一、定義與核心原理

等離子刻蝕機(jī)（Plasma Etching Machine）是半導(dǎo)體制造、微納加工等領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，用于通過等離子體化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊，將掩膜圖形精確轉(zhuǎn)移到晶圓（硅片）或其他襯底材料表面，實(shí)現(xiàn)納米級尺寸的圖形刻蝕。其核心原理是：

· 等離子體產(chǎn)生：通過射頻（RF）、微波或電感耦合（ICP）等電源，使反應(yīng)氣體（如 CF?、Cl?、O?等）電離，形成包含離子、電子、自由基的等離子體。

· 刻蝕過程：

· 化學(xué)刻蝕：活性自由基與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)產(chǎn)物（如 Si + 4F → SiF?↑）。

· 物理刻蝕：高能離子（如 Ar?）在電場作用下轟擊材料表面，通過濺射效應(yīng)去除原子層。

· 混合刻蝕：兩者結(jié)合，兼顧刻蝕速率與圖形精度。

二、分類與特點(diǎn)

根據(jù)等離子體產(chǎn)生方式、刻蝕機(jī)制及應(yīng)用場景，等離子刻蝕機(jī)可分為以下類型：

1. 按等離子體產(chǎn)生方式

· 射頻（RF）等離子刻蝕機(jī)

· 原理：通過射頻電源（通常 13.56MHz）激發(fā)平行板電極間的氣體產(chǎn)生等離子體。

· 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但刻蝕均勻性較差，適用于要求不高的場合（如 LED 制造）。

· 電感耦合等離子體（ICP）刻蝕機(jī)

· 原理：利用電感線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場，增強(qiáng)等離子體密度（可達(dá) 1011–1012 cm?3），獨(dú)立控制離子能量與濃度。

· 特點(diǎn)：刻蝕速率快、均勻性好、損傷小，廣泛用于先進(jìn)制程（如 7nm 以下芯片）的導(dǎo)體 / 介質(zhì)刻蝕。

· 微波等離子刻蝕機(jī)

· 原理：通過微波（如 2.45GHz）激發(fā)氣體，產(chǎn)生高密度等離子體。

· 特點(diǎn)：等離子體純度高、刻蝕選擇性好，適合高精密器件（如量子芯片、MEMS 傳感器）。

2. 按刻蝕機(jī)制

· 干法刻蝕

· 優(yōu)勢：刻蝕精度高（可達(dá)納米級）、污染少、適合復(fù)雜圖形，是半導(dǎo)體主流工藝。

· 應(yīng)用：芯片制造中的介質(zhì)層（SiO?）、金屬層（Al、Cu）、半導(dǎo)體層（Si、GaAs）刻蝕。

· 濕法刻蝕（非等離子體工藝，僅作對比）

· 原理：用化學(xué)溶液腐蝕材料，成本低但精度差（微米級），適用于簡單圖形（如分立器件）。

3. 按應(yīng)用領(lǐng)域

· 半導(dǎo)體制造：刻蝕晶體管、互連結(jié)構(gòu)、TSV（硅通孔）等。

· MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）：刻蝕加速度計(jì)、陀螺儀的硅結(jié)構(gòu)。

· 光電子：刻蝕光波導(dǎo)、VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）陣列。

· 柔性電子：刻蝕柔性襯底（如 PI、PET）上的電極圖案。

三、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)

1. 刻蝕速率：單位時(shí)間內(nèi)材料去除厚度（如 nm/min），受氣體流量、功率、壓力等因素影響。

2. 刻蝕均勻性：晶圓表面刻蝕厚度的一致性（誤差＜5% 為優(yōu)），影響芯片良率。

3. 刻蝕選擇性：目標(biāo)材料與掩膜材料的刻蝕速率比（如 SiO?刻蝕時(shí)對 Si 的選擇性＞20:1），避免損傷底層材料。

4. 線寬偏差（CD Uniformity）：刻蝕后圖形尺寸與設(shè)計(jì)值的偏差（先進(jìn)制程要求＜3%）。

5. 等離子體損傷：高能離子對器件表面的物理 / 化學(xué)損傷（如界面態(tài)密度增加），需通過低能量離子工藝（如脈沖等離子體）抑制。

四、核心部件與工作流程

1. 核心部件

· 反應(yīng)腔室：采用石英或鋁材質(zhì)，需耐腐蝕性氣體（如 NF?）和高溫。

· 射頻電源：提供能量激發(fā)等離子體，先進(jìn)設(shè)備支持多頻電源（如低頻 + 高頻組合）。

· 氣體供應(yīng)系統(tǒng)：精確控制反應(yīng)氣體（如 CF?、CHF?、HBr）和吹掃氣體（N?、Ar）的流量與比例。

· 真空系統(tǒng)：維持腔室低氣壓（1–100Pa），確保等離子體穩(wěn)定存在。

· 溫控系統(tǒng)：控制晶圓溫度（如–100℃~200℃），調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率與離子轟擊能量。

2. 典型工作流程

1. 晶圓裝載：通過機(jī)械手將涂覆光刻膠的晶圓送入腔室。

2. 等離子體激發(fā)：通入反應(yīng)氣體，開啟射頻電源產(chǎn)生等離子體。

3. 刻蝕過程：

· 化學(xué)刻蝕：自由基與材料反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物（如 Si 刻蝕生成 SiF?）。

· 物理刻蝕：離子轟擊去除材料，形成垂直側(cè)壁。

4. 刻蝕終點(diǎn)檢測：通過光發(fā)射光譜（OES）實(shí)時(shí)監(jiān)測，刻穿目標(biāo)層時(shí)自動停止。

5. 晶圓卸載與清洗：去除殘留光刻膠（如用 O?等離子體灰化），進(jìn)入下一工序。

總結(jié)：等離子刻蝕機(jī)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的 “心臟設(shè)備”，其技術(shù)水平直接決定芯片制程的先進(jìn)性。隨著摩爾定律逼近物理極限，刻蝕技術(shù)正從 “圖形轉(zhuǎn)移工具” 演變?yōu)?“原子級材料工程平臺”，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向三維集成、異構(gòu)計(jì)算等新范式突破。