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

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

工作原理

ALE 通常由以下兩個關鍵階段組成： 表面活化階段：使用氣相前體或等離子體激活表面，形成化學吸附層或修飾層。 例如，通過引入鹵化物前體（如 Cl?、SF?），與目標材料發生化學反應，在表面生成易于刻蝕的化學物質。 物理去除階段：通過離子轟擊、加熱或化學輔助，選擇性去除表面已修飾的原子層，而不影響未活化區域。 去除過程嚴格受限于表面活性層的厚度，確保每次循環僅去除一個原子層。這種分步進行的反應和刻蝕，避免了傳統刻蝕中材料過度移除或損傷的問題。

2. ALE 的主要特性與優勢

2.1 原子級精度

特性：ALE 可實現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，刻蝕厚度由表面化學反應決定，不依賴時間或反應劑濃度。

應用：適用于 7nm、3nm 及更先進節點的半導體器件制造。

2.2 均勻性與高深寬比能力

特性：在高深寬比（Aspect Ratio, AR）的三維結構中，ALE 依然能夠保持均勻刻蝕，不會出現傳統技術中底部過刻或側壁傾斜的現象。 原因：自限性反應避免了離子轟擊的方向性影響，同時確保側壁和底部刻蝕速率一致。 應用：適合 3D NAND 閃存、FinFET 晶體管等需要高縱深結構的加工。

2.3 高選擇性

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

原因：通過優化前體化學性質，使反應僅在目標材料表面進行。

應用：適合復雜多層結構中各層材料的分離刻蝕。

2.4 損傷最小化

特性：ALE 對材料表面及基底的物理和化學損傷顯著低于傳統刻蝕方法。

原因：離子轟擊能量較低，化學反應溫和且受限于單層厚度。

應用：對熱敏材料（如有機薄膜）或高精度器件（如光學鏡頭）的微細加工。

3. ALE 與傳統刻蝕技術的對比

特性 傳統刻蝕 ALE

4. ALE 的工藝實現

溫度控制：ALE 的反應需要一定溫度激活（如 50-250°C），但溫度不可過高，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增強表面反應性，同時避免傳統高能離子的轟擊損傷。

前體選擇：根據目標材料選擇合適的化學前體（如氟化物、氯化物等），確保反應的選擇性和效率。

5. ALE 的主要應用

5.1 半導體制造：極紫外光刻（EUV）輔助結構：用于刻蝕圖案化的極窄溝槽或高縱深結構。 FinFET 制造：實現精確的柵極與源漏區分離。5.2 光學與顯示技術：圖像傳感器：對微透鏡結構的精密加工，提升光學性能。 OLED 制備：在敏感材料上進行微結構刻蝕。 MEMS 器件：微通道與高縱深比結構的均勻刻蝕。 納米能源與光子學：用于納米線陣列、光學器件的高精度制造。

6. ALE 的技術挑戰與未來趨勢

6.1 挑戰

反應速度：ALE 的分步反應導致刻蝕速率較慢，需要優化工藝以提高效率。

材料兼容性：前體的化學選擇性限制了部分材料的刻蝕能力。

設備成本：ALE 工藝設備復雜，對反應室的潔凈度和精密度要求高。

6.2 未來趨勢

更高選擇性前體開發：研究能與特定材料反應更高效的前體，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 聯動：結合 ALE 和 ALD 工藝，實現原子級沉積與刻蝕的動態切換，滿足更復雜的器件制造需求。

7. 結論

ALE 是一種顛覆性的納米刻蝕技術，憑借其原子級精度、高選擇性、低損傷的特性，在半導體、光子學、MEMS 等領域展現出廣闊的應用前景。隨著前體開發和設備優化的不斷進步，ALE 將在先進制程技術中扮演更加關鍵的角色。