《Small Methods》：Precise Sputter Control by Tailored Waveform Biasing for Selective Ablation in Future 2D Electronics Manufacturing
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等离子体工艺中离子能量的精确控制对于未来二维电子器件所需的选择性、无损伤刻蚀至关重要。采用射频正弦波偏压的传统设备技术无法产生单能的离子能量分布函数，而这正是对溅射阈值能量仅有微小差异的材料进行选择性溅射所必需的。通过在商用200毫米电感耦合等离子体反应器的基
等离子体工艺中离子能量的精确控制对于未来二维电子器件所需的选择性、无损伤刻蚀至关重要。采用射频正弦波偏压的传统设备技术无法产生单能的离子能量分布函数，而这正是对溅射阈值能量仅有微小差异的材料进行选择性溅射所必需的。通过在商用200毫米电感耦合等离子体反应器的基板电极上施加低频定制脉冲波形偏置电压，即使在较高离子能量下也能获得半高全宽仅为10 eV的离子能量分布函数。本研究利用这些窄的离子能量分布函数，确定了二硫化钼及选定介电材料的溅射阈值，包括HfO?、Ta?O?、Al?O?和SiO?，旨在实现对介电材料相对于二维材料的高效选择性物理刻蚀，反之亦然。基于此知识，可针对具体应用设计介电环境和层结构，确保图案化过程中尽可能高的选择性。此外，定制波形偏压还允许对不同质量的MoS?层在低于溅射阈值的能量下进行等离子体清洗。
论文解读：基于定制波形偏压实现二维电子器件制造中的精准选择性刻蚀
一、研究背景与问题提出
随着基于二维材料的电子元件快速发展，其制造工艺需在原子尺度和晶圆级上具备极高的可控性和精度。过渡金属硫族化合物如二硫化钼因其优异的电学、力学和光学性能，被认为是替代硅的有力候选者。然而，将二维材料集成到功能器件中，特别是与高k介电材料结合形成异质结构时，面临着关键的刻蚀挑战。
目前，传统的湿法刻蚀因各向异性差、易分层及重复性低，不适用于纳米尺度器件的定义。而原子层刻蚀虽能实现单层精度，但其工艺窗口狭窄、产率较低，且复杂的前驱体化学可能引入掺杂和污染。相比之下，电感耦合等离子体反应离子刻蚀是最广泛使用的干法刻蚀技术，具有高产能和设备兼容性优势。然而，传统13.56 MHz射频正弦波偏压会产生宽的双峰离子能量分布函数，导致离子能量无法精确落在两种材料溅射阈值之间的“选择性窗口”内，从而无法实现一种材料相对于另一种材料的选择性溅射去除。
因此，为了实现未来二维电子器件中对仅存在微小溅射阈值差异的材料进行高效、选择性的无损伤刻蚀，亟需一种能够产生窄的、单能的、可调谐的离子能量分布函数的先进偏压技术。本研究的目的是利用低频定制波形偏压技术，在商用ICP-RIE系统中实现精准的离子能量控制，进而确定MoS?与多种关键高k介电材料（HfO?、Ta?O?、Al?O?、SiO?）的相对溅射阈值，探索其在选择性刻蚀中的应用潜力。
二、主要关键技术方法
研究人员在一台商用200毫米ICP-RIE系统（SI 500型）上进行了改造。在常规配置中，基板电极由13.56 MHz正弦波驱动；而在波形调控偏压配置中，则改用任意波形发生器配合宽带功率放大器，在基板电极上施加100 kHz的低频脉冲波形信号，并串联1 μF隔直电容以中和充电效应。所有实验均在1 Pa氩气气氛、30 sccm流量下进行。薄膜沉积方面，MoS?薄膜采用等离子体增强原子层沉积技术在200毫米硅衬底上制备，通过改变沉积温度（300°C获得多晶膜，250°C获得非晶膜）及后续退火处理来获得不同质量的薄膜。HfO?、Al?O?、Ta?O?等介电薄膜也分别通过PEALD或热氧化法沉积。溅射速率通过光谱椭偏仪测量刻蚀前后的膜厚变化来确定，每个数据点对应10分钟的溅射过程。离子能量分布函数则使用阻滞场能量分析仪进行表征。
三、研究结果
3.1 离子能量分布函数特性对比
研究人员首先比较了两种偏压配置下的离子能量分布函数特性。在常规RF正弦波偏压下，离子能量分布函数呈现典型的双峰结构，且随平均离子能量增加，半高全宽显著增大。而在低频波形调控偏压配置下，离子能量分布函数在整个参数范围内均保持窄的单峰结构，即使在高离子能量下半高全宽也仅约10 eV。同时，两种配置下的离子通量基本恒定，确保了溅射速率的变化可归因于离子能量本身。
3.2 MoS?与SiO?的溅射行为对比
通过对多晶MoS?和热生长SiO?的溅射速率进行系统评估发现：在常规配置下，由于宽的离子能量分布函数，MoS?的溅射起始于更低的平均离子能量（约30 eV），且溅射速率梯度更大；而在波形调控偏压配置下，溅射阈值更高（约38 eV）。这表明宽的离子能量分布函数中高能尾部的离子导致了早期溅射。对于SiO?，其溅射速率在远高于MoS?的离子能量下才开始显著增加。
3.3 MoS?薄膜质量对溅射特性的影响
研究人员进一步研究了非晶态、多晶态及退火后MoS?薄膜的溅射行为。结果表明，退火后的高结晶度样品在离子能量达到约80 eV后才出现明显的溅射速率增加，表明其溅射阈值约为78 eV。而非晶态和多晶态样品在更低能量下即表现出一定的溅射去除，这归因于低质量组分（如过量硫、弱键合的非晶成分）的优先去除。拉曼光谱分析证实，在低于80 eV的能量下进行等离子体处理不会降低薄膜结晶度，反而可以起到“等离子体清洗”作用；而当离子能量超过80 eV时，LA(M)/A?g强度比上升，表明结晶度下降，真正的物理溅射开始主导。
3.4 高k介电材料的溅射阈值与选择性刻蚀
研究人员测定了多种高k介电材料（HfO?、Ta?O?、Al?O?、SiO?）与多晶MoS?的相对溅射速率。结果显示，SiO?在高达120 eV的离子能量下仍未被刻蚀，因此可在常规配置下实现MoS?相对于SiO?的选择性去除。然而，HfO?和Ta?O?的溅射阈值（分别为约87 eV和83 eV）与MoS?（约78 eV）非常接近，这使得波形调控偏压技术变得至关重要。通过将窄的离子能量分布函数精确地置于MoS?与介电材料的溅射阈值之间，研究人员实现了高效的相对选择性刻蚀：在90 eV时，MoS?相对于HfO?的选择性为9.5；在80 eV时，相对于Ta?O?的选择性达到16.6。
四、讨论与结论
研究人员指出，虽然波形调控偏压配置下离子能量分布函数的半高全宽仍略大于某些材料间的溅射阈值差距，但其窄的能量分布使得整个离子通量可以被高效地放置在选择性窗口内，远优于常规RF偏压。这一技术还拓宽了原子层刻蚀的可操作工艺窗口。未来的改进方向包括优化电压斜坡速率以补偿表面充电效应，以及提高偏压频率以抑制鞘层波动。
研究结论总结如下：研究人员成功在商用200毫米ICP-RIE反应器上实现了低频定制波形偏压，获得了窄的离子能量分布函数，并据此测定了MoS?与多种介电材料的溅射速率。溅射阈值从低到高的顺序为：MoS?（约78 eV）< Ta?O?（约83 eV）< HfO?（约87 eV）< Al?O? < SiO?（未观察到刻蚀）。此外，研究发现MoS?薄膜在低于溅射阈值的能量下存在一个“等离子体清洗”区间，可改善薄膜化学计量比和结晶度而不造成损伤。将波形调控偏压技术集成到现有商用等离子体反应器中，只需更换外部电源而无需修改反应器本体，预计将在需要最高精度和选择性的先进纳米制造领域得到广泛应用。
