等離子體蝕刻技術在半導體制造工業中扮演著至關重要的角色，本對其進行介紹，分述如下：

等離子體脈沖蝕刻技術

原子層蝕刻技術

帶狀束方向性蝕刻技術

氣體團簇離子束蝕刻技術

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等離子體脈沖蝕刻技術

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

(1) 功率激發初始階段

在功率啟動的初始階段，電子溫度迅速上升，同時電子和離子密度開始增加。在晶圓附近，會逐漸形成一個鞘層，但整體狀態尚未達到穩定。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較小。

(2) 功率激發穩定階段

進入穩定階段后，電子密度、電子溫度、離子密度和等離子電位等參數均趨于穩定，其數值與連續等離子體蝕刻狀態基本相當。這個階段與連續等離子體蝕刻過程具有許多相似之處。

(3) 功率關閉初始階段

當功率關閉時，感應電場對電子的加熱停止。然而，電子仍然會繼續擴散到基體側壁或與中性粒子發生非彈性碰撞，釋放能量并導致電子溫度急劇下降。同時，等離子體電勢、正離子能量和通量也會大幅下降，接近晶圓表面的離子鞘層開始崩塌。

(4) 功率關閉后期階段

在功率關閉的后期階段，電子密度降至最小值，主要帶負電荷的粒子由電子轉變為負離子。此時，等離子體組成成分轉變為正離子和負離子狀態，正負離子通量基本相同。接近晶圓表面的鞘層崩塌，大量負離子能夠到達基體底部，平衡正電荷的積聚，為下一個功率激發初始階段的蝕刻過程提供足夠的正離子通量。

優化脈沖等離子體蝕刻過程

為了優化脈沖等離子體蝕刻過程，需要精確控制到達基體表面的各種粒子通量，如反應基團、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物是一種非常重要的手段。

在傳統的連續等離子體蝕刻過程中，電子能量分布基本處于恒定狀態。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，可以通過調節脈沖占空比和脈沖頻率等參數來優化電子能量分布。

電子能量分布對反應速率的影響

在等離子體中，電子撞擊中性原子或分子會產生反應粒子。當電子能量高于反應激活能時，會參與激活、離子化和分解反應過程。電子能量分布決定了反應速率系數，進而影響反應速率。

等離子體脈沖技術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，影響電子能量分布的即時行為。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速率參數，進而影響電子參與的激發、離子化和解離過程。

離子能量分布對蝕刻過程的影響

離子通過撞擊基體表面，能夠有效地將能量和動量傳遞給基體，從而協助表面化學反應和誘導濺射過程。離子的通量和能量以及表面參與的反應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壁輪廓、縱向和橫向相對蝕刻速度以及等離子體誘導損傷。

在等離子體脈沖蝕刻技術中，可以通過同步脈沖對離子能量分布進行有效控制。使離子能量分布范圍變窄，且波峰值相對于連續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損傷。

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原子層蝕刻技術

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

原子層蝕刻的循環特性

在原子層蝕刻中，蝕刻過程具有自限制性或準自限制性行為。隨著蝕刻時間的增加，每個循環中的蝕刻量最終會趨于飽和。這種自限制性行為使得蝕刻快的區域和蝕刻慢的區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，連續等離子體蝕刻過程則缺乏自限制性行為，蝕刻量與蝕刻時間成正比。而具有準自限制性行為的原子層蝕刻過程，則隨著蝕刻時間的增加，每個循環中的蝕刻速率逐漸變慢，但蝕刻量不會最終趨于飽和。準自限制性蝕刻結合了自限制性蝕刻和連續等離子體蝕刻的優點，既能實現高精度蝕刻，又能提高蝕刻速率和生產效率。

其他實現原子層蝕刻的方法

除了在等離子體蝕刻機臺內實現的一站式原子層蝕刻方法外，還可以通過其他方法來實現原子層蝕刻。例如，對三五族材料進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。重復這兩個步驟就可以實現小于1nm級別的精確蝕刻。這種方法也稱為數字刻蝕（Digital Etch）。

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帶狀束方向性蝕刻技術

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

這一技術對于超大規模集成電路（VLSI）制造來說具有極大的吸引力，因為它提供了傳統蝕刻方法所不具備的單一方向蝕刻能力。

技術背景與優勢

離子注入技術是VLSI生產中廣泛應用的一種技術，主要用于硅摻雜以形成MOSFET器件等。與傳統的離子注入機臺相比，帶狀束方向性蝕刻在圖形定義等方面取得了應用。該技術不僅具有對離子能量、種類和入射角度的精確控制能力，還能夠通過改變物質的抗蝕刻能力、光學特性等來實現材料改性。

機臺結構與工作原理

帶狀束方向性蝕刻機臺由兩個腔室組成：等離子體生成腔室和蝕刻反應腔室。在等離子體生成腔室中，反應氣體在外加電場的作用下通過電感耦合方式形成等離子體。蝕刻反應腔室則包括晶圓掃描系統和晶圓靜電卡盤，用于固定晶圓并進行蝕刻反應。

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

蝕刻特性與應用

帶狀束方向性蝕刻技術具有顯著的單一方向蝕刻能力。在實驗中，通過選擇適當的反應氣體和入射角度，可以實現對晶圓上特定方向上圖案的精確蝕刻。例如，在FinFET電路中的金屬導線（M0）圖案形成過程中，該技術可以在不影響線寬的情況下增加溝槽的長度，從而解決光阻曝光過程中的形變和短路問題。

與傳統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另一個方向的影響。這使得該技術在圖形修正方面具有很好的應用前景。例如，在溝槽蝕刻中，可以通過該技術來修正光阻圖形的尺寸，以滿足設計要求。

應用前景與展望

帶狀束方向性蝕刻技術在VLSI制造中具有廣泛的應用前景。除了上述的FinFET電路中的金屬導線圖案形成外，該技術還可以在其他關鍵蝕刻步驟中得到很好的應用。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將發揮越來越重要的作用。

未來，隨著技術的不斷進步和成本的降低，帶狀束方向性蝕刻技術有望在更多領域得到應用。同時，也需要進一步優化機臺結構和蝕刻工藝參數，以提高生產效率和蝕刻精度。相信在不久的將來，這一技術將成為VLSI制造中的一部分。

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氣體團簇離子束蝕刻技術

氣體團簇離子束（Gas Cluster Ion Beam, GCIB）蝕刻技術是一種先進的材料處理技術，它結合了物理和化學蝕刻的優勢，并在多個領域展現出其價值。以下是關于氣體團簇離子束蝕刻技術的詳細分析：

技術原理與特性

(1) 氣體團簇的形成：

氣體團簇是在物理或化學作用下，由幾個到數萬個原子或分子組成的相對穩定的聚集體。

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

(2) 電離與加速：

氣體團簇在電子的轟擊下可以電離化，形成帶電的氣體團簇離子。

在電場的作用下，氣體團簇離子可以獲得很高的動能。

通過磁場的過濾作用，可以得到能量分布更為集中的氣體團簇離子束。

(3) 能量分布優勢：

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

這種特性使得氣體團簇離子束在與目標材料反應時，不會對目標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。

應用領域

(1) 表面平滑處理：

氣體團簇離子束可以去除材料表面的微小顆粒和粗糙度，實現表面的高精度平滑處理。

(2) 表面分析：

通過氣體團簇離子束的轟擊，可以激發出材料表面的二次電子或離子，用于表面成分和結構的分析。

(3) 淺層注入：

氣體團簇離子束可以將材料注入到目標材料的淺層中，用于改變材料的電學、磁學或光學性質。

(4) 薄膜沉積：

利用氣體團簇離子束的轟擊作用，可以在目標材料表面沉積一層均勻的薄膜。

(5) 顆粒去除：

氣體團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出色，適用于半導體制造等高精度工藝。

(6) 蝕刻反應：

氣體團簇離子束可以在目標材料表面激發多種物理和化學反應，實現精確的蝕刻圖案。

具體應用案例

(1) 晶圓表面顆粒去除：

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

(2) 室溫條件下對銅的蝕刻：

在醋酸蒸汽環境下，O2氣體團簇離子束通過局部的加熱和轟擊作用，可以在真空環境中實現室溫條件下對銅的蝕刻。這一特性促進了化學反應并幫助蝕刻產物的解吸附作用。