刻蚀工艺：终点检测技术

在芯片制造的纳米级雕刻中，刻蚀工艺的核心挑战不仅在于“如何刻”，更在于 “何时停” 。精准地停止刻蚀，被称为 “终点检测” 。这项技术如同给刻蚀机装上了一双实时监控的“鹰眼”，是确保数万亿美元半导体产业高良率运行的基石。它的失效可能导致整批晶圆报废，其精准度直接决定了晶体管性能与芯片可靠性。

一、终点是什么？为何如此关键？

刻蚀终点，特指刻蚀工艺刚好完全去除目标材料层，并恰好停止在下层材料界面的理想时刻。

其重要性源于两个根本原因：

1. 过刻蚀危害：若未能及时停止，刻蚀会继续攻击本应保留的下层材料，造成无法修复的损伤。例如，刻蚀二氧化硅介质层时若过度刻穿，下方的硅衬底或晶体管栅极将受损，导致器件失效。
2. 刻蚀不足危害：若过早停止，残留的目标材料会阻碍后续的电气连接，造成电路开路或高电阻。

在先进制程中，薄膜厚度仅数十纳米，且不同晶圆、同一晶圆不同区域的刻蚀速率存在微小波动。因此，依赖固定时间的“盲刻”已完全不可行，必须依赖实时、动态的终点检测来确保每次刻蚀都精准到位。

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二、核心原理

终点检测的核心思想是：在刻蚀过程中，实时监测某种随材料变化而突变的物理或化学信号，当信号发生特征性改变时，即判定到达终点。主流方法有以下几种：

1. 光学发射光谱法：最主流、最经典的“光谱之眼”

这是应用最广泛的终点检测技术，其原理如同分析刻蚀反应的“指纹光谱”。

原理：刻蚀腔体内的等离子体中含有各种活性基团（原子、离子、自由基）。当目标材料被刻蚀时，其原子或反应产物（如Si、Cl、F等）会被激发，并发射出特定波长的特征光谱。

检测方法：通过腔体上的石英视窗，用光学传感器收集等离子体的发光信号，并导入光谱仪进行分析。

判断终点：系统持续监测代表目标材料的特征谱线强度。例如，刻蚀氮化硅时，会监测CN基团或SiN的谱线。随着目标层被逐渐刻穿，该谱线强度会急剧下降；同时，代表下层材料的谱线强度则会骤然上升。两条曲线的交叉点或拐点，即被定义为刻蚀终点。

2. 激光干涉终点检测法：针对薄膜的“厚度雷达”

此法特别适用于刻蚀透明或半透明的介质薄膜。

原理：将一束特定波长的激光照射到晶圆表面。激光会在薄膜的上表面和下表面（即与下层材料的界面）分别发生反射。这两束反射光因光程差而产生干涉。

干涉信号：随着薄膜被刻蚀变薄，光程差不断变化，导致反射光的干涉强度呈现周期性明暗变化。

判断终点：监测干涉信号的周期数或最终波形突变。当薄膜被刻蚀至零厚度时，干涉现象消失，信号发生特征性跳变，指示终点到达。这能精确到单个干涉周期，对应纳米级的厚度变化。