描述晶圆薄膜厚度的单位：埃

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2024-12-18 14:25:30 713

1、什么是埃（Angstrom）？

埃（符号：?）是一种非常小的长度单位，主要用于表示微观领域的尺度，例如原子、分子之间的距离，或者晶圆制造中的薄膜厚度。1 ? 等于 (10^{-10}) 米，也就是0.1纳米（nm）。为了更直观地理解这个概念，我们可以通过以下比喻说明：

一根人的头发直径约为70,000纳米，也就是700,000 ?。

如果将1米想象为地球的直径，那么1 ? 就像是地球表面上一粒小沙子的直径。

在集成电路制造中，埃单位的引入是因为它精确而便捷，尤其适用于描述极薄的膜层（如氧化硅、氮化硅、掺杂层等）的厚度，或者描述纳米尺度的特征尺寸。随着半导体工艺技术的进步，对厚度的控制精确到了单个原子层的水平，埃已经成为不可或缺的单位。

2、埃的物理意义和应用背景

埃作为长度单位，是科学研究和工业实践中理解物质微观性质的重要工具。以下是其关键物理意义：

原子和分子的尺寸量级：原子的直径通常在0.5-3 ?之间。例如，氢原子的直径约为0.5 ?，氧原子的直径约为1.2 ?。这意味着埃是描述原子级别距离的理想单位。在化学中，键长（两个原子核之间的平均距离）通常用埃来表示。例如，C-C键长约为1.54 ?。

薄膜厚度的*控制：在集成电路制造中，薄膜的厚度往往需要达到原子级精度，例如氧化硅层的厚度可能为10 ?左右。这种精度决定了芯片的性能和可靠性。

晶体结构和晶格常数：半导体材料（如硅、砷化镓）的晶格常数（即晶体中相邻原子间的距离）通常用埃表示。例如，硅的晶格常数为5.43 ?。这一特性与材料的电学和机械性能密切相关。

光学和电子显微镜的分辨能力：高端显微镜的分辨率能够达到亚埃级（即小于1 ?），从而观测原子和分子的排列，这在晶圆缺陷分析中尤为重要。

3、埃在集成电路制程中的应用

在集成电路制造中，埃单位的应用非常广泛且重要。它贯穿了薄膜沉积、刻蚀、离子注入等多个关键工艺。以下对几个典型场景进行说明：

①薄膜厚度控制

在半导体制造过程中，薄膜材料（如氧化硅SiO?、氮化硅Si?N?等）被用作绝缘层、掩膜层或电介质层。薄膜的厚度对器件性能有至关重要的影响：

例如，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）栅氧化层的厚度通常为几纳米甚至几埃。过厚会导致器件性能下降，过薄则可能导致击穿。

化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）技术能以埃级精度沉积薄膜，确保厚度符合设计要求。

②掺杂控制

离子注入技术中，注入离子的渗透深度与剂量直接影响半导体器件的性能。埃单位常被用来描述注入深度的分布情况。例如，浅结工艺中，注入深度可能仅为几十埃。

③刻蚀精度

在干法刻蚀中，刻蚀速率和停刻时间需要精确控制到埃级别，以避免对底层材料的损伤。例如，在晶体管的栅极刻蚀中，如果刻蚀过头，将导致性能劣化。

④原子层沉积（ALD）技术

ALD 是一种能以单原子层为单位堆积材料的技术，每次循环可能仅形成0.5-1 ?的薄膜厚度。这种技术在超薄膜层的构造中*优势，例如用作高介电常数（High-K）材料的栅极介质。

4、如何理解埃的尺度？

为了帮助工程师更加形象地理解埃的概念，可以用以下方式比喻：

埃与原子的关系：如果将一个原子想象成一个乒乓球，那么1 ?就相当于两颗乒乓球之间的距离。

埃与微观工艺的关系：假设人的头发直径为70,000纳米，将其缩小到一颗晶体管的栅极长度（约为几纳米），那么这层栅氧化层的厚度可能只占头发厚度的50万分之一。

埃与人类感知尺度的对比：如果把1米比作地球，那么1 ?就如同地球表面上一粒细沙的直径。这种极端的尺度对大多数人来说是抽象的，但对于工程师来说却是日常思考的一部分。

5、为什么埃在集成电路制造中如此重要？

随着半导体工艺进入先进节点（例如7 nm、5 nm、3 nm甚至未来的2 nm），集成电路的微缩逼近物理极限，而这一极限就体现在埃级厚度的控制上。以下是埃单位在行业中重要性的总结：

尺寸微缩驱动的需求：晶体管的特征尺寸（例如栅极长度、通道宽度等）已经达到数十埃的水平。微缩工艺要求工程师对材料的厚度和界面特性实现极高的控制。

性能和功耗的平衡：在先进制程中，栅极氧化层越薄，器件的开关速度越快，但也更容易出现漏电问题。通过精确控制埃级厚度，可以优化性能与功耗的平衡。

工艺控制能力的提升：精确的埃级控制是提升良率的关键。例如，在多层互连中，金属间隙的填充、绝缘层的厚度控制均需要埃级的均匀性。

新材料和工艺的探索：随着摩尔定律逐渐接近极限，半导体行业引入了高-K介质、二维材料（如石墨烯、MoS?）等新材料。这些材料的特性通常在埃级尺度上决定其宏观表现。

总结。埃（?）作为一个长度单位，在集成电路制造中无处不在。从材料厚度的精确控制到器件尺寸的微缩优化，埃级尺度的理解和应用是确保半导体技术不断发展的核心。

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