什么是原子層刻蝕

本文介紹了什么是原子層刻蝕（ALE, Atomic Layer Etching）。

1.ALE 的基本原理：逐層精準(zhǔn)刻蝕 原子層刻蝕（ALE）是一種基于“自限性反應(yīng)”的納米加工技術(shù)，其特點(diǎn)是以單原子層為單位，逐步去除材料表面，從而實(shí)現(xiàn)高精度、均勻的刻蝕過(guò)程。它與 ALD（原子層沉積）相對(duì)，一個(gè)是逐層沉積材料，一個(gè)是逐層去除材料。

工作原理

ALE 通常由以下兩個(gè)關(guān)鍵階段組成： 表面活化階段：使用氣相前體或等離子體激活表面，形成化學(xué)吸附層或修飾層。 例如，通過(guò)引入鹵化物前體（如 Cl?、SF?），與目標(biāo)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在表面生成易于刻蝕的化學(xué)物質(zhì)。 物理去除階段：通過(guò)離子轟擊、加熱或化學(xué)輔助，選擇性去除表面已修飾的原子層，而不影響未活化區(qū)域。 去除過(guò)程嚴(yán)格受限于表面活性層的厚度，確保每次循環(huán)僅去除一個(gè)原子層。這種分步進(jìn)行的反應(yīng)和刻蝕，避免了傳統(tǒng)刻蝕中材料過(guò)度移除或損傷的問(wèn)題。

2. ALE 的主要特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 原子級(jí)精度

特性：ALE 可實(shí)現(xiàn)單原子層單位的去除，刻蝕深度和速率均可精確控制。

原因：每一步驟都是自限性反應(yīng)，刻蝕厚度由表面化學(xué)反應(yīng)決定，不依賴時(shí)間或反應(yīng)劑濃度。

應(yīng)用：適用于 7nm、3nm 及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體器件制造。

2.2 均勻性與高深寬比能力

特性：在高深寬比（Aspect Ratio, AR）的三維結(jié)構(gòu)中，ALE 依然能夠保持均勻刻蝕，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)中底部過(guò)刻或側(cè)壁傾斜的現(xiàn)象。 原因：自限性反應(yīng)避免了離子轟擊的方向性影響，同時(shí)確保側(cè)壁和底部刻蝕速率一致。 應(yīng)用：適合 3D NAND 閃存、FinFET 晶體管等需要高縱深結(jié)構(gòu)的加工。

2.3 高選擇性

特性：ALE 可針對(duì)特定材料（如金屬氧化物、硅化物）進(jìn)行選擇性刻蝕，不影響鄰近的不同材料。

原因：通過(guò)優(yōu)化前體化學(xué)性質(zhì)，使反應(yīng)僅在目標(biāo)材料表面進(jìn)行。

應(yīng)用：適合復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)中各層材料的分離刻蝕。

2.4 損傷最小化

特性：ALE 對(duì)材料表面及基底的物理和化學(xué)損傷顯著低于傳統(tǒng)刻蝕方法。

原因：離子轟擊能量較低，化學(xué)反應(yīng)溫和且受限于單層厚度。

應(yīng)用：對(duì)熱敏材料（如有機(jī)薄膜）或高精度器件（如光學(xué)鏡頭）的微細(xì)加工。

3. ALE 與傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)的對(duì)比

特性 傳統(tǒng)刻蝕 ALE

4. ALE 的工藝實(shí)現(xiàn)

溫度控制：ALE 的反應(yīng)需要一定溫度激活（如 50-250°C），但溫度不可過(guò)高，以免破壞材料或前體分解。

等離子體輔助：在許多 ALE 工藝中，低能量等離子體被用來(lái)增強(qiáng)表面反應(yīng)性，同時(shí)避免傳統(tǒng)高能離子的轟擊損傷。

前體選擇：根據(jù)目標(biāo)材料選擇合適的化學(xué)前體（如氟化物、氯化物等），確保反應(yīng)的選擇性和效率。

5. ALE 的主要應(yīng)用

5.1 半導(dǎo)體制造：極紫外光刻（EUV）輔助結(jié)構(gòu)：用于刻蝕圖案化的極窄溝槽或高縱深結(jié)構(gòu)。 FinFET 制造：實(shí)現(xiàn)精確的柵極與源漏區(qū)分離。5.2 光學(xué)與顯示技術(shù)：圖像傳感器：對(duì)微透鏡結(jié)構(gòu)的精密加工，提升光學(xué)性能。 OLED 制備：在敏感材料上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)刻蝕。 MEMS 器件：微通道與高縱深比結(jié)構(gòu)的均勻刻蝕。 納米能源與光子學(xué)：用于納米線陣列、光學(xué)器件的高精度制造。

6. ALE 的技術(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)趨勢(shì)

6.1 挑戰(zhàn)

反應(yīng)速度：ALE 的分步反應(yīng)導(dǎo)致刻蝕速率較慢，需要優(yōu)化工藝以提高效率。

材料兼容性：前體的化學(xué)選擇性限制了部分材料的刻蝕能力。

設(shè)備成本：ALE 工藝設(shè)備復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)室的潔凈度和精密度要求高。

6.2 未來(lái)趨勢(shì)

更高選擇性前體開發(fā)：研究能與特定材料反應(yīng)更高效的前體，提高工藝適配性。

等離子體輔助 ALE（PE-ALE）：利用低能等離子體提升刻蝕速率和精度。

與 ALD 聯(lián)動(dòng)：結(jié)合 ALE 和 ALD 工藝，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)沉積與刻蝕的動(dòng)態(tài)切換，滿足更復(fù)雜的器件制造需求。

7. 結(jié)論

ALE 是一種顛覆性的納米刻蝕技術(shù)，憑借其原子級(jí)精度、高選擇性、低損傷的特性，在半導(dǎo)體、光子學(xué)、MEMS 等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著前體開發(fā)和設(shè)備優(yōu)化的不斷進(jìn)步，ALE 將在先進(jìn)制程技術(shù)中扮演更加關(guān)鍵的角色。