一、設(shè)備概述

NLD-570是日本ULVAC愛發(fā)科公司面向研究開發(fā)（R&D）領(lǐng)域推出的一款NLD干法刻蝕設(shè)備，搭載了愛發(fā)科的磁性中性線放電等離子源（NLD，即Neutral Loop Discharge）。該設(shè)備以產(chǎn)生低壓、低電子溫度、高密度等離子為核心技術(shù)特征，專為石英、玻璃、水晶、鈮酸鋰（LN）、鉭酸鋰（LT）等硬質(zhì)材料的高精度刻蝕而設(shè)計(jì)。

NLD-570采用單腔室、單晶圓真空負(fù)載鎖結(jié)構(gòu)，配備自動化晶圓傳輸系統(tǒng)，可支持8英寸及以下規(guī)格的晶圓加工，兼具工藝靈活性與緊湊性。與愛發(fā)科NE系列ICP干法刻蝕設(shè)備面向LED量產(chǎn)應(yīng)用不同，NLD-570更側(cè)重于研發(fā)環(huán)境下的材料工藝開發(fā)和原型驗(yàn)證，在光學(xué)器件、MEMS、光子學(xué)等前沿領(lǐng)域具有獨(dú)特的工藝優(yōu)勢。

二、NLD等離子源技術(shù)原理

2.1 磁中性環(huán)路放電的物理機(jī)制

NLD-570的核心技術(shù)在于其搭載的磁中性環(huán)路放電等離子源。該技術(shù)源于上世紀(jì)90年代愛發(fā)科的研究成果，其物理原理如下：設(shè)備在刻蝕反應(yīng)腔體外部設(shè)置一組三個(gè)穩(wěn)態(tài)通電線圈，通過精確調(diào)節(jié)各線圈的電流，在腔體內(nèi)形成具有磁中性環(huán)路（Neutral Loop）區(qū)域的特定磁場分布。當(dāng)在此磁場區(qū)域內(nèi)施加交變電場時(shí)，磁中性環(huán)路區(qū)域內(nèi)的電子展現(xiàn)出獨(dú)特的“蜿蜒運(yùn)動"，在此運(yùn)動過程中電子與中性氣體分子發(fā)生非彈性碰撞并使其電離，從而在低壓條件下維持穩(wěn)定的高密度等離子體。

2.2 與ICP技術(shù)的對比優(yōu)勢

NLD技術(shù)相對于傳統(tǒng)的電感耦合等離子體（ICP）技術(shù)具有三大核心優(yōu)勢。首先，NLD可在更低的氣壓（0.1 Pa～1 Pa）條件下產(chǎn)生穩(wěn)定的高密度等離子體，這一特性使其能夠進(jìn)行更精細(xì)的各向異性刻蝕，實(shí)現(xiàn)更好的深寬比控制和側(cè)壁垂直度。其次，NLD產(chǎn)生的等離子體具有更低的電子溫度，在刻蝕過程中可有效降低等離子體對晶圓表面的物理損傷和熱效應(yīng)，這對于熱敏感材料（如LN/LT基板）的加工尤為重要。再次，NLD通過外部磁場分布的控制實(shí)現(xiàn)對等離子體密度分布的空間調(diào)控，有助于提升大尺寸晶圓的刻蝕均勻性。

三、核心技術(shù)規(guī)格

3.1 系統(tǒng)配置與工藝參數(shù)

NLD-570的系統(tǒng)配置和關(guān)鍵工藝參數(shù)如下表所示：

3.2 材料刻蝕能力

NLD-570支持多種材料的刻蝕工藝，主要包括以下幾類：

Si基材料刻蝕：針對Si材料可實(shí)現(xiàn)2～10 μm/min的深硅刻蝕速率；SiO?和SiNx的刻蝕速率可達(dá)20～150 nm/min，滿足MEMS器件（麥克風(fēng)空腔蝕刻、加速計(jì)梳齒結(jié)構(gòu)、射頻濾波器背面空腔蝕刻等）的加工需求。

石英與玻璃刻蝕：這是NLD-570具技術(shù)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)備在石英刻蝕方面速率可達(dá)>1 μm/min，在耐熱玻璃（Pyrex）方面可達(dá)>0.8 μm/min。使用厚膜光刻膠（PR）作為掩模時(shí)，可實(shí)現(xiàn)深度超過100 μm的石英及玻璃深溝槽刻蝕，同時(shí)保持優(yōu)異的形狀控制和表面光滑度。

LN/LT基板刻蝕：NLD-570對鈮酸鋰（LN）和鉭酸鋰（LT）等壓電材料具有專用的刻蝕工藝能力，多家科研機(jī)構(gòu)將其用于聲表面波（SAW）器件和光學(xué)調(diào)制器的制造。愛發(fā)科相關(guān)研究表明，NLD技術(shù)還可應(yīng)用于多孔二氧化硅（k=1.9低介電常數(shù)材料）的刻蝕，其刻蝕速率約為熱氧化SiO?薄膜的兩倍。

四、設(shè)備結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 腔體與真空系統(tǒng)

NLD-570采用高質(zhì)量一體成型鋁制刻蝕腔體，經(jīng)電拋光工藝處理以降低顆粒污染風(fēng)險(xiǎn)。腔體內(nèi)壁覆蓋有耐腐蝕涂層，具有抑制Si及副產(chǎn)物附著沉積的功能，延長了腔體的維護(hù)周期。腔體加熱系統(tǒng)可將內(nèi)壁溫度維持在50℃以上，有效防止刻蝕副產(chǎn)物的凝結(jié)積累。真空系統(tǒng)由分子泵和干式機(jī)械泵兩級構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)6.7×10?? Pa的極限真空度。

4.2 靜電吸盤與溫控系統(tǒng)

設(shè)備標(biāo)配靜電吸盤，采用靜電吸附方式固定晶圓，避免了機(jī)械夾具可能帶來的顆粒污染和邊緣遮擋問題。靜電吸盤設(shè)計(jì)為8英寸規(guī)格，同時(shí)可向下兼容更小尺寸的晶圓。吸盤內(nèi)部集成了高效的循環(huán)液冷卻通道，配合外部冷卻器，可將基底溫度控制在-20℃～+40℃的寬范圍內(nèi)。精確的溫度控制不僅有助于抑制光刻膠的熱變形，還能調(diào)節(jié)刻蝕反應(yīng)速率和選擇比，拓展工藝窗口。

4.3 終點(diǎn)檢測系統(tǒng)

NLD-570配置了光發(fā)射光譜終點(diǎn)檢測系統(tǒng)，波長覆蓋范圍為200 nm～950 nm。OES系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測刻蝕過程中特定反應(yīng)產(chǎn)物或反應(yīng)物的特征光譜強(qiáng)度變化，能夠在刻蝕到達(dá)預(yù)設(shè)界面時(shí)自動觸發(fā)停止信號。這對于多層膜結(jié)構(gòu)刻蝕、薄層精確停止等工藝場景具有重要意義。

五、刻蝕性能分析

5.1 石英及玻璃深刻蝕性能

石英和玻璃材料因其化學(xué)惰性和高硬度，在傳統(tǒng)刻蝕工藝中面臨刻蝕速率低、側(cè)壁粗糙度大、掩模選擇比差等挑戰(zhàn)。NLD-570憑借其低壓高密度等離子源，在這些材料的刻蝕上取得了突破性進(jìn)展。石英刻蝕速率>1 μm/min、Pyrex>0.8 μm/min的性能指標(biāo)使其在同類設(shè)備中處于水平。更重要的是，NLD的低電子溫度特性有效降低了離子轟擊能量對掩模的損傷，使得厚膜光刻膠掩模能夠支撐100 μm以上的深度刻蝕，這為微流體器件、光波導(dǎo)、通孔加工等應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

5.2 LN/LT材料刻蝕

鈮酸鋰和鉭酸鋰是制造光學(xué)調(diào)制器、聲表面波濾波器和體聲波諧振器的關(guān)鍵壓電材料。然而，這類材料對離子轟擊較為敏感，傳統(tǒng)的ICP刻蝕容易引入晶體損傷和表面粗糙化問題。NLD的低電子溫度特性可有效減輕等離子體對LN/LT晶格的損傷，在保持刻蝕速率的同時(shí)獲得更光滑的刻蝕表面和更可控的側(cè)壁形貌。據(jù)實(shí)際應(yīng)用反饋，NLD-570在氧化物材料（包括SiO?）的刻蝕中表現(xiàn)出良好的性能穩(wěn)定性，對刻蝕速率無明顯波動。

5.3 均勻性控制

NLD-570在8英寸晶圓范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)刻蝕均勻性UN<3%的指標(biāo)。這一性能的達(dá)成主要得益于兩方面：一是NLD等離子源通過三組線圈的獨(dú)立電流調(diào)節(jié)，能夠?qū)η惑w內(nèi)的等離子體密度分布進(jìn)行空間整形；二是靜電吸盤的均勻熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)確保了晶圓面內(nèi)溫度一致性，避免了因溫度梯度導(dǎo)致的刻蝕速率差異。

六、應(yīng)用領(lǐng)域

6.1 光學(xué)器件制造

NLD-570在光學(xué)器件制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。具體包括：衍射光柵（Diffraction Grating）、光調(diào)制器（Modulator）、光波導(dǎo)（Waveguide）、光開關(guān)（Optical Switch）等光通信核心器件的加工。石英和玻璃材料的高透明度、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性使其成為光學(xué)器件的理想基底材料，而NLD-570的深刻蝕能力和表面光滑度控制則為上述器件的實(shí)現(xiàn)提供了工藝可行性。

6.2 微透鏡與光子學(xué)

微透鏡陣列和光子晶體是光電子學(xué)和集成光學(xué)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。NLD-570能夠通過厚膜光刻膠掩模配合深石英刻蝕工藝，制備具有凹凸形貌的微透鏡結(jié)構(gòu)。在光子晶體加工方面，該設(shè)備可精確控制刻蝕深度和孔洞形貌，用于光子帶隙結(jié)構(gòu)的制備。

6.3 微全分析系統(tǒng)

微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）和微流控芯片中大量使用玻璃作為流道基底材料。NLD-570的高速玻璃刻蝕能力使其成為制作微米級流體路徑的有力工具。深度超過100 μm的微流道結(jié)構(gòu)可在較短工藝時(shí)間內(nèi)完成，這對于降低芯片制造成本、縮短研發(fā)周期具有重要意義。

6.4 MEMS器件

在MEMS領(lǐng)域，NLD-570可應(yīng)用于多種器件結(jié)構(gòu)的刻蝕工藝，包括：麥克風(fēng)背腔刻蝕（形成膜片結(jié)構(gòu)）、加速度計(jì)梳齒結(jié)構(gòu)加工（高深寬比的精細(xì)結(jié)構(gòu)）、射頻濾波器背面空腔刻蝕等。設(shè)備對Si、SiO?、SiNx等多種材料兼容性的支持，使其能夠覆蓋從結(jié)構(gòu)層到犧牲層的完整MEMS工藝流程。

七、操作與維護(hù)

7.1 工藝開發(fā)支持

NLD-570面向研發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)理念決定了其在工藝開發(fā)方面具有高度的靈活性。設(shè)備提供從掩?？涛g到石英和玻璃刻蝕的全流程工藝解決方案，用戶可根據(jù)自身材料特性和器件結(jié)構(gòu)需求進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。設(shè)備標(biāo)配的雙RF電源（ICP源和偏置源）分別控制等離子體密度和離子轟擊能量，為工藝工程師提供了獨(dú)立的調(diào)控維度，擴(kuò)展了工藝窗口。

7.2 維護(hù)性設(shè)計(jì)

NLD-570在腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)了維護(hù)的簡便性。與ICP設(shè)備相比，NLD等離子源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更低，腔體內(nèi)壁的防腐蝕涂層有效減少了副產(chǎn)物的附著，降低了腔體清潔的頻率。靜電吸盤和冷卻系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)也使得日常維護(hù)和零部件更換更加高效。

7.3 可擴(kuò)展配置

對于需要批量化處理的應(yīng)用場景，NLD-570可選配晶圓盒室（Cassette Chamber）。該配置將設(shè)備的運(yùn)行模式從單晶圓手動裝載升級為自動盒式晶圓傳輸，提升了小批量生產(chǎn)的效率和一致性。

八、總結(jié)

ULVAC愛發(fā)科NLD-570干法刻蝕設(shè)備以其有的NLD磁中性環(huán)路放電等離子源技術(shù)，在低壓、低電子溫度、高密度等離子的產(chǎn)生與控制方面樹立了獨(dú)特的技術(shù)。與傳統(tǒng)的ICP刻蝕技術(shù)相比，NLD技術(shù)在硬質(zhì)材料（石英、玻璃、LN/LT）的深刻蝕加工中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：更高的刻蝕速率、更優(yōu)的側(cè)壁形貌控制、更低的等離子體損傷，以及更均勻的8英寸晶圓刻蝕分布。

NLD-570面向研究開發(fā)的定位使其在工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的靈活性和材料兼容性方面具備突出的適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件制造、微透鏡加工、光子晶體制作、微流控芯片和MEMS器件等前沿領(lǐng)域。隨著集成光學(xué)、量子光子學(xué)和微納加工技術(shù)對高精度、低損傷刻蝕工藝需求的持續(xù)增長，NLD-570作為愛發(fā)科在NLD技術(shù)領(lǐng)域的代表性設(shè)備，將繼續(xù)在高性能硬質(zhì)材料微納加工中發(fā)揮重要作用。