干法等離子體刻蝕常用專業術語

第一類：核心性能指標 (Key Performance Indicators - KPIs)

這些是你每天在報告、會議中一定會聽到和用到的詞，它們是評價一個刻蝕步驟好壞的“尺子”。

1. Etch Rate (ER, 刻蝕速率)

   • 解釋: 單位時間內去除材料的厚度。通常單位是埃/分鐘 (?/min) 或納米/分鐘 (nm/min)。

   • 為什么重要: 直接決定了生產效率 (Throughput) 和設備產能。ER太慢，成本就高；ER太快，可能難以精確控制。

   • 工程實踐: 在評估新工藝時，ER是首要關注點之一。同時，我們會監控ER的穩定性，它是SPC（統計過程控制）的關鍵圖表之一。

2. Selectivity (選擇比)

   • 解釋: 目標刻蝕材料的速率與另一種材料（通常是下層阻擋層或光刻膠掩膜）速率的比值。例如，刻蝕Poly對Oxide的選擇比是20:1，意味著刻蝕20nm Poly的同時，只會消耗掉1nm的Oxide。

   • 為什么重要: 這是刻蝕工藝的靈魂。高選擇比意味著你可以在不損傷下層寶貴薄膜的情況下，精確地“刻穿”目標層。選擇比不夠，會導致“過刻蝕”(Over-etch)時下層被刻傷，甚至刻穿，造成器件失效。

   • 工程實踐: 對于Gate（柵極）刻蝕，要求對柵氧的 selectivity 極高；對于Contact（接觸孔）刻蝕，要求對下層金屬硅化物 (Silicide) 的選擇比極高。

3. Uniformity (均勻性)

   • 解釋: 整個晶圓 (Wafer) 表面刻蝕速率或刻蝕后尺寸的一致性。通常用標準差 (Standard Deviation, 1-sigma) 的百分比來表示。分為片內均勻性 (Within-Wafer Uniformity, WIWU) 和 片間均勻性 (Wafer-to-Wafer Uniformity, WTWU)。

   • 為什么重要: 直接影響芯片的良率。如果晶圓中心和邊緣的刻蝕深度或線寬不一致，那么邊緣的芯片性能就可能不達標，導致良率損失。

   • 工程實踐: 工程師需要不斷優化工藝參數（如氣體流量分布、壓力、腔體溫度）來改善均勻性。

4. Profile / Anisotropy (輪廓 / 各向異性)

   • 解釋: 這是描述刻蝕后圖形側壁 (Sidewall) 形狀的統稱。一個“好”的刻蝕通常追求各向異性 (Anisotropic)，即只在垂直方向上刻蝕，側壁接近90°垂直。與之相對的是各向同性 (Isotropic)，即向所有方向刻蝕，形成“凹槽”或“底切”。

   • 為什么重要: 輪廓直接決定了器件的最終幾何結構和電學性能。在先進節點，哪怕側壁角度有1-2度的偏差，都可能導致后續薄膜填充失敗或器件短路。

   • 工程實踐: 這是刻蝕工程師最核心的工作之一，通過調整氣體配比、偏壓 (Bias) 能量等參數，在各種效應之間取得平衡，以獲得理想的輪廓。下面我們會詳細展開。

這些詞匯用來更精細地描述Profile的好壞。

1. CD (Critical Dimension) Control / CD Bias (關鍵尺寸控制 / 關鍵尺寸偏移)

   • 解釋: CD是指芯片上最關鍵的、最小的圖形尺寸，如柵極的寬度。CD Control衡量的是刻蝕后的CD與設計值的符合程度。CD Bias則是刻蝕后CD與光刻膠CD之間的差值。

   • 為什么重要: CD直接決定了晶體管的性能（速度、功耗）。在先進工藝中，CD的控制精度要求在1納米以內。

   • 工程實踐: 調整刻蝕中的側壁鈍化 (Passivation) 過程是控制CD Bias的主要手段。

2. Taper Angle (錐角)

   • 解釋: 刻蝕后側壁與水平面的夾角。垂直是90°，大于90°稱為重入角 (Re-entrant)，小于90°稱為正錐角 (Positive Taper)。

   • 為什么重要: 大多數情況下，我們希望得到接近90°的垂直側壁或略帶正錐角的側壁（例如88°），這有利于后續的薄膜填充。重入角通常是致命的，會導致填充時產生空洞 (Void)。

   • 工程實踐: 通過控制離子轟擊和側壁保護聚合物 (Polymer) 的平衡來精確調控錐角。

3. Undercut (底切)

   • 解釋: 在掩膜下方發生的橫向刻蝕，是各向同性刻蝕的典型表現。

   • 為什么重要: Undercut會導致CD損失，結構支撐變弱，甚至導致上層結構坍塌。但在某些特殊工藝（如MEMS器件釋放）中，會特意利用Undercut。

4. Bowing / Barrel (側壁彎曲)

   • 解釋: 側壁不是直的，而是向內或向外彎曲，像木桶一樣。

   • 為什么重要: 破壞了CD的線性度和器件結構，影響性能。通常是由于離子在等離子鞘層 (Sheath) 中軌跡彎曲或化學物質過度攻擊側壁中間部分導致。

5. Footing / Notching (殘足 / 溝槽)

   • 解釋:Footing 是指在刻蝕到底部界面時，由于兩種材料刻蝕速率差異，在側壁底部殘留一小塊“腳”狀物。Notching 則是在底部側壁附近出現的局部過度刻蝕，形成凹槽，常見于多晶硅柵極刻蝕的過刻蝕階段。

   • 為什么重要: Footing會導致刻蝕不完全，可能造成短路。Notching會損害柵極結構，影響晶體管的關斷特性。

1. RIE (Reactive Ion Etching, 反應離子刻蝕)

   • 解釋: 這是現代干法刻蝕的統稱。它巧妙地結合了物理轟擊 (Physical Bombardment) 和 化學反應 (Chemical Reaction)。等離子體中的離子在電場加速下垂直轟擊晶圓表面（物理），同時高活性的自由基 (Radical) 與材料發生化學反應（化學）。

   • 為什么重要: 物理轟擊打破化學鍵并提供方向性，化學反應負責高效地移除材料。兩者的協同作用才實現了高選擇比的各向異性刻蝕。

2. Bias / RF Bias (偏壓)

   • 解釋: 施加在晶圓承載臺 (Chuck) 上的射頻 (RF) 功率，它能產生一個負的直流偏壓 (DC Bias)，用于將等離子體中的正離子加速引向晶圓。

   • 為什么重要: Bias電壓直接決定了離子的轟擊能量。高Bias能量可以增強各向異性，打碎硬質材料或殘留物，但代價是可能降低選擇比，并對晶圓表面造成損傷 (Damage)。這是刻蝕工程師手中最有力的“旋鈕”之一。

3. ICP / CCP (等離子體源類型)

   • ICP: 通過感應線圈產生高密度的等離子體，同時用獨立的Bias控制離子能量。優點是等離子體密度和離子能量可以獨立調節，靈活性高。

   • CCP: 通過上下兩個平行電極板產生等離子體，等離子體密度和離子能量耦合在一起，調節相對不便。但其結構簡單，擅長產生高能量離子，常用于介質刻蝕。

   • 解釋:ICP (Inductively Coupled Plasma) 和 CCP (Capacitively Coupled Plasma) 是兩種最主流的等離子體源。

   • 為什么重要: 了解你的設備類型，才知道它的能力邊界和調節邏輯。

4. Passivation / Polymerization (鈍化 / 聚合)

   • 解釋: 在刻蝕過程中，刻蝕氣體中的某些成分（如含碳、氟的CxFy氣體）會在特征的側壁上形成一層薄薄的保護膜，即聚合物 (Polymer)。這個過程稱為鈍化。

   • 為什么重要: 這層鈍化膜可以保護側壁不被化學自由基橫向攻擊，是實現垂直輪廓（各向異性）的關鍵！刻蝕過程實際上是“轟擊底部-生成側壁保護膜-再轟擊底部”的動態平衡。

1. Loading Effect (負載效應)

   • 解釋: 刻蝕速率與晶圓上裸露的待刻蝕區域的面積（即負載）相關的現象。通常，負載越大（裸露區域越多），反應物消耗越快，導致刻蝕速率下降。

   • 為什么重要: 它會導致位于圖形密集區的特征和位于稀疏區的特征刻蝕速率不同，造成CD和深度的不均勻。

   • 工程實踐: 設計規則中通常會規定最大/最小的圖形密度來減小負載效應。工藝上也會選擇對負載效應不敏感的氣體配方。

2. RIE Lag / ARDE (Aspect Ratio Dependent Etching)

   • 解釋: 刻蝕速率依賴于圖形的深寬比 (Aspect Ratio)。深寬比越大的孔（深而窄），其刻蝕速率越慢。

   • 為什么重要: 這是FinFET、3D NAND等高深寬比結構面臨的核心挑戰。它會導致不同尺寸的孔深度不一，影響器件連接和性能。

3. Endpoint Detection (EPD, 終點探測)

   • 解釋: 在刻蝕過程中，通過監控特定信號來判斷刻蝕是否已經到達下層薄膜界面的技術。常用方法有OES (Optical Emission Spectroscopy, 光學發射光譜)，通過檢測等離子體中特定物質發出的光的波長變化來判斷。

   • 為什么重要: EPD讓刻蝕過程可以自動停止，極大地提高了工藝的精確性和穩定性，避免了因ER波動導致的欠刻蝕或過刻蝕。

給你的建議:

作為一名3-5年的工程師，不要只滿足于知道這些術語的定義。你需要開始思考它們之間的權衡 (Trade-off)。

• 例如，為了提高各向異性 (Anisotropy)，你可能會增加Bias功率。但這會降低對下層掩膜的選擇比 (Selectivity)，并可能引入更多的刻蝕損傷 (Etching Damage)。

• 為了獲得完美的90度輪廓 (Profile)，你需要精確控制鈍化聚合物 (Passivation Polymer)的生成和去除速率，這是一個非常精細的動態平衡。

把這些術語串聯起來，構建一個系統性的思維框架，當你遇到問題時，就能像一個老練的醫生一樣，通過“癥狀”（比如CD變小、出現Footing）準確地推斷出“病因”（可能是鈍化層太厚或離子能量不足），并開出正確的“藥方”（調整氣體配比或Bias功率）。

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