半導(dǎo)體電路制作是一個非常復(fù)雜的過程，其中以光刻和刻蝕工序最為關(guān)鍵，它們是制約半導(dǎo)體集成電路制造工藝發(fā)展的主要工序，在一定程度上代表了整個半導(dǎo)體制造的先進(jìn)程度。半導(dǎo)體制造簡而言之：通過將掩膜母版圖形轉(zhuǎn)移至硅襯底上的過程。光刻機，就是將電路圖印在晶圓上，刻蝕機就是把光刻機印好的圖案刻在晶圓上?？涛g是光刻之外最重要的集成電路制造步驟，存在多項關(guān)鍵工藝指標(biāo)，對芯片良品率和產(chǎn)能影響很大。

▼每個半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百個工藝，整個制造過程分為八個步驟：晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-互連-測試-封裝

一、等離子刻蝕技術(shù)的簡介

等離子刻蝕技術(shù)是利用等離子進(jìn)行薄膜微細(xì)加工的技術(shù)。低溫等離子體微細(xì)加工手段是材料微納加工的關(guān)鍵技術(shù)，因為它是微電子、光電子、微機械、微光學(xué)等制備技術(shù)的基礎(chǔ)。特別是在超大規(guī)模集成電路制造工藝中，有近三分之一的工序是借助于等離子體加工完成的，如等離子體薄膜沉積、等離子體刻蝕及等離子體去膠等，其中等離子體刻蝕最為關(guān)鍵的工藝流程之一。

等離子刻蝕的原理可以具體概括為以下幾個步驟：

1、在低壓下，反應(yīng)氣體在射頻功率的激發(fā)下電離并形成等離子體，等離子體主要是由電子、離子以及活性反應(yīng)基團(tuán)(如活性自由基)組成；

2、活性反應(yīng)基團(tuán)和被刻蝕物質(zhì)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物；

3、反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，并被真空系統(tǒng)抽出腔體；

4、刻蝕過程中，被刻蝕物被置于偏置電極上，一個直流偏壓會在等離子體和該偏置電極之間形成，并使帶正電的反應(yīng)氣體離子加速撞擊被刻蝕物質(zhì)表面，這種離子轟擊可大大加快表面的化學(xué)反應(yīng)，及反應(yīng)生成物的脫附，從而導(dǎo)致很高的刻蝕速率，正是由于離子轟擊的存在才使得各向異性刻蝕得以實現(xiàn)。

等離子刻蝕是晶圓制造中使用的主要刻蝕方法，電容性等離子刻蝕（CCP）和電感性等離子刻蝕（ICP）是兩種常用的等離子刻蝕方法。

對于半導(dǎo)體設(shè)備的研制，部件所使用的材料是影響設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體制造過程中的腐蝕性等離子環(huán)境主要是等離子體清洗和等離子體刻蝕，此外，等離子增強化學(xué)氣相沉積所使用的鹵素類等離子體也具有較強的腐蝕性。特別是對于晶圓制造過程中的刻蝕機和PECVD設(shè)備，等離子體通過物理作用和化學(xué)反應(yīng)會對設(shè)備器件表面造成嚴(yán)重腐蝕，一方面縮短部件的使用壽命，降低設(shè)備的使用性能，另一方面腐蝕過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物會出現(xiàn)揮發(fā)和脫落的現(xiàn)象，在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)顆粒，影響腔室的潔凈度。據(jù)SEMI統(tǒng)計，20納米工藝需要的刻蝕步驟約為50次，而10納米工藝和7納米工藝所需刻蝕步驟則超過100次。5nm邏輯芯片制造刻蝕步驟攀升至160次。邏輯制程中的刻蝕步驟數(shù)量的大幅增加，意味著刻蝕設(shè)備及耗材的市場需求數(shù)量持續(xù)增長。良率對先進(jìn)制程至關(guān)重要。集成電路器件加工動輒要上千個加工步驟，單個步驟的良率達(dá)到99%，1000個步驟后的良率就趨近于零，只有每個步驟的良率均達(dá)到99.99%，才能實現(xiàn)總體良率90%以上。值得注意的是，隨著刻蝕步驟的不斷增加，不僅增加了芯片制造成本，產(chǎn)品良品率也因步驟增出現(xiàn)下降。

二、等離子刻蝕設(shè)備上的先進(jìn)陶瓷材料

隨著芯片特征尺寸的減小和鹵素類等離子體能量的逐漸提高，制程工藝對晶圓表面污染物的控制要求越來越高，使得芯片對雜質(zhì)的敏感度大大提升。在半導(dǎo)體的刻蝕過程高密度、高能量的等離子體轟擊環(huán)境中，刻蝕機工藝腔和腔體內(nèi)部件的耐等離子體刻蝕性能變得越來越重要。先進(jìn)陶瓷材料具有較好的耐腐蝕性能，已被廣泛應(yīng)用于晶圓加工設(shè)備的耐等離子體刻蝕材料，如石英，SiC，AIN，Al2O3和Y2O3等。材料的選擇取決于部件在工藝腔內(nèi)所處的位置和性能要求，如耐等離子腐蝕性能、導(dǎo)電性能及介電性能等。等離子體刻蝕設(shè)備上采用陶瓷材料制作的部件主要有窗視鏡，氣體分散盤，噴嘴，絕緣環(huán)，蓋板，聚焦環(huán)和靜電吸盤等，如下為等離子體刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

靜電吸盤/卡盤-碳化硅、氮化鋁

靜電吸盤是通過在工件（加工對象物件）與施加電壓后的電極間產(chǎn)生的庫倫力來吸附工件的工具，是為了固定對象物件而使用的工具。在干蝕刻時，基板需要固定在蝕刻腔體的底部，一般用靜電吸盤（Electrostatic chuck簡稱esc）對基板進(jìn)行吸附固定，同時，在目前的干蝕刻設(shè)備中，靜電吸盤還充當(dāng)下電極。與傳統(tǒng)的機械卡盤和真空吸盤相比靜電卡盤具有很多的優(yōu)點，靜電卡盤避免了傳統(tǒng)機械卡盤在使用過程中由于壓力、碰撞等機械原因?qū)斐刹豢尚迯?fù)的損傷，減少了顆粒污染，增大了晶片的有效加工面積，同時克服了真空吸盤不可以應(yīng)用于低壓環(huán)境、無法通過背吹氣體對晶片溫度進(jìn)行有效控制的缺陷。因此，靜電卡盤己經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機械卡盤和真空吸盤，廣泛應(yīng)用于集成電路制造工藝。靜電吸盤屬于消耗品，使用壽命一般不超過兩年，因此靜電吸盤的替換量比較大。

干法刻蝕時，等離子的熱量流入晶圓，若不采取措施，晶圓溫度將升高，刻蝕特性將發(fā)生波動。因此，為了保持一定的刻蝕特性，需要控制晶圓的溫度恒定。靜電吸盤在控制晶圓溫度方面起著關(guān)鍵作用。

靜電卡盤和晶圓之間只有物理接觸，晶圓的溫度控制是不夠的，所以在晶圓和靜電卡盤之間要通入He氣，以提高熱傳導(dǎo)效率。氦氣比空氣和蝕刻氣體輕，分子運動速度快，熱量在晶圓和靜電卡盤之間來回傳遞。晶圓被冷卻器中循環(huán)的冷卻劑和氦氣控制在一定的溫度。

目前普遍的靜電吸盤技術(shù)主要是以氧化鋁陶瓷、藍(lán)寶石及氮化鋁陶瓷作為主體材料，因陶瓷材料具有良好的導(dǎo)熱性，耐磨性及高硬度且對比金屬材料在電絕緣方面有著先天的優(yōu)勢。靜電吸盤由于其功能的特殊性，要求其制造材料屬于半導(dǎo)體材料（體電阻率在10-3~1010Ω·cm)，所以靜電吸盤也并不是純氧化鋁或純氮化鋁制造，而是在其中加入了其他導(dǎo)電物質(zhì)使得其總體電阻率滿足功能性要求。對于溫度控制直接影響晶圓良品率的靜電卡盤來看具備更加熱導(dǎo)率和相關(guān)機械性能的氮化鋁材料有著很大的發(fā)展空間。

據(jù)聞目前芯片大廠所用的半導(dǎo)體加工設(shè)備上的氮化鋁靜電吸盤，大部分來自于NTK CERATEC，最高端的靜電吸盤甚至可以賣到幾十萬到上百萬人民幣。

窗視鏡--石英、氧化鋁、氧化釔、YAG透明陶瓷

石英是一種具有高硬度、高耐磨、高穩(wěn)定物化性質(zhì)的無機非金屬材料，其主要成分為SiO2，具有一定的耐化學(xué)腐蝕性，作為刻蝕機設(shè)備的部件材料，其主要成分元素與Si片相同，不會對晶圓產(chǎn)生其它污染。因為石英的透光性高，同時兼具可加工性，可用作各種刻蝕機的視窗鏡與腔體內(nèi)表面部件。但是該材料長期在高能等離子環(huán)境中時，易與Si反應(yīng)，因而長時間使用的情況下，會導(dǎo)致部件被腐蝕得模糊不清，之后被氧化鋁材料替代。但是隨著含氟等離子體的應(yīng)用，氧化鋁的耐腐蝕性能也逐漸滿足不了批量生產(chǎn)的需求，因為氧化鋁中的Al與氟離子反應(yīng)會生成Al-F化合物，然后沉積結(jié)晶形成顆粒雜質(zhì)，容易污染晶圓。Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能，但其燒結(jié)性能差，生產(chǎn)成本高，且機械性能較差，難加工。YAG透明陶瓷透光率高，對含氟等離子體的耐腐蝕性能與氧化釔相似，而且機械性能更加優(yōu)異，是比較理想的替代材料。

聚焦環(huán)--碳化硅

聚焦環(huán)的作用是晶圓制造蝕刻過程中將晶圓固定在適當(dāng)?shù)奈恢靡员３值入x子體密度并防止晶圓的側(cè)面受到污染。要求與硅晶圓有相似的電導(dǎo)率，以往采用的材料主要是導(dǎo)電硅，但是含氟等離子體會與硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的氟化硅，大大縮短其使用壽命，導(dǎo)致部件需要頻繁更換，降低生產(chǎn)效率。SiC與單晶Si有相似的電導(dǎo)率，而且耐等離子體刻蝕性能更好，SiC環(huán)每15到20天更換一次，而硅環(huán)每10到12天更換一次。SiC刻蝕對聚焦環(huán)對純度要求極高，只能采用CVD工藝進(jìn)行生長SiC厚層塊體，隨后經(jīng)精密加工而制得。

研究人員研究了碳化硅在碳氟等離子中的刻蝕機理，其結(jié)論表明碳化硅經(jīng)碳氟等離子刻蝕后，表面發(fā)生一些列化學(xué)反應(yīng)形成很薄一層碳氟聚合物薄膜，該薄膜可阻止活性氟基等離子體進(jìn)一步與基體發(fā)生反應(yīng)，因而相對于Si，其耐等離子刻蝕性能更加優(yōu)異。而且SiC與含氟等離子反應(yīng)生成的氟化物易揮發(fā)，可以通過真空系統(tǒng)排除，不會對芯片造成刻蝕污染。此外，碳化硼（B4C）同樣耐受高溫和等離子體，并且硬度更高，長期使用也不會彎曲變形，也被作為一種被關(guān)注的聚焦環(huán)材料。

腔體、噴嘴及氣體分散盤：氧化鋁

在半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備中，主要采用高純Al?O?涂層或Al?O?陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護(hù)材料。除了腔體以外，等離子體設(shè)備的氣體噴嘴，氣體分配盤也需要用到氧化鋁陶瓷。

注：噴嘴和噴射器設(shè)計用于精確的氣體流速和均勻的控制，以將氣體均勻地分散到蝕刻工藝室中。這些組件需要高等離子電阻、介電強度以及對工藝氣體和副產(chǎn)品的強耐腐蝕性。

在高功率、高密度等離子體刻蝕工作條件下，必須尋找更加優(yōu)異耐刻蝕材料成為半導(dǎo)體制造商不懈的動力，因此先進(jìn)陶瓷材料在相關(guān)領(lǐng)域的潛力非常值得我們期待。

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