本书以集成电路领域中的等离子体刻蚀为切入点，介绍了等离子体基础知识、基于等离子体的刻蚀技术、等离子体刻蚀设备及其在集成电路中的应用。全书共8章，内容包括集成电路简介、等离子体基本原理、集成电路制造中的等离子体刻蚀工艺、集成电路封装中的等离子体刻蚀工艺、等离子体刻蚀机、等离子体测试和表征、等离子体仿真、颗粒控制和量产。本书对从事等离子体刻蚀基础研究和集成电路工厂产品刻蚀工艺调试的人员均有一定的参考价值。

“集成电路系列丛书”主编序言 培根之土 润苗之泉 启智之钥 强国之基 王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是人世间不可挽回的自然规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。 图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。 尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。 《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。 为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。 2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一—施普林格（Springer）合作出版发行。 受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。 为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷： ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与EDA ☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料 ☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用 2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。 在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。 科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。 书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。 编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例： 《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成； 《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿； 《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就； 《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”； 《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。 这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。 王阳元 2021年7月1日于北京燕园 前 言 科技创新是综合国力提升的关键，是人类进步的基石。以蒸汽机的广泛使用为代表的第一次工业革命，将人类从农业时代带进了工业时代，开创了以机器代替手工劳动的时代。以电力能源代替或补充蒸汽机动力为代表的第二次工业革命，将人类带进了电气时代，科技和生产力得到了空前发展。以电子信息技术为代表的第三次工业革命，将人类带进了全新的科技世界。英国引领并主导了第一次工业革命，使其迅速成长为“日不落帝国”。欧洲国家和美国、日本同时经历了第二次工业革命，综合国力得到了大大的提升。美国引领并主导了第三次工业革命，确定了在全球的统治地位。 我国自改革开放以来，赶上并抓住了第三次工业革命，综合国力得到了很大提升。当今，世界正处于百年未有之大变局，以“智能制造”为主的第四次工业革命已经到来。智能工厂、智能生产、智能汽车、智能家居、智能物流等产业即将爆发。 集成电路被称为智能产品的“大脑”，重要程度可见一斑。先进集成电路制造极为复杂，需要全球多个产业分工协作才可完成。对于28nm以下的技术节点，刻蚀的加工精度可达到头发丝直径的几千分之一甚至上万分之一，其中涉及大量的材料、射频、机械、电气、软件等专业知识。等离子体刻蚀机作为集成电路制造的重要设备之一，其重要程度仅次于光刻机。尤其是近年来，随着集成电路特征尺寸的缩小，特别是对于14nm以下节点，等离子体刻蚀机的重要程度尤为突出。传统的深紫外光光刻机的光刻尺寸极限为76nm，必须使用多重图形化技术才能进一步缩小尺寸，如使用自对准双重图形（SADP）和自对准四重图形（SAQP）技术可以成倍缩小图形尺寸，可提高集成电路的集成度。多重图形化进一步增加了等离子体刻蚀工艺的步骤，加大了等离子体刻蚀机的使用比重。所以，等离子体刻蚀机的品质或能力直接关系到晶圆制造的水平。当下，随着集成电路需求的提升、集成电路制造产线的扩充，等离子体刻蚀机的需求旺盛，相关专业人才严重紧缺。 本书系统地介绍了等离子体刻蚀原理以及工艺工程问题和解决方案，希望可提升从业者的专业技术水平，为行业的进步尽绵薄之力。 由北方华创刻蚀团队研发的等离子体刻蚀机具有良好的工艺性能，广泛应用于微电子产品制造领域，凭借在等离子体控制技术、腔室设计技术、刻蚀工艺技术、软件技术等方面的积累与创新，实现了对硅、介质、金属等材料的良好刻蚀。 本书基于已公开发表的文献以及北方华创刻蚀团队近20年来对等离子体刻蚀研究的经验和结论，内容包括集成电路简介、等离子体基本原理、集成电路制造中的等离子体刻蚀工艺、集成电路封装中的等离子体刻蚀工艺、等离子体刻蚀机、等离子体测试和表征、等离子体仿真、颗粒控制和量产。 本书主编为赵晋荣，副主编为孙岩、李东三、黄亚辉、纪安宽，编委成员还有蒋中伟、林源为、韦刚、李兴存、唐希文、董子晗、连庆庆。另外，特别感谢王海莉、杨京、王建龙、苏恒毅、简师节、杨光、朱海云、郝亮等。 由于编者水平有限，加之时间仓促，书中不当之处在所难免，敬请各位专家、学者以及工程技术人员批评指正。 赵晋荣 2022年8月于北京北方华创

第1章 集成电路简介 1 1.1 集成电路简史 1 1.1.1 什么是集成电路 1 1.1.2 集成电路发展简史 1 1.1.3 集成电路产业的分工和发展 5 1.1.4 集成电路产业垂直分工历程 6 1.2 集成电路分类 6 1.2.1 存储器IC 7 1.2.2 微元件IC 8 1.2.3 模拟IC 8 1.2.4 逻辑IC 9 1.3 集成电路未来的挑战 9 参考文献 10 第2章 等离子体基本原理 11 2.1 等离子体的基本概念 11 2.1.1 等离子体的定义 11 2.1.2 等离子体的参数空间 12 2.1.3 等离子体的描述方法 13 2.1.4 等离子体的关键特征和参量 14 2.1.5 等离子体判据 17 2.1.6 等离子体鞘层 18 2.2 集成电路常用的等离子体产生方式 20 2.2.1 容性耦合等离子体 20 2.2.2 感性耦合等离子体 24 2.2.3 电子回旋共振等离子体 30 参考文献 31 第3章 集成电路制造中的等离子体刻蚀工艺 33 3.1 等离子体刻蚀的发展 33 3.1.1 传统等离子体刻蚀 35 3.1.2 脉冲等离子体刻蚀 36 3.1.3 原子层刻蚀 37 3.2 前道工艺 38 3.2.1 浅沟槽隔离（STI）刻蚀 39 3.2.2 多晶硅栅极（Gate）刻蚀 42 3.2.3 侧墙（Spacer）刻蚀 44 3.3 中道工艺及后道工艺 45 3.3.1 接触孔和通孔及介质沟槽刻蚀 46 3.3.2 钨栓和钨栅极刻蚀 53 3.3.3 铝线刻蚀和铝垫刻蚀 55 3.3.4 氮化钛刻蚀 60 3.3.5 干法去胶及钝化 62 参考文献 63 第4章 集成电路封装中的等离子体刻蚀工艺 65 4.1 先进封装中的等离子体表面处理 65 4.1.1 去除残胶 66 4.1.2 去除残留金属 66 4.1.3 改善润湿性 67 4.1.4 提高表面结合力 67 4.2 先进封装中的等离子体硅刻蚀 68 4.2.1 硅整面减薄工艺 68 4.2.2 硅通孔刻蚀工艺 69 4.2.3 等离子体切割工艺 72 4.2.4 扇出型封装中的硅刻蚀工艺 73 4.3 先进封装中的聚合物刻蚀 74 4.4 先进封装中翘曲片的等离子体处理方法 75 参考文献 76 第5章 等离子体刻蚀机 78 5.1 等离子体刻蚀机软硬件结构 78 5.1.1 传输系统 78 5.1.2 真空控制系统 81 5.1.3 射频系统 83 5.1.4 温度控制系统 84 5.1.5 附属设备 85 5.1.6 整机控制系统 85 5.2 关键结构的设计 86 5.2.1 反应腔 86 5.2.2 静电卡盘 88 5.2.3 匀流板 90 5.3 等离子体刻蚀机工艺参数简介 90 5.4 等离子体刻蚀机工艺结果评价指标 91 5.4.1 刻蚀形貌 91 5.4.2 刻蚀速率 96 5.4.3 刻蚀均匀性 96 5.4.4 选择比 99 5.4.5 其他工艺结果评价指标 99 参考文献 100 第6章 等离子体测试和表征 102 6.1 等离子体密度和能量诊断技术 102 6.1.1 静电探针等离子体诊断 102 6.1.2 离子能量分析仪等离子体诊断 108 6.2 光学发射光谱终点检测技术 112 6.2.1 终点检测原理 112 6.2.2 终点检测系统介绍 112 6.2.3 光学发射光谱检测技术在等离子体刻蚀中的应用 113 6.3 激光干涉终点检测技术 117 6.3.1 激光干涉原理 117 6.3.2 IEP算法介绍 119 参考文献 121 第7章 等离子体仿真 123 7.1 刻蚀机涉及的物理场 123 7.1.1 等离子体场 123 7.1.2 电磁场 131 7.1.3 流场 132 7.1.4 温度场 133 7.1.5 化学反应 136 7.1.6 各物理场之间的耦合 137 7.2 多物理场仿真技术 139 7.2.1 多物理场仿真技术简介 139 7.2.2 仿真分析基本流程 141 7.2.3 相关仿真案例 146 参考文献 154 第8章 颗粒控制和量产 155 8.1 缺陷和颗粒介绍 155 8.2 缺陷和颗粒问题带来的影响 156 8.3 缺陷和颗粒污染控制手段 157 8.3.1 刻蚀机传输模块的颗粒缺陷和颗粒控制 157 8.3.2 刻蚀机工艺模块的颗粒缺陷和颗粒控制 161 8.4 提高刻蚀量产稳定性的方法 162 参考文献 164