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等離子體蝕刻技術(shù)在半導(dǎo)體制造工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，本對(duì)其進(jìn)行介紹，分述如下：

等離子體脈沖蝕刻技術(shù)

原子層蝕刻技術(shù)

帶狀束方向性蝕刻技術(shù)

氣體團(tuán)簇離子束蝕刻技術(shù)

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等離子體脈沖蝕刻技術(shù)

等離子體脈沖蝕刻技術(shù)通過周期性地開啟和關(guān)閉功率，形成一系列的脈沖循環(huán)。一個(gè)完整的等離子體脈沖蝕刻循環(huán)通常包括以下四個(gè)階段：

(1) 功率激發(fā)初始階段

在功率啟動(dòng)的初始階段，電子溫度迅速上升，同時(shí)電子和離子密度開始增加。在晶圓附近，會(huì)逐漸形成一個(gè)鞘層，但整體狀態(tài)尚未達(dá)到穩(wěn)定。此階段，功率處于最大值，但電子密度仍然較低。高功率激發(fā)了高的平均電子能量、等離子體電位和離子能量，然而，由于電子和離子密度較低，晶圓表面的離子通量也相對(duì)較小。

(2) 功率激發(fā)穩(wěn)定階段

進(jìn)入穩(wěn)定階段后，電子密度、電子溫度、離子密度和等離子電位等參數(shù)均趨于穩(wěn)定，其數(shù)值與連續(xù)等離子體蝕刻狀態(tài)基本相當(dāng)。這個(gè)階段與連續(xù)等離子體蝕刻過程具有許多相似之處。

(3) 功率關(guān)閉初始階段

當(dāng)功率關(guān)閉時(shí)，感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)電子的加熱停止。然而，電子仍然會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散到基體側(cè)壁或與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞，釋放能量并導(dǎo)致電子溫度急劇下降。同時(shí)，等離子體電勢(shì)、正離子能量和通量也會(huì)大幅下降，接近晶圓表面的離子鞘層開始崩塌。

(4) 功率關(guān)閉后期階段

在功率關(guān)閉的后期階段，電子密度降至最小值，主要帶負(fù)電荷的粒子由電子轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)離子。此時(shí)，等離子體組成成分轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子和負(fù)離子狀態(tài)，正負(fù)離子通量基本相同。接近晶圓表面的鞘層崩塌，大量負(fù)離子能夠到達(dá)基體底部，平衡正電荷的積聚，為下一個(gè)功率激發(fā)初始階段的蝕刻過程提供足夠的正離子通量。

優(yōu)化脈沖等離子體蝕刻過程

為了優(yōu)化脈沖等離子體蝕刻過程，需要精確控制到達(dá)基體表面的各種粒子通量，如反應(yīng)基團(tuán)、離子和光子通量。其中，通過電子能量分布（EED）控制電子與通入氣體分子的碰撞過程和解離產(chǎn)物是一種非常重要的手段。

在傳統(tǒng)的連續(xù)等離子體蝕刻過程中，電子能量分布基本處于恒定狀態(tài)。然而，在等離子體脈沖蝕刻過程中，由于功率是以脈沖形式施加的，電子的產(chǎn)生和消耗之間的平衡需要在脈沖過程中維持。因此，可以通過調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率等參數(shù)來優(yōu)化電子能量分布。

電子能量分布對(duì)反應(yīng)速率的影響

在等離子體中，電子撞擊中性原子或分子會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)粒子。當(dāng)電子能量高于反應(yīng)激活能時(shí)，會(huì)參與激活、離子化和分解反應(yīng)過程。電子能量分布決定了反應(yīng)速率系數(shù)，進(jìn)而影響反應(yīng)速率。

等離子體脈沖技術(shù)能夠更有效地控制電子能量分布，從而在脈沖過程中使電子處于不平衡狀態(tài)，影響電子能量分布的即時(shí)行為。這有助于更好地控制中性粒子和離子的通量比值、解離速率和電子溫度。此外，通過改變電子能量分布形狀，還可以有效控制反應(yīng)速率參數(shù)，進(jìn)而影響電子參與的激發(fā)、離子化和解離過程。

離子能量分布對(duì)蝕刻過程的影響

離子通過撞擊基體表面，能夠有效地將能量和動(dòng)量傳遞給基體，從而協(xié)助表面化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)濺射過程。離子的通量和能量以及表面參與的反應(yīng)速率主要由離子能量分布（IED）決定。離子能量分布在很大程度上決定了蝕刻后側(cè)壁輪廓、縱向和橫向相對(duì)蝕刻速度以及等離子體誘導(dǎo)損傷。

在等離子體脈沖蝕刻技術(shù)中，可以通過同步脈沖對(duì)離子能量分布進(jìn)行有效控制。使離子能量分布范圍變窄，且波峰值相對(duì)于連續(xù)等離子體蝕刻過程較低。這有助于在阻擋層蝕刻閥值能量比蝕刻層高的條件下獲得非常高的選擇比，并減小等離子體誘導(dǎo)損傷。

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原子層蝕刻技術(shù)

原子層蝕刻技術(shù)是一種高精度的蝕刻方法，其特點(diǎn)在于每個(gè)蝕刻循環(huán)中的蝕刻量（Etch per Cycle, EPC）是固定的，因此蝕刻總量可以通過循環(huán)次數(shù)來控制。圖2.28展示了三個(gè)原子層蝕刻循環(huán)的過程。

原子層蝕刻的循環(huán)特性

在原子層蝕刻中，蝕刻過程具有自限制性或準(zhǔn)自限制性行為。隨著蝕刻時(shí)間的增加，每個(gè)循環(huán)中的蝕刻量最終會(huì)趨于飽和。這種自限制性行為使得蝕刻快的區(qū)域和蝕刻慢的區(qū)域最終的蝕刻量逐漸接近，從而顯著改善了整片晶圓上不同位置和不同圖形間的蝕刻均勻性。

相比之下，連續(xù)等離子體蝕刻過程則缺乏自限制性行為，蝕刻量與蝕刻時(shí)間成正比。而具有準(zhǔn)自限制性行為的原子層蝕刻過程，則隨著蝕刻時(shí)間的增加，每個(gè)循環(huán)中的蝕刻速率逐漸變慢，但蝕刻量不會(huì)最終趨于飽和。準(zhǔn)自限制性蝕刻結(jié)合了自限制性蝕刻和連續(xù)等離子體蝕刻的優(yōu)點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)高精度蝕刻，又能提高蝕刻速率和生產(chǎn)效率。

其他實(shí)現(xiàn)原子層蝕刻的方法

除了在等離子體蝕刻機(jī)臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的一站式原子層蝕刻方法外，還可以通過其他方法來實(shí)現(xiàn)原子層蝕刻。例如，對(duì)三五族材料進(jìn)行原子層蝕刻的方法，該方法包括表面氧化和氧化物去除兩個(gè)步驟。表面氧化過程可以通過過氧化氫等氧化劑或在氧氣等離子體的作用下形成氧化層，然后通過稀釋的硫酸等酸性溶液來去除氧化層。重復(fù)這兩個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)小于1nm級(jí)別的精確蝕刻。這種方法也稱為數(shù)字刻蝕（Digital Etch）。

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帶狀束方向性蝕刻技術(shù)

帶狀束方向性蝕刻（Directed Ribbon-beam Etch）是一種創(chuàng)新的等離子體蝕刻技術(shù)，它結(jié)合了等離子體蝕刻和離子束注入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在特定方向上對(duì)晶圓上的圖案進(jìn)行精確修正和蝕刻。

這一技術(shù)對(duì)于超大規(guī)模集成電路（VLSI）制造來說具有極大的吸引力，因?yàn)樗峁┝藗鹘y(tǒng)蝕刻方法所不具備的單一方向蝕刻能力。

技術(shù)背景與優(yōu)勢(shì)

離子注入技術(shù)是VLSI生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，主要用于硅摻雜以形成MOSFET器件等。與傳統(tǒng)的離子注入機(jī)臺(tái)相比，帶狀束方向性蝕刻在圖形定義等方面取得了應(yīng)用。該技術(shù)不僅具有對(duì)離子能量、種類和入射角度的精確控制能力，還能夠通過改變物質(zhì)的抗蝕刻能力、光學(xué)特性等來實(shí)現(xiàn)材料改性。

機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

帶狀束方向性蝕刻機(jī)臺(tái)由兩個(gè)腔室組成：等離子體生成腔室和蝕刻反應(yīng)腔室。在等離子體生成腔室中，反應(yīng)氣體在外加電場(chǎng)的作用下通過電感耦合方式形成等離子體。蝕刻反應(yīng)腔室則包括晶圓掃描系統(tǒng)和晶圓靜電卡盤，用于固定晶圓并進(jìn)行蝕刻反應(yīng)。

在蝕刻反應(yīng)腔室中，晶圓與等離子體生成腔室之間有一個(gè)狹長(zhǎng)的開口，氣體和自由基會(huì)從等離子體產(chǎn)生腔室通過這個(gè)狹縫入射到晶圓上。晶圓被固定在靜電卡盤上，與狹縫保持一定距離。在電勢(shì)差的作用下，離子在通過狹縫后會(huì)具有可控的方向性入射到晶圓表面。

蝕刻特性與應(yīng)用

帶狀束方向性蝕刻技術(shù)具有顯著的單一方向蝕刻能力。在實(shí)驗(yàn)中，通過選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)氣體和入射角度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓上特定方向上圖案的精確蝕刻。例如，在FinFET電路中的金屬導(dǎo)線（M0）圖案形成過程中，該技術(shù)可以在不影響線寬的情況下增加溝槽的長(zhǎng)度，從而解決光阻曝光過程中的形變和短路問題。

與傳統(tǒng)的等離子體蝕刻方法相比，帶狀束方向性蝕刻具有更高的精度和更小的對(duì)另一個(gè)方向的影響。這使得該技術(shù)在圖形修正方面具有很好的應(yīng)用前景。例如，在溝槽蝕刻中，可以通過該技術(shù)來修正光阻圖形的尺寸，以滿足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用前景與展望

帶狀束方向性蝕刻技術(shù)在VLSI制造中具有廣泛的應(yīng)用前景。除了上述的FinFET電路中的金屬導(dǎo)線圖案形成外，該技術(shù)還可以在其他關(guān)鍵蝕刻步驟中得到很好的應(yīng)用。隨著器件尺寸的不斷縮小和工藝要求的不斷提高，帶狀束方向性蝕刻技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，帶狀束方向性蝕刻技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)，也需要進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)和蝕刻工藝參數(shù)，以提高生產(chǎn)效率和蝕刻精度。相信在不久的將來，這一技術(shù)將成為VLSI制造中的一部分。

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氣體團(tuán)簇離子束蝕刻技術(shù)

氣體團(tuán)簇離子束（Gas Cluster Ion Beam, GCIB）蝕刻技術(shù)是一種先進(jìn)的材料處理技術(shù)，它結(jié)合了物理和化學(xué)蝕刻的優(yōu)勢(shì)，并在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其價(jià)值。以下是關(guān)于氣體團(tuán)簇離子束蝕刻技術(shù)的詳細(xì)分析：

技術(shù)原理與特性

(1) 氣體團(tuán)簇的形成：

氣體團(tuán)簇是在物理或化學(xué)作用下，由幾個(gè)到數(shù)萬個(gè)原子或分子組成的相對(duì)穩(wěn)定的聚集體。

氣體團(tuán)簇可以通過多種方法產(chǎn)生，如氣體聚集、超聲膨脹、激光蒸發(fā)、磁控濺射、離子濺射、弧光放電、電噴射液態(tài)金屬法和氦液滴提取法等。

(2) 電離與加速：

氣體團(tuán)簇在電子的轟擊下可以電離化，形成帶電的氣體團(tuán)簇離子。

在電場(chǎng)的作用下，氣體團(tuán)簇離子可以獲得很高的動(dòng)能。

通過磁場(chǎng)的過濾作用，可以得到能量分布更為集中的氣體團(tuán)簇離子束。

(3) 能量分布優(yōu)勢(shì)：

與傳統(tǒng)等離子體蝕刻相比，氣體團(tuán)簇離子束中的每個(gè)粒子速度相同，平均能量較低，但能量分布更為集中。

這種特性使得氣體團(tuán)簇離子束在與目標(biāo)材料反應(yīng)時(shí)，不會(huì)對(duì)目標(biāo)材料的深層原子造成傷害，從而提高了蝕刻的精確性和可控性。

應(yīng)用領(lǐng)域

(1) 表面平滑處理：

氣體團(tuán)簇離子束可以去除材料表面的微小顆粒和粗糙度，實(shí)現(xiàn)表面的高精度平滑處理。

(2) 表面分析：

通過氣體團(tuán)簇離子束的轟擊，可以激發(fā)出材料表面的二次電子或離子，用于表面成分和結(jié)構(gòu)的分析。

(3) 淺層注入：

氣體團(tuán)簇離子束可以將材料注入到目標(biāo)材料的淺層中，用于改變材料的電學(xué)、磁學(xué)或光學(xué)性質(zhì)。

(4) 薄膜沉積：

利用氣體團(tuán)簇離子束的轟擊作用，可以在目標(biāo)材料表面沉積一層均勻的薄膜。

(5) 顆粒去除：

氣體團(tuán)簇離子束在去除晶圓等精密器件表面的微小顆粒方面表現(xiàn)出色，適用于半導(dǎo)體制造等高精度工藝。

(6) 蝕刻反應(yīng)：

氣體團(tuán)簇離子束可以在目標(biāo)材料表面激發(fā)多種物理和化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精確的蝕刻圖案。

具體應(yīng)用案例

(1) 晶圓表面顆粒去除：

在Kazuya等的研究工作中，CO2氣體團(tuán)簇離子束在去除晶圓表面微小顆粒方面取得了很好的結(jié)果。隨著摩爾定律的發(fā)展，氣體團(tuán)簇離子束的清潔能力在三維結(jié)構(gòu)的晶圓上依然有效。

(2) 室溫條件下對(duì)銅的蝕刻：

在醋酸蒸汽環(huán)境下，O2氣體團(tuán)簇離子束通過局部的加熱和轟擊作用，可以在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)室溫條件下對(duì)銅的蝕刻。這一特性促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并幫助蝕刻產(chǎn)物的解吸附作用。