《集成电路与等离子体装备》主要介绍了集成电路中与等离子体设备相关的内容，具体包括集成电路简史、分类和发展方向以及面临的挑战，气体放电的基本原理和典型应用、等离子体刻蚀工艺与设备、等离子体表面处理技术与设备、物理气相沉积设备与工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺与设备、高密度等离子体化学气相沉积工艺与设备、炉管设备与工艺等。

目录
TABLE OF CONTENTS
第1章 集成电路简介/1
1.1 集成电路的诞生简史/1
1.1.1 电子计算机/2
1.1.2 晶体管/4
1.1.3 集成电路/6
1.2 集成电路的发展与挑战/10
1.2.1 集成电路制造中的尺寸概念/11
1.2.2 平面工艺/14
1.2.3 摩尔定律/16
1.2.4 摩尔定律的延续/17
1.2.5 超越摩尔定律/26
1.3 集成电路分类/27
1.3.1 逻辑处理器/28
1.3.2 存储器/29
1.3.3 微元件集成电路/32
1.3.4 模拟集成电路/32
1.4 集成电路的产业化/32
1.4.1 集成电路的产业化分工/33
1.4.2 集成电路产业化要求/35
1.4.3 集成电路产业化趋势/37
1.5 集成电路领域中的等离子体设备简介/38
1.5.1 集成电路制造中的等离子体设备简介/39
1.5.2 集成电路封装中的等离子体设备简介/44
参考文献/47
第2章 等离子体基础/49
2.1 气体放电的概念和基本过程/49
2.1.1 气体放电的基本概念/49
2.1.2 气体放电基本过程/51
2.2 等离子体放电的基本性质/55
2.2.1 等离子体的基本概念/55
2.2.2 等离子体的基本特征/56
2.2.3 等离子体鞘层/58
2.2.4 等离子体振荡/60
2.3 典型的气体放电/61
2.3.1 辉光放电/63
2.3.2 容性放电/64
2.3.3 感性放电/67
2.3.4 电子回旋共振等离子体放电/71
参考文献/73
第3章 集成电路中的等离子体刻蚀工艺与装备/74
3.1 刻蚀技术的起源和历史/74
3.2 等离子体刻蚀装备的分类/78
3.2.1 容性耦合等离子体源/78
3.2.2 电感应耦合等离子体源/79
3.2.3 电子回旋共振等离子体源/79
3.3 等离子体刻蚀工艺过程/80
3.4 等离子体刻蚀工艺评价指标/82
3.4.1 刻蚀速率/82
3.4.2 刻蚀速率均匀性/82
3.4.3 刻蚀选择比/83
3.4.4 刻蚀形貌/83
3.4.5 刻蚀线宽偏差/84
3.4.6 负载效应/84
3.4.7 刻蚀线边缘和线宽粗糙度/86
3.4.8 终点检测/87
3.5 等离子体刻蚀技术在集成电路制造中的应用/89
3.5.1 硅刻蚀/89
3.5.2 多晶硅刻蚀/90
3.5.3 介质刻蚀/91
3.5.4 金属铝刻蚀/93
3.6 等离子体刻蚀工艺在集成电路封装中的应用/94
3.6.1 硅整面减薄工艺/94
3.6.2 深硅刻蚀工艺/96
3.6.3 等离子体切割工艺/99
3.6.4 硅微腔刻蚀工艺/101
3.7 等离子体刻蚀技术的挑战/104
3.7.1 双重成像曝光技术/105
3.7.2 鳍式场效应晶体管刻蚀技术/107
3.7.3 高深宽比刻蚀技术/109
参考文献/110
第4章 集成电路中的等离子体表面处理工艺与装备/113
4.1 集成电路中的等离子体表面处理工艺/114
4.1.1 等离子体去胶工艺/114
4.1.2 刻蚀后等离子体表面处理工艺/117
4.1.3 等离子体表面清洁工艺/118
4.1.4 等离子体表面改性工艺/119
4.1.5 翘*片等离子体表面处理工艺/120
4.1.6 晶圆边缘等离子体表面处理工艺/121
4.2 集成电路中的等离子体表面处理设备/124
4.2.1 远程等离子体源/124
4.2.2 晶圆边缘表面处理设备/127
4.3 等离子体表面处理技术的挑战/128
4.3.1 等离子体表面处理的损伤问题/128
4.3.2 等离子体表面处理的颗粒问题/129
4.3.3 等离子体表面处理材料种类多样化/130
4.3.4 晶圆边缘等离子体表面处理设备均匀性/130
参考文献/131
第5章 集成电路中的物理气相沉积工艺与装备/134
5.1 物理气相沉积设备概述/134
5.1.1 蒸镀设备/135
5.1.2 直流磁控溅射设备/136
5.1.3 射频磁控溅射设备/139
5.1.4 磁控溅射和磁控管设计/141
5.2 磁控溅射真空系统及相关设备/145
5.2.1 靶材/145
5.2.2 真空系统/146
5.2.3 预加热系统和去气腔室/148
5.2.4 平台系统/150
5.3 磁控溅射沉积设备腔室结构/154
5.3.1 预清洗腔室/159
5.3.2 标准PVD腔室/162
5.3.3 长距PVD腔室/165
5.3.4 金属离子化PVD腔室/171
5.3.5 DC/RFPVD腔室/174
5.3.6 MCVD/ALD腔室的集合/177
5.4 金属薄膜沉积工艺评价指标/179
5.4.1 薄膜厚度和电阻/180
5.4.2 薄膜应力/181
5.4.3 薄膜反射率/182
5.4.4 颗粒和缺陷控制/183
5.4.5 薄膜组织结构/184
参考文献/186
第6章 等离子体增强化学气相沉积工艺与装备/187
6.1 化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积/187
6.1.1 化学气相沉积简介/187
6.1.2 等离子体增强化学气相沉积简介/188
6.2 PECVD工艺原理/192
6.2.1 PECVD冷等离子体特点和电子能量分布函数/193
6.2.2 PECVD等离子体α-mode和γ-mode/195
6.3 PECVD设备/198
6.4 PECVD设备在集成电路制造中的应用/204
6.4.1 刻蚀硬掩膜/204
6.4.2 光刻抗反射膜/205
6.4.3 关键尺寸空隙填充/207
6.4.43 DNAND栅极堆叠/207
6.4.5 应力工程和结构应用/209
6.4.6 电介质膜/211
6.4.7 低介电和扩散阻挡/211
6.5 PECVD工艺性能评价/215
6.5.1 变角度光学椭圆偏振仪/215
6.5.2 光谱反射计和棱镜耦合器/217
6.5.3 傅里叶红外光谱仪/217
6.5.4 C-V和I-V电学性质测量/218
参考文献/220
第7章 高密度等离子体化学气相沉积工艺与装备/224
7.1 高密度等离子体化学气相沉积工艺/224
7.1.1 浅沟槽隔离介电质填充/227
7.1.2 层间介电质填充/229
7.1.3 金属间介电质填充/230
7.1.4 钝化介电质填充/231
7.1.5 各工艺应用之间的比较/232
7.2 高密度等离子体化学气相沉积设备/233
7.2.1 设备工艺原理/234
7.2.2 设备硬件设计/234
7.3 高密度等离子体化学气相沉积工艺性能评价/236
7.3.1 速率/236
7.3.2 膜层质量/238
7.3.3 颗粒与金属污染/243
参考文献/245
第8章 集成电路中的炉管工艺与装备/248
8.1 集成电路中的炉管工艺/248
8.1.1 炉管氧化和退火工艺/249
8.1.2 炉管低压化学气相沉积工艺/251
8.1.3 炉管原子层沉积工艺/255
8.2 炉管中的批式ALD设备/257
8.2.1 批式ALD设备概况/257
8.2.2 批式ALD设备硬件结构/258
8.2.3 批式ALD设备所能对应的集成电路薄膜/261
8.2.4 批式ALD设备的工艺说明/263
8.3 炉管中的热处理设备/264
8.3.1 氧化工艺设备/265
8.3.2 合金化/退火工艺设备/268
8.4 炉管在集成电路等离子体设备中的应用/274
8.4.1 炉管原子层沉积设备的等离子体应用介绍/274
8.4.2 炉管原子层沉积氮化硅设备的等离子体应用/278
8.4.3 炉管原子层沉积氧化硅设备的等离子体应用/280
参考文献/282

第1章　集成电路简介
　　1.1　集成电路的诞生简史
　　人类和这个星球上的其他生物一样，在千万年的历史中一直在试图挑战和战胜自然。所不同的是，在这个过程中，人类发明和使用了各种各样的工具：从石器时代的工具解放了人类的双手，到近现代的汽车解放了人类的双脚，飞机让人类插上了翅膀，再到后来的电子计算机解放了人类的大脑。对于电子计算机，众所周知集成电路（integrated circuit，IC）是其*重要的组成部分。顾名思义，集成电路是一种微型电子器件或部件，即采用一定的半导体工艺技术将电路设计中需要实现的一定数量的常用电子元件，如晶体管、电阻、电感和电容等通过金属导线互连后集成在一块或者少数几块半导体晶片上，并经过封装后形成具有设计所需不同电路功能的微型结构。通过上述加工方式，器件电路的体积大大减小，引出线和焊点的数量也大幅减少，从而给电子元件带来体积更加微小、功耗更低、响应时间更短、可靠性更高、成本更加低廉、更便于大规模生产等优势，进一步奠定电子信息、通信、消费电子等行业快速发展的基础。
　　集成电路是信息产业的基础，涉及电子计算机、数码产品、家用电器、电气自动化、通信、交通、医疗、航空航天等众多领域，在几乎所有的电子设备中都有使用。因此，集成电路一直以来占据全球半导体产品超过80%的销售额，也被称作“工业粮食”。对于未来社会的发展方向，包括目前十分热门的5G通信、人工智能（AI）、物联网（IoT）和自动驾驶等，集成电路更是其发展所必不可少的基础，只有在集成电路的支持下，这些应用才可能得以实现[1]。所以，集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的产业，集成电路产业的强弱是国家综合实力强大与否的重要标志[2]。本书开篇先介绍一下集成电路诞生的历史。
　　1.1.1　电子计算机
　　提到集成电路不得不先联想到电子计算机。计算设备的发展历史*早可以追溯到远古时期的结绳计数和古代中国人发明的算盘，但将电子器件用于计算的世界上**台电子计算机则公认是阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，也称ABC计算机），如图1.1所示。它于1937年被约翰？文森特？阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）和克利福德？贝瑞（Clifford Berry）设计用于求解线性方程组，并于1942年成功进行了测试。其不可编程，但它采用可重复的内存和逻辑运算处理器并使用二进制进行运算，奠定了后来计算机发展的坚实基础。这些设计思想后来也逐步由美籍匈牙利数学家约翰？冯？诺伊曼（John von Neumann）进一步总结提炼和发展，提出：①电子计算机的硬件设备由运算器、控制器、存储器、输出设备和输入设备等五个部分组成；②存储程序思想，计算过程变成按一定顺序组成的程序命令，程序和数据一起输入电子计算机处理后，再由电子计算机输出结果。时至今日，电子计算机仍然属于冯？诺伊曼架构。
　　图1.1　世界上*台电子计算机——阿塔纳索夫-贝瑞计算机
　　而世界上**台现代意义上的通用电子计算机则于1945年诞生在美国（1946年在宾夕法尼亚大学正式发布），它是由科学家约翰？冯？诺伊曼和工程师小约翰？普雷斯波？埃克特（John Presper Eckert Jr.）等人开发设计的，其能够通过编程来解决各种计算问题，当时耗资487000美元，相当于2020年的5900000美元。该设备实物照片如图1.2所示，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只真空电子管、7200只晶体二极管、70000只电阻、10000只电容、1500只继电器、6000多只开关、50万条线，每小时耗电量约150千瓦，每秒可以执行5000次加法或者400次乘法运算，是人工计算的20万倍。显而易见，占地面积大和无法移动是它*直观和突出的问题。
　　图1.2　世界上*台现代意义上的通用电子计算机——ENIAC
　　1.1.2　晶体管
　　晶体管的出现标志着人类进入了半导体时代，这个时间点是1947年12月，来自美国贝尔实验室（Bell Labs）的两位科学家——约翰？巴丁（John Bardeen）和沃尔特？布拉顿(Walter Brattain)，发现在一块锗晶体上施加一个点接触的电学信号可以将输出功率放大至100倍。这个点接触电路如图1.3所示，它就是世界上**个晶体管（transistor）。晶体管的英文单词其实就是由transfer（转换）和resistor（电阻）组成，恰如其分地概括了晶体管的功能。
　　图1.3　世界上**个晶体管示意图[3]
　　在此基础之上，约翰？巴丁和沃尔特？布拉顿两人的导师威廉？肖克利(William Shockley)提出了双极晶体管的工作机理，并预测了另一种晶体管——结型双极晶体管，一种更容易实现工业化量产的晶体管。由于发明了晶体管，上述三位发明人分享了1956年度的诺贝尔物理学奖，三人的肖像如图1.4所示。值得一提的是，约翰？巴丁还由于对低温超导理论的贡献于1972年再度获得了诺贝尔物理学奖，是迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家，足见其在科学探索道路上的进取之心，也反过来凸显出晶体管这一发明的重要性。
　　图1.4　威廉？肖克利（前排）、约翰？巴丁（后排左）和沃尔特？布拉顿（后排右）[3]
　　由于晶体管具有更小的器件体积、更低的功耗、更低的工作温度和更迅捷的响应等特点，其迅速取代了真空电子管，并推动半导体工业在20世纪50年代后获得飞速的发展。例如，1950年出现了基于锗单晶的晶体管，紧接着，1952年出现了基于单晶硅的晶体管。但值得注意的是，这一时期的晶体管均属于分立器件，即一块器件上只包含一个器件，如电容、电阻、二极管、晶体管（三极管）等。时至今日，分立器件同样广泛应用于日常生活（例如在电力电子领域，安装在高铁列车上控制列车开行的功率器件就是一种分立器件，在微波通信领域，安装在5G信号塔上的功率器件也是一种分立器件），不能说集成电路比分立器件更加重要，但在当时能否将各种不同功能的器件集成到同一块电路上还是一个结果不得而知的猜想。其中*著名的是，英国雷达研究所的杰弗里？威廉？阿诺德？达默（Geoffrey William Arnold Dummer）在1952年召开的美国元器件会议上大胆预言，可以把电子线路中的晶体管器件集中制作在一块半导体晶片上形成一个完整电路，即一个没有外部连接线的整体器件。但遗憾的是，他自己花了十年时间才制作出一个符合这种概念的固态电路——集成放大器，与集成电路的发明失之交臂，这其中可能的原因是台面工艺具有一定的难度，这将在1.2.2节中具体介绍。
　　1.1.3　集成电路
　　在晶体管发明后，人们很快就开始构建基于半导体的集成电路的设想，包括上节提到的达默的一些贡献，但直到1957年即晶体管发明10周年后，这一想法仍然没有得到实现。1958年，一个叫杰克？圣克莱尔？基尔比（Jack St. Clair Kilby）的年轻人怀揣着这一想法加入了德州仪器（TI）公司。有意思的是，德州仪器公司对新员工没有暑假的福利，而对于老员工放暑假则是强制性的。因此，当大部分员工都放暑假的时候，基尔比仍然在实验室尝试将不同的器件集成到同一块半导体衬底上。而由于当时实验室没有硅衬底，他只能尝试他所能找到的材料，即一块已经制作好一个晶体管在上面的锗衬底。基尔比成功地在这块锗基底上又制作了一个电容和三个电阻，连同原先就存在的一个晶体管共同构成了世界上**块集成电路，如图1.5所示。
　　但是，从图1.5也可以看出，基尔比所制作的集成电路存在一个问题，那就是他采用细的金属线来连接不同的器件，这并不是一个具有实用性的生产方法，也无法解决如何辨认“线头”的问题。从图1.6中基尔比在笔记本上记录的原始设计图来看，他也确实没有考虑如何解决金属线头的问题。
　　与基尔比几乎同一时期，飞兆半导体（Fairchild Semiconductor，俗称“仙童半导体”）公司的罗伯特？诺顿？诺伊斯（Robert Norton Noyce）也有相似的想法，即利用更少的晶圆材料制备更多的器件，并且与基尔比采用金属细线来连接器件所不同，诺伊斯使用在晶圆表面蒸镀金属铝后再图案化刻蚀的方式来连接器件。