMP 後清洗                               │
│  · Fan-out / 2.5D / 3D 封裝中大量使用                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│  MEMS / 功率半導體                                       │
│  · KOH/TMAH 各向異性矽刻蝕                               │
│  · 犧牲層釋放（如 HF 釋放 SiO₂ 犧牲層）                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

關鍵指標

指標	定義	先進水平參考
刻蝕速率	Å/min 或 nm/min	HF 刻 SiO₂：數百~數千 Å/min（取決於濃度/溫度）
選擇比	目標材料速率 ÷ 非目標材料速率	SiO₂:Si 可達 100:1+；Si₃N₄:SiO₂ 約 10–30:1
片內均勻性	(Max-Min)/(2×Mean) × 100%	先進單片裝置 < 2%（3σ）
顆粒增加	處理後晶圓新增顆粒數（>某尺寸）	先進裝置 < 10 顆/片（>28nm 顆粒）
金屬離子殘留	ppt 級	< 1×10¹⁰ atoms/cm²（個別關鍵金屬）
藥液使用壽命	槽液可使用時長/次數	取決於汙染負荷與濃度衰減
化學品消耗量	mL/片	單片裝置遠低於批處理

供需與市場資料

裝置市場規模

全球溼法刻蝕/清洗裝置市場：估計約 50–70 億美元/年 [綜合多家行業報告估算，包含溼法刻蝕+溼法清洗，口徑因機構而異]。
在晶圓製造裝置總支出中佔比約 5%–8%（2023 年全球 WFE 市場約 900–1000 億美元 [SEMI 資料範圍]）。
隨著先進封裝產能擴張，封裝側溼法裝置需求增速可能高於前道。

競爭格局

廠商	優勢領域	市場地位
SCREEN（日本）	批處理清洗、單片清洗	溼法/清洗裝置全球市佔率領先 [具體份額未充分公開]
TEL（東京電子）	單片清洗平台	清洗裝置市佔率第二梯隊
Lam Research	單片清洗（EOS / Sense.i 平台）	在先進節點清洗份額增長
北方華興/芯源微等	國產替代	成熟製程領域逐步放量，先進製程待驗證

化學品市場

超高純溼法化學品全球市場約 20–30 億美元/年 [行業估算]。
隨著節點推進，化學品純度要求不斷提高（從 ppb 級到 ppt 級），推動高純化溢價。

代表公司與資本對映

類別	公司	程式碼	核心關聯
裝置	SCREEN Holdings	7735.T	全球溼法/清洗裝置龍頭
裝置	Tokyo Electron (TEL)	8035.T	單片清洗平台
裝置	Lam Research	LRCX	先進清洗裝置
裝置	北方華創	002371.SZ	國產溼法裝置（部分產品線）
裝置	芯源微	688037.SH	國產塗膠顯影+溼法裝置
裝置	至純科技	603690.SH	溼法裝置
化學品	晶瑞電材	300655.SZ	超純 HF 等
化學品	江化微	603078.SH	超純試劑
化學品	Stella Chemifa	4109.T	高純 HF 全球龍頭
化學品	Entegris	ENTG	化學品配送/過濾系統

投資邏輯

核心驅動

先進封裝爆發：HBM（高頻寬儲存器）、CoWoS、Fan-out 等先進封裝工藝中，溼法刻蝕/清洗步驟需求量顯著高於傳統封裝，是當前最確定的增長驅動力。
清洗步驟指數級增長：先進邏輯節點的工藝步驟數持續增加，清洗步驟的增幅更大（因每一步沉積/刻蝕前後都可能需要清洗），推動溼法裝置需求增長。
GAA / nanosheet 架構：新架構中的選擇性釋放刻蝕對溼法工藝提出更高要求，可能帶來裝置升級換代需求。
國產替代：中國半導體裝置自主化背景下，國產溼法裝置在成熟製程（≥28nm）已有一定市佔率，逐步向更先進節點滲透。

風險與制約

溼法裝置技術壁壘相對幹法裝置（刻蝕機、薄膜裝置）較低，競爭格局更分散，國產替代難度也相對較小——但同時意味著定價權和獲利率可能低於其他裝置品類。
化學品耗材市場高度依賴進口（尤其高純 HF），供應鏈安全是關注點。
批處理溼法裝置市場趨於成熟，增量更多來自單片裝置和先進封裝領域。

常見誤讀糾偏

❌ 誤讀 1：“溼法刻蝕已經被幹法刻蝕完全取代了”

糾偏：幹法刻蝕在 圖形化刻蝕 領域確實已成為主流（定義線條/孔洞/溝槽），但溼法刻蝕/清洗在整個半導體制造中不僅沒有被取代，其使用頻次反而在增加。每一片晶圓在前道工藝中可能經歷 上百次 溼法清洗步驟。在 MEMS、先進封裝等領域，溼法刻蝕仍然是核心工藝。幹法和溼法是 互補關係，不是替代關係。

❌ 誤讀 2：“溼法刻蝕就是用 HF 刻氧化層”

糾偏：HF 刻蝕 SiO₂ 只是溼法刻蝕最廣為人知的一種應用。實際上溼法刻蝕包含多種化學體系，涵蓋氧化物、氮化物、矽、金屬、聚合物等幾乎所有材料。RCA 清洗（SC-1/SC-2）、Piranha、KOH 刻矽、H₃PO₄ 刻氮化物等都是溼法工藝的重要組成。

❌ 誤讀 3：“溼法刻蝕精度低，所以不重要”

糾偏：雖然溼法刻蝕在定義精細圖形方面確實不如干法刻蝕，但 “精度” 的維度不止線寬。在 選擇比（只刻目標、不傷襯底）、損傷控制（無離子轟擊）、顆粒去除 等維度，溼法工藝的能力遠超幹法。先進節點的清洗方案設計是製程良率的核心變數之一。

❌ 誤讀 4：“溼法裝置技術含量低，沒有投資價值”

糾偏：先進溼法裝置在化學品精準配送、溫度控制（±0.1°C 級別）、乾燥技術（Marangoni / 超臨界 CO₂）、化學回收/再利用、智慧化濃度監控等方面的技術門檻正在不斷提高。SCREEN 等龍頭的毛利率和市場份額並不低。先進封裝拉動的需求增長也在重塑這一細分賽道的投資邏輯。

學習路徑

入門（0-2h）
  ├── 理解溼法 vs 幹法的基本區別
  ├── 掌握幾種核心化學反應（HF+SiO₂, H₃PO₄+Si₃N₄, RCA清洗）
  └── 推薦：《半導體制造技術》(Peter Van Zant) 相關章節

進階（2-10h）
  ├── 深入 BOE / SPM / SC-1 / SC-2 的化學機理與引數影響
  ├── 理解各向異性刻蝕（KOH/TMAH）的晶向依賴
  ├── 學習圖案塌陷機制與乾燥技術
  └── 推薦：各裝置廠商（SCREEN, TEL, Lam）的技術白皮書

專家（10h+）
  ├── 先進節點清洗方案設計（序列最佳化、化學選擇比組合）
  ├── GAA/nanosheet 中選擇性釋放刻蝕工藝
  ├── 先進封裝中的溼法工藝（RDL, UBM, TSV）
  ├── 化學品供應鏈與超純化技術
  └── 推薦：IEEE/ISSDM 會議論文、SEMI 標準文件、各Fab內部工藝規格（通常不公開）

一句話總結

溼法刻蝕是半導體制造中使用頻次最高的基礎工藝——它不靠等離子體、不畫精細圖形，但憑藉化學選擇比高、無損傷、成本低的優勢，在清洗、剝膜、釋放和先進封裝中不可替代，且隨著工藝複雜度提升和先進封裝爆發，其需求正在加速增長。

延伸閱讀與來源

Peter Van Zant，《Microchip Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing》—— 溼法工藝入門經典教材。
SEMI Standards：SEMI C12（超純水與化學品純度標準）系列，瞭解化學品規格要求。
SCREEN Holdings 年報與技術資料：[screen.co.jp] —— 瞭解批處理/單片溼法裝置的技術演進。
Tokyo Electron (TEL) 技術介紹頁：清洗裝置產品線。
Lam Research 技術部落格與投資者日材料：先進清洗方案（如 EOS 平台）。
ISSDM / ECS Meeting 會議論文：溼法刻蝕/清洗的前沿研究（如超臨界 CO₂ 乾燥、HAR 清洗）。
SEMI 行業報告（World Fab Forecast 等）：裝置市場規模與資本支出資料。
各券商半導體裝置行業深度報告：裝置細分市場份額、國產替代進度。

免責宣告：本頁內容為技術學習材料，部分市場資料為行業估算值，已標註估算口徑。具體投資決策請參考最新官方財報、行業報告及專業機構分析。