集成电路核心工艺装备技术的现状与展望

集成电路核心工艺装备技术的现状与展望

张智聪

广东中科半导体微纳制造技术研究院  广东佛山  528000

摘要：集成电路是信息产业发展的核心，不仅关系到经济社会发展，还会影响国家信息安全。文章针对集成电路核心工艺装备技术进行研究，通过分析总结近年来的文献资料和工业成果，阐述了刻蚀装备的发展历程，介绍了刻蚀装备核心技术的应用现状，并对集成电路制造工艺的未来进行展望。希望通过本文，为集成电路的设计制造提供参考，促进整个行业健康快速发展。

关键词：集成电路；核心工艺设备；现状；未来展望

引言

集成电路属于微型电子元件，是将晶体管、电容、电阻和电感等元件，按照特定工艺布线连接，集成在半导体晶片上，并封装在管壳内，从而发挥出某种电路功能。目前，集成电路在电子、网络通信、工业控制等领域广泛应用，具有成本低、性能好、寿命长等优点[1]。集成电路在制造过程中，离不开相关的工艺装备，刻蚀机就是集成电路前道工艺中的一个重要设备，以下对此进行探讨。

1．集成电路刻蚀装备的发展历程

1.1 等离子体刻蚀

20世纪60年代，等离子体刻蚀技术取代传统湿法刻蚀技术，最初刻蚀精度并不高，主要用于去除晶片背面的残留物。在动态存储器3μm集成电路中，刻蚀设备由2块平板电容组成，称为反应离子刻蚀。得益于技术进步，反应离子刻蚀逐渐应用于多晶硅、铝线、介质薄膜等材料的刻蚀。

1.2 磁场增强反应离子刻蚀

随着刻蚀结构的几何尺寸减小，需要提高刻蚀速率，得到密度更高的等离子体，磁场增强反应离子刻蚀技术应运而生。它在反应离子刻蚀的基础上增加了电磁线圈，磁场中的电磁螺旋移动，增加了电子与离子的碰撞机会，得到的等离子体密度更高。但是，磁场也带来了天线效应，导致离子与电子的偏折方向不同。

1.3 ECR、ICP刻蚀

ECR是电子回旋共振技术，ICP是电感应耦合技术。其中，ECR在刻蚀机的微波放电系统中增加了一个新的稳定磁场，具备独立的等离子体密度和离子能量控制，用于晶体管栅极、铝线的刻蚀。相比于ECR刻蚀机，ICP刻蚀机的结构更简单、占地面积小，可相对独立控制等离子体密度和离子能量[2]。目前，ECR、ICP刻蚀机在栅极材料、导电材料的精细刻蚀中仍在采用。

2．刻蚀装备核心技术的应用现状

后摩尔时代，为了满足集成电路的制造需求，刻蚀装备的性能也在不断升级，这得益于关键部件、核心技术的进步，如射频电源及阻抗匹配、静电卡盘、刻蚀终点检测等技术，应用现状介绍如下。

2.1 射频电源及阻抗匹配技术

刻蚀机的射频电源，是能产生固定频率正弦波的高频电源，结构如下图1所示。射频电源最早由电子管制造而成，缺点是体积大、热量散失慢、寿命短，后来被晶体管取代。

图1  等离子体刻蚀机的射频系统结构示意图

细部构造上，射频系统由射频信号发生器、功率放大模块、控制模块、检测模块构成。集成电路在制造期间，为满足刻蚀工艺的要求，需要优化射频电源的功率、响应速度、控制精度等性能，因此引入了相位调整、调频扫频、脉冲电弧管理等技术。

阻抗匹配器作为一个关键部件，由传感器、匹配网络、传动控制模块组成，能对负载阻抗进行调节，以满足射频电源的输出要求[3]。当元件尺寸达到28 nm以下，采用脉冲等离子体刻蚀技术具有诸多优势，能优化电子能量的分布情况。与此同时，射频电源必须优化脉冲管理，采用更加快速、先进的技术；阻抗匹配器则能检测到脉冲信号，采用数字电路技术并优化控制算法，才能满足脉冲匹配要求。国内射频电源及阻抗匹配技术尚未大规模量产，处于产品开发和验证阶段。

2.2 静电卡盘技术

静电卡盘是刻蚀机的一个核心零部件，功能作用是支撑晶片，传导射频能量。研究证实，静电卡盘温度是否均匀，射频能量的大小，直接决定刻蚀速率和稳定性[4]。早期的静电卡盘没有加热结构，使用冷却液控制温度，静态时温度控制良好，但刻蚀作业中晶片表面的温度分布不均匀。为解决这一问题，增加了不同分区的加热器，每个加热器可独立控制，通过调节加热器的输出功率，使晶片表面温度均匀分布。如今，加热器分区已经超过100个，可对局部温度进行精准控制，可实现温度补偿调整的目标。

2.3 刻蚀终点检测技术

刻蚀终点检测能精确控制刻蚀工艺过程，保证不同批次的晶片刻蚀结果一致。刻蚀操作中，刻蚀速率会发生随机波动，这导致不同晶片的刻蚀出现一定偏差，对刻蚀终点进行监控，才能提高良品率[5]。目前来看，刻蚀终点检测技术主要分为两种：一种采用光学发射广谱（OES）进行终点检测，原理是不同物质发射的光谱频率的波长不同，通过监控等离子体光谱中某些特征谱线的光强变化，判断是否满足刻蚀终点要求。另一种采用激光干涉（IEP1）进行终点检测，原理是在刻蚀过程中，光垂直入射到晶片表面时，其表面薄膜的厚度会变化，导致前后反射光的光程差也在变化。当光程差满足式1条件时，会形成干涉加强条纹，经光电系统转化即可达到光强-时间的变化曲线，判断是否满足刻蚀终点要求。

（1）

式中，表示光程差，表示光波长，表示材料的折射率。

随着刻蚀精度提高，要求减慢刻蚀速率，减小刻蚀面积尺寸，因反应物产量降低，会减弱探测信号的强度，影响终点检测与控制。为此，以机器学习、自适应决策为代表的人工智能，正尝试运用在刻蚀终点检测中。

3．集成电路制造工艺的未来展望

3.1 芯片制造向纳米级迈进

得益于制造工艺和设备的更新，集成电路中的晶体管尺寸不断缩小，20世纪70年代为10 μm，到了90年代缩小至0.35 μm，如今再次缩小至6 nm，可见芯片制造向着纳米级迈进。今后，晶体管的门宽、门长会进一步缩小，甚至达到1 nm的水平，这对集成电路的制造工艺和装备提出新的挑战。

3.2 3D集成电路广泛应用

2.5D芯片是目前芯片的主流设计方案，背后依赖于2.5D集成电路技术的支持。简单来看，从2D芯片发展为2.5D芯片，主要区别是将多个芯片整合起来，相较于单一芯片的功能更多、性能更好、能耗更低[5]。未来，3D集成电路技术的应用前景更好，多个芯片采用堆叠构造，既能减小电路面积，又能提高不同芯片之间的传输性能，相较于2.5D芯片更加先进、复杂，也对集成电路的制造提出新的要求。

3.3 计算能力不断增强

评价集成电路的性能时，计算能力是一个重要指标，尤其智能终端设备的出现和应用，使人们对芯片的计算能力要求越来越高，以获得更加优良的使用体验。未来，集成电路在制造环节，提高芯片的计算能力也是一个重要发展方向，以神经网络、遗传算法为代表的人工智能，成为解决这一问题的突破口。从集成电路制造的角度看，可升级制程工艺、引入新的架构、提高时钟频率、优化指令集等，专业人员可重点关注。

4．结语

综上所述，集成电路制造中分为前道工艺和后道工艺，其中刻蚀是前道工艺中的一个关键技术。文章以集成电路刻蚀装备技术为核心，综述了的发展历程和应用现状，未来芯片制造向纳米级迈进，3D集成电路广泛应用，且计算能力不断增强。只有不断升级制造装备，更新材料、结构和工艺，才能满足市场需求，进一步提高集成电路的综合性能。

参考文献：

[1] 唐磊,匡乃亮,郭雁蓉,等.信息处理微系统的发展现状与未来展望[J].微电子学与计算机,2021,38(10):1-8.

[2] 周哲,付丙磊,董天波,等.半导体工艺与制造装备技术发展趋势[J].电子工业专用设备,2022,51(4):1-7,11.

[3] 艾·西加,亚历山大·博耶,吴建飞,等.集成电路技术发展对电磁兼容的影响[J].安全与电磁兼容,2020(6):9-17.

[4] 康劲,吴汉明,汪涵.后摩尔时代集成电路制造发展趋势以及我国集成电路产业现状[J].微纳电子与智能制造,2019,1(1):57-64.

[5] 韦刚,成晓阳,刘建,等.集成电路刻蚀装备及其核心部件的发展历程[J].微纳电子与智能制造,2022,4(1):5-13.

[6] 王同庆,赵德文,路新春.集成电路抛光与减薄装备及耗材的应用和发展[J].微纳电子与智能制造,2022,4(1):57-63.