阅读说明：本技术 三维半导体制造 (Three-dimensional semiconductor fabrication ) 是由 G·N·尼尔森 于 2018-03-30 设计创作，主要内容包括：本文描述了与通过激光器控制半导体的电化学蚀刻有关的各种技术,所述激光器发射具有低于半导体的带隙能量的能量的光。(Various techniques are described herein relating to controlling electrochemical etching of semiconductors by lasers that emit light having an energy below the bandgap energy of the semiconductor.)

三维半导体制造

相关申请

本申请要求于2017年3月31日提交的名称为“THREE-DIMENSIONAL SILICONFABRICATION”的美国临时专利申请号62/480,259和2018年1月17日提交的名称为“THREE-DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR FABRICATION”的美国临时专利申请号62/618,205的优先权，所述申请的全部内容通过引用方式合并于本文中。

背景技术

微制造是指用于制造集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)的各种技术。通过传统微制造技术制造的IC和MEMS具有微米或纳米量级的特征尺寸。常规地，IC和MEMS的微制造是逐层工艺，其中沉积半导体(和各种其他材料)的层，用光刻工具图案化，然后蚀刻以限定最终几何形状的部分。通常，这些传统的微制造技术限于产生具有类似于二维挤压几何形状的形状的结构，有时称为2.5D。

此外，这些传统的微制造技术复杂，耗时且昂贵。在一个例子中，单层器件的制造可以包括以下步骤：1)在衬底或晶片上沉积薄膜；2)用光致抗蚀剂掩模层涂覆薄膜，3)光致抗蚀剂掩模层的光刻图案化，4)通过光致抗蚀剂掩模层蚀刻薄膜层，5)剥离光致抗蚀剂掩模层，以及6)在以类似方式沉积和图案化后续层之前彻底清洁衬底或晶片。

发明概述

以下是本文更详细描述的主题的简要概述。本

并非旨在限制权利要求的范围。

本文描述了与通过选择性蚀刻半导体来制造半导体中的结构有关的各种技术。这些技术适用于制造半导体中的各种三维(3D)结构(例如，三维空隙)。此外，这些技术适用于蚀刻半导体中具有比传统选择性蚀刻技术通常可能的更小的特征尺寸的结构。

在各种示例性实施方案中，通过在暴露于蚀刻剂溶液的半导体表面处的电化学反应来蚀刻半导体。基于半导体的原子晶格中的空穴的受控产生(即，晶格中通常被建模为带正电粒子的电子的缺失，称为空穴)，选择性地蚀刻半导体的暴露表面。在蚀刻反应中，半导体的暴露表面处的空穴引起半导体的氧化，随后通过蚀刻剂溶液蚀刻氧化。通过具有低于半导体的带隙能量的能量的照射源(例如，激光器)照射半导体来选择性地产生空穴。单个子带隙能量光子没有足够的能量将半导体中的电子从价带移动到导带。因此，通常子带隙能量光不能在半导体的原子晶格中产生空穴。由照射源发射的子带隙能量光聚焦到足够强的焦斑，以在半导体内引起多光子吸收(MPA)。当发生这种情况时，多个光子的光子能量被组合以超过半导体的带隙能量，从价带激发电子到导带，从而在照射源的焦斑处在半导体的原子晶格中产生空穴。可以在希望执行蚀刻的照射源的焦斑附近的区域中选择性地产生空穴，从而将蚀刻限制在焦斑附近的区域。

由于由照射源发射的光是不经历线性吸收的子带隙能量光，因此半导体对于由照射源发射的光是透明的。通过在半导体的主体内移动照射源的焦斑，可以选择性地控制半导体的蚀刻以在根据传统的半导体蚀刻方法不能被蚀刻的位置处发生。因此，可以在半导体的主体内蚀刻三维特征，这些三维特征不容易通过传统的微制造技术产生。在示例性实施方案中，照射源可以面向半导体的与暴露于蚀刻剂溶液的表面相对的第二表面(例如，背侧表面)定位。在该实施方案中，照射源朝向半导体的第二表面发射光并且通过半导体发射到半导体本体内的焦斑。通过与蚀刻表面相对的第二表面照射半导体避免了发射光的潜在散射，散射可能导致不期望的半导体蚀刻或者可能降低半导体特征的可实现的分辨率。

在其他示例性实施方案中，通过计算设备控制照射源，该计算设备包含半导体内的电荷载流子传输的物理模型。通常，在半导体中的第一位置处产生的空穴可以在半导体内移动，受到由电场、载流子扩散等引起的各种力的影响。因此，在一些情况下，在半导体中的第一位置处产生的空穴可以移动到半导体中的除了理想地蚀刻的位置以外的位置。通过结合电荷载流子传输的物理模型，计算设备可以控制照射源，使得发射的光在它们将最终迁移到期望的蚀刻位置的位置处产生空穴。举例来说，计算设备被提供半导体中的期望的蚀刻位置。计算设备基于物理模型输出预测，其中预测指示在第一位置处产生的空穴预期迁移到期望的蚀刻位置。物理模型可以基于半导体中的电荷载流子扩散、施加到半导体的电场(例如，通过偏置电压)以及驱动蚀刻反应的电化学电池中的电流来输出预测。然后，计算设备控制照射源的输出，以使照射源照射半导体，其焦斑位于物理模型预测的第一位置。

以上概述提供了简化的发明内容，以便提供对本文所讨论的系统和/或方法的一些方面的基本理解。该概述不是本文讨论的系统和/或方法的广泛概述。其目的不是识别关键/重要元素或描述这些系统和/或方法的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

附图说明

图1是有助于通过子带隙能量激光器控制的半导体的选择性蚀刻的示例性系统的图。

图2是子带隙能量照射源的焦斑附近的MPA的概念图。

图3是在感应电场的影响下的空穴漂移的概念图。

图4是示出半导体中空穴的产生和迁移的概念图。

图5是说明电场聚焦对半导体中空穴迁移的影响的概念图。

图6是示例性子表面半导体蚀刻的图。

图7是图6中描绘的子表面半导体蚀刻的三维表示。

图8是有助于由多个子带隙能量激光器控制的半导体的选择性蚀刻的另一示例性系统的图。

图9是说明由子带隙能量激光器控制的选择性半导体蚀刻的示例性方法的流程图。

图10是示例性计算系统。

发明详述

现在参考附图描述与光控选择性半导体蚀刻有关的各种技术，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个方面的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些方面。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和设备，以便于描述一个或多个方面。此外，应该理解，被描述为由某些系统组件执行的功能可以由多个组件执行。类似地，例如，组件可以被配置为执行被描述为由多个组件执行的功能。

此外，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。即，除非另有说明或从上下文中清楚，否则短语“X使用A或B”是旨在表示任何自然的包容性排列。也就是说，通过以下任何一种情况满足短语“X使用A或B”：X使用A；X雇用B；或者X使用A和B。另外，本申请和所附权利要求中使用的词语“一”和“一个”通常应理解为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚针对单数形式。

此外，如本文所使用的，术语“组件”和“系统”旨在涵盖计算机可读数据存储单元，该计算机可读数据存储单元配置有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在由处理器执行时使得执行某些功能。计算机可执行指令可以包括例程、函数等。还应理解，组件或系统可以位于单个设备上或分布在多个设备上。另外，如本文所使用的，术语“示例性”旨在表示用作某事物的说明或示例，并且不旨在表示偏好。

应理解，如本文所用，半导体晶格中的“空穴”是指在半导体晶格中的位置处不存在电子。虽然这里提到了与作为有形实体的空穴相关的各种动作和出现，但是应该理解，这种解释仅仅是为了便于理解各个方面，并且可以反映潜在物理过程中的一些不准确性。例如，虽然这里参考了对空穴施加力并引起空穴运动的电场，但是应该理解，电场实际上对半导体晶格中的电子施加力，从而引起电子运动，而这种运动的结果可能合适地通过将空穴概念化为虚拟粒子来描述。对空穴进行这样的参考是为了便于理解，并且与半导体制造领域中通常采用的描述一致。

参考图1，示出了促进选择性控制的半导体蚀刻的示例性系统100。系统100包括蚀刻室102、激光器104和控制激光器104的计算设备106。蚀刻室102包含期望被蚀刻的半导体元件108和选择性地氧化和在半导体108的原子晶格中存在空穴的位置处蚀刻半导体108的蚀刻溶液110。激光器104基于从计算设备106接收的控制信号在半导体108处发射光束109，以便在半导体108中的特定区域处产生空穴。然后通过蚀刻溶液110在所产生的空穴迁移到半导体108的暴露于蚀刻溶液110的第一表面112的位置处蚀刻半导体108。因此，控制激光器104以使得基于激光器104在半导体108中产生孔的位置在所需位置处蚀刻半导体108。

基于半导体108的化学组成来选择蚀刻溶液110的组成。作为示例而非限制，在半导体108包括硅或其他碳族元素(例如，硅、碳、锗等)的应用中，蚀刻溶液110可包括氢氟酸(HF)。例如，蚀刻溶液110可以是1％至30％HF的溶液。在其他实施方案中，也可以使用为反应提供氟原子的其他化学品，例如氢氧化铵/氟化铵。在各种实施方案中，蚀刻溶液110可包括表面活性剂(例如，乙醇、二甲基甲酰胺、乙腈等)，其增强蚀刻溶液110对半导体108的表面112的润湿，并且可促进从半导体108的表面112去除蚀刻气体。应理解，本文所述的方法和系统适用于各种半导体的选择性蚀刻。在一些示例性实施方案中，半导体108包括本征元素半导体，诸如硅、碳(金刚石、石墨烯、碳纳米管等)、锗等。在其他示例性实施方案中，半导体108包括III-V族半导体(例如，砷化镓、磷化铟等)、III族氮化物(例如，氮化镓、氮化铟镓等)、II-VI族半导体(例如，氧化锌、碲化镉等)或其他半导体化合物(例如，碳化硅、硅锗等)。可以选择蚀刻溶液110的组成以促进蚀刻期望蚀刻的半导体。

现在描述与选择性蚀刻半导体元件108有关的系统100的配置和操作的各种细节。蚀刻室102包括第一收容容器114和第二收容容器116。第一收容容器114包含蚀刻溶液110。容器114,116通过密封件118(例如，O形环、容器114,116是环形的部分)连接，密封件118防止蚀刻溶液110从蚀刻室102逸出。半导体108位于第二收容容器116中，使得半导体108的第一表面112暴露于蚀刻溶液110。

系统100还包括电压源120，其在半导体中建立电场，促进半导体108的表面112处的蚀刻反应。电压源120分别在电压源120的正端子和负端子处连接到阳极电极122和阴极电极124。阳极电极122定位在第二收容容器116内与导电材料126接触。导电材料126放置成与半导体108的第二表面128接触，第二表面128与暴露于蚀刻溶液的表面112相对。当通过电压源120向电极122,124施加电压时，在半导体108内建立电场，该电场可用于将电荷载流子引导到半导体108内的期望位置。例如，可以控制电压源120以在半导体108内建立电场，该电场趋于使正电荷载流子(例如空穴)朝向蚀刻表面112迁移。

第二收容容器116还包括窗口130，窗口130定位在容器116的外表面132处并且延伸穿过表面132以面向半导体108的背侧表面128(即，与被蚀刻的表面相对的表面)。窗口130对于由激光器104发射的光束109是透明的。激光器104面向窗口130定位并通过窗口130朝向半导体108的背侧128发射光束109。选择或配置导电材料126对于由激光器104发射的光束109是透明的。作为示例而非限制，导电材料126可以是盐水、酸、碱、透明导电氧化物、非常薄的金属膜(例如，10-50nm)、金属网、石墨烯、碳纳米管、透明导电聚合物等。在另一个示例性实施方案中，导电材料126可以是弱HF溶液。在蚀刻溶液110包含HF的情况下，使用HF溶液作为导电材料126可以抑制蚀刻溶液110和导电材料126之间的不希望的反应(如果它们接触的话)。系统100还可包括聚焦透镜134(例如，物镜或定制光学聚焦元件)，其从激光器104接收光束109并将光束109通过窗口130聚焦到半导体元件内的焦斑。在离开聚焦透镜134之后，光束109将是焦锥，然而，为了简化和说明的目的，光束109(以及在一些后续图中)被示出为直光束直到其到达其焦斑位置144。

计算设备106包括处理器136，可操作地耦合到处理器136的存储器138，以及可操作地耦合到处理器136的数据存储库140。存储器138包括当由处理器136执行时使处理器136执行各种功能的指令。过程控制组件142控制用于选择性地蚀刻半导体108的过程的各个方面。例如，过程控制组件142控制激光器104和/或聚焦透镜134的定向和定位，以照亮半导体108中的特定位置。过程控制组件142还可以被配置为控制其他蚀刻输入变量，例如光束109的强度，由电压源102施加的偏置电压，蚀刻溶液110的温度等。

现在描述与选择性蚀刻半导体108有关的系统100的操作。蚀刻溶液110对半导体108的蚀刻基于在表面112处存在原子晶格中的空穴的情况下在半导体108的蚀刻表面112处执行的一系列化学反应而发生。例如，在在示例性实施方案中，半导体108包括硅并且蚀刻溶液110包括氢氟酸，蚀刻反应是以下两步电化学反应：

Si+2F^-+2h⁺→SiF₂ (1)

SiF₂+2HF→SiF₄+H₄ (2)

在等式1所示的化学反应中，硅半导体表面上的正电荷空穴促进带负电的氟离子与中性硅之间的反应，从而在表面产生SiF₂。反应式2的化学反应是蚀刻反应，由此HF蚀刻溶液与SiF₂反应以产生SiF₄和H₂气体。因此，可以通过控制半导体中空穴的数量和位置来控制由反应式1和2描述的电化学蚀刻反应。在存在空穴的情况下，可以发生蚀刻，并且在不存在空穴的情况下，不会发生蚀刻。已经提出了其他替代化学反应方程式，用于硅的电化学蚀刻，具有中间氧化硅步骤。通常，各种提出的反应方程式和实验结果表明对于用于蚀刻发生的空穴的需要。

在示例性系统100中，通过激光器104照射半导体108产生空穴。由于存在空穴促进蚀刻溶液110与半导体108的电化学蚀刻反应，因此可以基于激光器104对半导体108的照射来控制半导体108的蚀刻。为了在半导体中产生空穴，必须给半导体晶格中的电子提供足够的能量，以允许电子从价带到导带桥接半导体的带隙。因此，传统上，使用激光器在半导体中产生空穴，其中每个光子的能量大于半导体的带隙能量。

相反，激光器104是发射光的激光器，其中光子能量小于半导体108的带隙能量。子带隙能量光通常不被半导体108吸收，因此半导体108对于由激光器104发射的光束109而言通常是透明的。聚焦透镜134被配置成将光束109聚焦到半导体108中的强焦斑144。而通常子带隙能量光不会给予电子足够的能量来使电子从半导体晶格中的位置释放(从而产生空穴)，当聚焦透镜134将光束聚焦到强焦斑144时，可发生MPA，由此多个光子基本上同时将能量传递给电子。当电子吸收多个光子，每个光子具有低于带隙能量的能量时，可以赋予足够的能量以使电子从价带移动到导带，从而产生空穴。

作为说明，现在参考图2，示出了在半导体的原子晶格中产生空穴的概念图。应当理解，虽然关于图2描绘和描述了与电子、光子和空穴有关的某些方面，但是这些方面仅旨在作为概念性说明以便于理解基础物理过程而不是作为完全准确地描述亚原子物理过程。图2描绘了包括多个电子e^-的半导体200的快照视图。电子e^-被约束在半导体200的价带或半导体200的导带中。图2还示出了光束202，例如由激光器发射的光束202。如图2所示，光束202包括多个光子p，其中每个光子p具有低于半导体200的带隙能量的能量。

最初，光束202在区域204中未聚焦。在未聚焦区域204中，光束202不太可能将足够的能量传递给电子以使电子从价带穿过带隙到导带，因为两个或多个光子不太可能同时将能量传递给电子。光束202在半导体200内的焦斑206处聚焦。在焦斑206处，光束202的注量(即，每单位面积的能量)相对于未聚焦区域204增加。因此，在焦斑206处两个或更多个光子更可能在几乎同时向电子传递能量。MPA发生在光束202的焦斑206处。例如，如图2所示，两个光子208,210同时到达电子212。光子208,210赋予足够的能量以使电子212从它在半导体200的原子晶格中的位置移动，如从电子212延伸的箭头所示。相反，在图2所示的时间快照处，只有单个光子214到达另一个电子216。由于光束202的光子p具有子带隙能量，单光子214不足以向电子216提供足够的能量以使电子216从其在晶格中的位置移动，因此，光子214不被吸收并且电子216不离开价带。当电子e^-离开其在半导体200的晶格中的位置时，带正电的空穴h⁺保留在后面。例如，电子218被描绘为远离晶格中的位置移动，而空穴220保留在其位置。

再次参照图1，通过焦斑144处的半导体108的原子晶格中的电子，通过光束109的子带隙能量光的MPA在焦斑144处产生空穴。在焦斑144处产生的空穴可以迁移到蚀刻表面112，引起在表面112处的空穴的位置处的半导体108的氧化和随后的蚀刻。举例来说，半导体108包括从表面112延伸到半导体108中的蚀刻特征146。当在焦斑144处产生的空穴迁移到蚀刻特征146的底表面148时，蚀刻溶液110氧化并蚀刻特征146的底表面148，以进一步将特征146延伸到半导体108的主体中。

过程控制组件142可以通过蚀刻室102中的蚀刻溶液110控制半导体108的电化学蚀刻的各种参数，以便于蚀刻期望的特征。在实施例中，可以建立并可变地控制电场以影响在半导体108中蚀刻的特征的尺寸或形状。在系统100中，计算设备106与电压源120通信，并且过程控制系统。142被配置为控制电压源120的输出。过程控制系统142可以控制电压源120以在半导体108中建立电场。可以保持电场使得空穴被扫描到蚀刻表面112，如上所述。通过电压源120在半导体108中建立电场有助于通过将空穴引导到半导体晶格中的期望位置来执行半导体108的表面112的选择性蚀刻。半导体108内的各种内部电场(不是由于电压源120引起)在半导体108中的空穴上施加力，这可能导致半导体漂移。此外，空穴通过半导体108从较高浓度的区域扩散到较低浓度的区域。使用电压源120在半导体108内建立电场可以通过减少激光器104的焦斑144处的空穴产生与空穴到达表面112之间的时间来减轻其他电场和载流子扩散对半导体108的表面112处的空穴的最终位置的影响。

作为示例，现在参考图3，示出了描绘在两个不同电场的影响下的空穴迁移的图。图3描绘了半导体元件300，其包括暴露于蚀刻溶液304的第一表面302和与第一表面302相对的第二表面306，其中子带隙能量光束308通过第二表面306进入半导体300。光束308在位于半导体300内的光束308的焦斑316处产生多个空穴310-314。在电场E的影响下，空穴310-314朝向半导体300的蚀刻表面302迁移。对于电场E的第一强度，空穴310-314迁移到相应的位置318-322。如果电场E增加到第二更大的强度(例如，通过增加系统100中的电压源120的电压输出)，则空穴310-314可以更快地扫描到蚀刻表面302。如图3所示，在具有第二更大强度的电场的影响下，空穴310,314迁移到比位置318,322更靠近在一起的相应位置324,326。因此，对于给定的一组照射参数(例如，激光焦斑的大小、位置、强度)的蚀刻特征的尺寸(例如，直径)可以通过降低电场E的强度来增加，或者可以通过增加电场E的强度来减小。

系统100的其他参数可由过程控制组件142结合蚀刻半导体108中的所需特征来控制。在示例性实施方案中，过程控制组件142将控制信号输出到激光器104和/或聚焦透镜134，使激光器104和/或聚焦透镜134调节半导体108内的焦斑144的尺寸、强度或定位，以影响所得的蚀刻。

作为示例，现在参考图4，示出了描绘用于焦斑的各种尺寸和位置的半导体内的空穴迁移的差异的图。图4描绘了半导体元件400，其包括暴露于蚀刻溶液404的第一表面402和与第一表面402相对的第二背侧表面406，其中子带隙能量光的光束408-412被描绘为穿过背侧表面406进入半导体400。每个光束408-412具有焦斑尺寸和相对于蚀刻表面402的位置的不同组合。光束408具有焦斑414，焦斑宽度fw₁位于离开蚀刻表面402的d₁深度处。空穴416,418被描绘为最初在焦斑414处间隔开fw₁的最大距离。由于载流子扩散，内部或感应电场或其他各种力，空穴416,418移位到半导体400的蚀刻表面402处的位置420,422。位置420,422的宽度为w₁，其中w₁的值取决于本文所述的各种蚀刻参数。类似地，光束410具有焦斑424。光束410的焦斑424具有与第一光束408的焦斑414相同的焦斑宽度fw₁，但是焦斑424位于比第一焦斑414的深度d₁浅的深度d₂处。结果，在所有其他条件相同的情况下，在焦斑424处以最大距离fw₁产生的空穴426,428迁移到蚀刻表面420处的间隔比宽度w₁更小的宽度w₂的相应第二位置430,432处。对于相同尺寸的焦斑，可以通过增加焦斑和蚀刻表面之间的距离来增加半导体的蚀刻表面处的蚀刻特征的尺寸。

焦斑的宽度也可以影响所得蚀刻特征的宽度。仍然参考图4，第三光束412具有焦斑434，焦斑434位于与第二光束410的焦斑424相同的深度d₂处。第三光束412的焦斑434还具有比第二光束410的焦斑宽度fw₁大的焦斑宽度fw₂。空穴436,438被描绘为在焦斑434处以fw₂的最大距离产生。空穴436,438被示出为迁移到蚀刻表面402处的相应的第二位置440,442，位置440,442间隔开宽度w₃。宽度w₃大于宽度w₂，表示在其他条件相同的情况下，较大的焦斑宽度fw₂产生较大的蚀刻特征宽度w₃。

可以相对于半导体108中的现有蚀刻特征的位置进一步控制激光器104的焦斑144的位置，以影响蚀刻特征的所得尺寸或形状。例如，焦斑144可以定位在半导体108中的蚀刻特征的表面紧邻处(例如，在特征表面的10纳米内，到特征表面的10到200微米之内或者更多地取决于特定半导体的载流子扩散长度)，使得由蚀刻特征的几何形状建立的内部电场改变在焦斑144处产生的空穴的运动。在非限制性实施例中，现在参见图5，示出了半导体500的示例性蚀刻的图，其中在紧邻现有蚀刻特征的地方产生空穴以减小蚀刻的尺寸。半导体包括暴露于蚀刻溶液504的前侧表面502和背侧表面506，子带隙能量光束508通过背侧表面506进入半导体500。半导体500包括蚀刻在半导体500的表面502中的特征510。特征510在表面502处具有初始宽度w_i。在示例性实施方案中，初始宽度w_i基于光束508的焦斑512的宽度，半导体500中的感应电场E的强度，表面502与焦斑512的位置之间的电荷载流子浓度的相对差异等。当特征510延伸到半导体500中时，特征510的宽度逐渐变细到较小的最终宽度w_f，这是由于电荷载流子在特征510的尖端514处的电场聚焦。

作为说明，在光束508的焦斑512处产生多个空穴516-520。在感应电场E的影响下，空穴516-520从光束508的焦斑512朝向半导体500的蚀刻表面502迁移。在没有现有特征的情况下，表面502处的蚀刻特征的最小宽度可能受到光束508的焦斑尺寸的限制。例如，与首先在半导体500的表面502处蚀刻特征510结合，初始宽度w_i可以是焦斑512的宽度。当特征510被蚀刻到半导体中时，特征510的表面(例如，内表面522，524)使电场线(未示出)从表面506朝向特征510弯曲，特别是朝向特征510的尖端514弯曲。由于特征510引起的电场的这种变化在空穴迁移通过半导体500时对空穴施加力。因此，在光束508的焦斑512处产生的空穴516-520被拉向特征510的尖端514，到达宽度w_f内的位置526-530。然而，在没有特征510的情况下，空穴516-520可以在它们朝向表面502迁移时分开(例如，由于半导体500中的电荷载流子扩散)，特征510的表面将空穴引向它们。

在示例性实施方案中，特征510的最终宽度w_f小于焦斑512的宽度。因此，再次参见图1，通过将激光器104的焦斑144放置在半导体108中的蚀刻特征附近，可以在半导体108中蚀刻尺寸小于激光器104和聚焦透镜134的分辨率极限的特征。在一个说明性实施例中，如果激光器104具有500纳米的最小焦斑尺寸，过程控制组件142可以控制激光器104以利用电场聚焦来蚀刻尺寸小至10纳米的特征。

由于除了激光器104的焦斑144之外，子带隙能量光不被半导体108吸收，因此焦斑144可以位于半导体108的三维体内的任何位置。这使得能够蚀刻半导体108内的三维特征不需要直接到半导体108的蚀刻表面112的直线路径，这是基于光掩模的传统蚀刻中通常所需的。

例如，现在参考图6，描绘了半导体600的示例性蚀刻，其中腔602形成在半导体600的主体内。如图6所示，半导体600包括暴露于蚀刻溶液606的前侧表面604和背侧表面608，子带隙能量光束610通过该背侧表面608进入半导体600。腔602设置在半导体600的主体内而不是形成在半导体600的表面上。由于半导体600对光束608是透明的，而不是在光束610的焦斑612处，所以焦斑612可以定位成在半导体600的主体内的任何地方产生空穴。与蚀刻腔602有关，在蚀刻腔602之前蚀刻附加沟道特征614,616。虽然可以通过使用光束608控制半导体600中的空穴的产生来控制蚀刻溶液606的蚀刻位置，为了蚀刻特征，蚀刻溶液606必须能够到达该特征。因此，第一沟道特征614从前侧表面604蚀刻并蚀刻到半导体600的主体中。第二沟道特征616在第一沟道特征614之后被蚀刻，因为蚀刻溶液606能够通过第一沟道特征614到达第二沟道特征616。随后，可以蚀刻腔602，因为蚀刻溶液606能够通过先前蚀刻的沟道特征614,616到达腔602。

应当理解，尽管在图中以二维形式描绘了与蚀刻特征有关的各个方面以便于理解，但是本文描述的技术适合于蚀刻三维中基本上任何形状的特征。现在参考图7，示出了图6中所示的蚀刻特征602,614,616的三维表示700。在三维表示700中，半导体600被示出为具有矩形立方体形状。第一沟道特征614是从前侧表面604延伸到半导体600的主体中的矩形沟道特征。第二沟道特征616也是矩形沟道特征并且从半导体600主体中的第一沟道特征614水平向外延伸。腔602被示出为立方体腔，其与第二沟道特征616连接，并且由此通过两个沟道特征614,616连接到半导体600的前侧表面604。

再次参见图1，过程控制组件142可以进一步控制蚀刻溶液110的温度和成分，以维持所需的蚀刻参数。系统100还包括与计算设备106通信的成分控制器150和温度控制器152。成分控制器150通过收容容器114中的开口154耦合到第一收容容器114的内部。成分控制器150可以由过程控制组件142控制，以从第一收容容器114去除蚀刻反应的副产物和/或引入另外的蚀刻溶液以将蚀刻溶液110的目标成分保持在收容容器114内。温度控制器152耦合到加热/冷却设备156，加热/冷却设备156位于收容容器114内。响应于从计算设备106接收到控制信号，温度控制器152控制加热/冷却设备156加热或冷却收容容器114中的蚀刻溶液110，以便保持蚀刻溶液110的目标温度(例如，如由计算设备106发送到温度控制器152的控制信号中所指示的)。

应当理解，本文描述的各种力、参数和变量中的任何一个或全部可以影响半导体108内的空穴的迁移。因此，在一个位置处产生的空穴可以受到大量可变物理参数(例如，温度，电极122,124之间的电压，焦斑144的尺寸、强度和位置，半导体108的成分等)的影响而迁移到另一个位置。为了便于根据期望的蚀刻图案蚀刻半导体108，存储器138包括蚀刻建模组件158，其基于输入到计算设备106的蚀刻定义将蚀刻控制指令输出到过程控制组件142。此外，通过监测在电化学蚀刻单元中流动的电流I(其与发生蚀刻的速率有关)，监测蚀刻溶液110的当前温度，监测由蚀刻过程产生的产物(例如，如成分控制器150所识别的)，或者随着蚀刻的进行监测蚀刻前沿的图像，反馈可以引入控制算法中。

现在描述与根据期望图案蚀刻半导体108相关的蚀刻建模组件158和过程控制组件142的示例性操作。向蚀刻建模组件158提供蚀刻定义，其中蚀刻定义指示期望在半导体108中蚀刻的各种特征的位置和尺寸。换句话说，蚀刻定义指示期望(例如，通过系统100的操作者)半导体108被蚀刻的多个位置，其中多个位置一起限定了待蚀刻的一个或多个特征的结构。在示例性实施方案中，蚀刻定义包括计算机辅助设计(CAD)文件，其指示半导体的尺寸以及半导体中的一个或多个蚀刻特征的相应位置和尺寸。输入到蚀刻建模组件158的蚀刻定义可以进一步包括蚀刻的一个或多个期望参数。作为示例而非限制，蚀刻定义可包括指示半导体108的成分、半导体108中的现有蚀刻特征的位置、激光器104和/或电压源120的期望操作参数等的数据。

蚀刻建模组件158被配置为基于蚀刻定义将蚀刻控制指令输出到过程控制组件142。蚀刻控制指令定义系统100的各个方面的控制参数，其由过程控制组件142结合执行蚀刻定义中描述的期望蚀刻而采用。在示例性实施方案中，蚀刻控制指令包括激光器104的焦斑144的多个位置。在其他实施例中，蚀刻控制指令可包括指示蚀刻溶液110的成分、蚀刻溶液110的温度、电压源120的电压输出等的数据。

在示例性系统100中，光束109被发射到半导体108的背侧表面128中，以避免半导体108中已经蚀刻的特征(例如特征146)散射光束109。通过半导体108中的蚀刻特征对光束109的散射通常可以通过激光器104从背侧128照射半导体108并且在蚀刻更远离蚀刻表面112的特征之前首先蚀刻最接近蚀刻表面112的特征来避免。然而，对于在更复杂的三维结构中，可能需要以不同的顺序蚀刻特征以避免光束109的散射。蚀刻建模组件158可以被配置为生成蚀刻控制指令以便最小化光束109穿过半导体108中的已经蚀刻的特征的几率。

在示例性实施方案中，蚀刻建模组件158基于物理模型160生成蚀刻控制指令，物理模型160被配置为输出半导体108内的空穴迁移的预测。在一个实施例中，向所述物理模型160提供所需的蚀刻位置(例如，如提供给蚀刻建模组件158的蚀刻定义中所指示的)，物理模型160输出包括照射位置的预测，其中预测指示在照射位置处产生的空穴预期迁移到所需的蚀刻位置。换句话说，物理模型160接收半导体108的期望蚀刻的位置，并输出激光器104的焦斑144可以定位以产生期望的蚀刻的位置的预测。

物理模型160基于影响半导体108中的空穴运动的各种参数来生成用于期望蚀刻位置的照射位置预测。这些物理效应包括但不限于电荷载流子扩散，半导体108内的感应电场(例如，由在电极122,124之间建立的电压引起)，通过包括导电材料126、半导体108、蚀刻溶液110、电极122,124和电压源120的电化学电池的电流I等。结合产生照射位置预测，物理模型160可以进一步基于可能影响建模物理过程的其他基础数据来对由于这些参数而产生的影响进行建模。例如，物理模型160可以基于半导体108的成分和半导体108中的掺杂剂或其他杂质的浓度来对电荷载流子扩散的影响进行建模。在另一个实施例中，物理模型160可以基于在电极122,124之间施加的电压对感应电场的影响进行建模。

物理模型160除了接收与所需蚀刻参数有关的数据(例如，如在提交给蚀刻建模组件158的蚀刻定义中所指定的)之外，还接收与系统100的一个或多个操作参数的当前状态有关的数据。例如，过程控制组件142可以实时地向物理模型160输出数据，指示电流I的数据，指示蚀刻反应的反应速率的电流I(例如，由上面的反应式1和2描述的反应)。因此，物理模型160可以基于与系统100的当前状态有关的数据连续地生成用于期望蚀刻的特征的照射位置的更新预测。蚀刻建模组件158可以基于预测生成更新的控制指令并向过程控制组件142发送更新的控制指令，以便于过程控制组件142基于关于系统状态的最新信息来控制系统100。

在其他示例性实施方案中，物理模型160可以被配置为基于存储在数据存储库140中的模拟结果162来生成照射位置预测。在一个实施方案中，模拟结果162包括根据各种蚀刻参数的半导体模拟蚀刻的大量的结果(例如，数百或数千或更多)。物理模型160可以被配置为在模拟结果162上执行机器学习算法，以识别模拟蚀刻的结果，该模拟蚀刻的结果呈现与由蚀刻建模组件158接收的蚀刻定义中指示的期望蚀刻类似的蚀刻图案。然后，物理模型160可以基于所识别的结果输出照射位置预测。

虽然本文描述了由物理模型160建模的物理效应的某些实施例，但是可以预期物理模型160可以基本上对任何可能影响由激光器104的焦斑144在照射位置处产生的空穴的所产生的蚀刻位置的物理过程进行建模。

应理解，用于选择性电化学蚀刻各种半导体的系统和方法适用于蚀刻各种尺寸的特征。例如，可以根据本文描述的技术蚀刻特征以具有10纳米至1微米的量级的尺寸，10微米至1毫米的量级的尺寸，或者任意大尺寸的特征。

虽然以上详细描述了与结合选择性蚀刻半导体可操作的示例性系统100有关的各个方面，但应理解，其他配置也是可能的并且预期在本公开的范围内。现在参照图8，示出了另一示例性系统800，其中半导体108包含在蚀刻室802中，该蚀刻室802被配置用于由多个子带隙能量激光器804-808进行正面照射。蚀刻室802包括包含蚀刻溶液110的第一收容容器810和包含半导体108和导电元件814的第二收容容器812。第一收容容器810还包括窗口816，相应的聚焦透镜824-828将通过相应的激光器804-808发射的光束818-822通过窗口816聚焦到半导体108的前侧蚀刻表面112。应当理解，当光束818-822朝向半导体108的前侧表面112发射时，光束818-822可以聚焦到半导体108的主体内和表面112下方的相应焦斑。在示例性系统800中，电压源120连接在与半导体108的背侧128电接触的导电元件814与位于第一收容容器810中的电极830之间。

计算设备106的过程控制组件142可以被配置为独立地控制多个激光器804-808，以便于更快地蚀刻半导体108。例如，由于通过蚀刻溶液110蚀刻半导体108由促进蚀刻反应的空穴驱动，通过激光器804-808在半导体108中的多个位置同时产生空穴使得能够同时蚀刻若干特征。应当理解，基本上任何数量的激光器可以包括在用于半导体的选择性电化学蚀刻的系统中并且由过程控制组件142控制。在其他实施例中，可能希望过程控制组件142控制多个激光器并联操作，使得可以在半导体108中同时蚀刻相同的特征多次。

图9示出了涉及由半导体的子带隙能量照射驱动的选择性半导体蚀刻的示例性方法。虽然该方法被示出并描述为按顺序执行的一系列动作，但应理解并意识到该方法不受序列顺序的限制。例如，一些动作可以以与本文描述的顺序不同的顺序发生。此外，动作可以与另一动作同时发生。此外，在某些情况下，可能不需要所有动作来实现本文描述的方法。

此外，本文描述的动作可以是计算机可执行指令，其可以由一个或多个处理器实现和/或存储在一个或多个计算机可读介质上。计算机可执行指令可以包括例程、子例程、程序、执行的线程和/或类似物。此外，该方法的动作的结果可以存储在计算机可读介质中，显示在显示设备上，和/或类似物。

现在参考图9，示出了有助于通过半导体的子带隙能量照射来选择性蚀刻半导体的方法900。方法900开始于902，并且在904，在半导体的第一表面和半导体的第二表面之间施加电压。举例来说，通过在浸入导电溶液中的电极之间施加电压，可以在第一表面和第二表面之间施加电压，所述导电溶液分别与半导体的第一和第二表面(例如，示例性系统100中所示的电极122,124)相接触。在906处，通过激光器照射半导体的第一位置，所述激光器发射具有低于半导体的带隙能量的能量的光。激光聚焦到足够强的焦斑以在半导体中的第一位置处产生空穴，其中基于在第一位置处产生的空穴而在第二位置处发生半导体的蚀刻。该方法然后在908结束。

现在参考图10，示出了可以根据本文公开的系统和方法使用的示例性计算设备1000的高级图示。例如，计算设备1000可以用在控制用于选择性半导体蚀刻的系统的操作的系统(例如，系统100，系统800)中。作为另一示例，计算设备1000可以用在基于物理模型执行半导体内的电荷载流子迁移的模拟的系统中。计算设备1000包括执行存储在存储器1004中的指令的至少一个处理器1002。该指令可以是，例如，用于实现被描述为由上面讨论的一个或多个组件执行的功能的指令或用于实现一个或多个上述方法的指令。处理器1002可以通过系统总线1006访问存储器1004。除了存储可执行指令之外，存储器1004还可以存储模拟结果、蚀刻定义、选择性蚀刻系统的各种工艺参数的状态等。

计算设备1000另外包括数据存储库1008，其可由处理器1002通过系统总线1006访问。数据存储库1008可包括可执行指令、模拟结果等。计算设备1000还包括允许外部设备与计算设备1000通信的输入接口1010。例如，输入接口1010可以用于从外部计算机设备、用户等接收指令。计算设备1000还包括输出接口1012，其可以将计算设备1000与一个或多个外部设备对接。例如，计算设备1000可以通过输出接口1012显示文本、图像等。

可以预期，经由输入接口1010和输出接口1012与计算设备1000通信的外部设备可以包括在提供用户可以与之交互的基本上任何类型的用户接口的环境中。用户接口类型的示例包括图形用户界面、自然用户界面等。例如，图形用户界面可以接受来自使用诸如键盘、鼠标、遥控器等输入设备的用户的输入，并在诸如显示器的输出设备上提供输出。此外，自然用户界面可以使用户能够以不受诸如键盘、鼠标、遥控器等输入设备施加的约束的方式与计算设备1000交互。相反，自然用户界面可以依赖于语音识别，触摸和手写笔识别，屏幕上和屏幕附近的手势识别，空中手势，头部和眼睛跟踪，语音和语言，视觉，触摸，手势，机器智能等等。

另外，虽然被示为单个系统，但是应该理解，计算设备1000可以是分布式系统。因此，例如，若干设备可以通过网络连接进行通信，并且可以共同执行被描述为由计算设备1000执行的任务。

本文描述的各种功能可以用硬件、软件或其任何组合来实现。如果以软件实现，则可以将这些功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传输。计算机可读介质包括计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是可由计算机访问的任何可用存储介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或可以以指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。这里使用的磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘(BD)，其中磁盘通常以磁性方式再现数据并且光盘通常用激光光学地再现数据。此外，传播的信号不包括在计算机可读存储介质的范围内。计算机可读介质还包括通信介质，其包括便于将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何介质。例如，连接可以是通信介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(如红外线、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源传输软件，则通信介质的定义中包括同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(如红外线、无线电和微波)。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

可替代地或另外地，本文描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件执行。例如但不限于，可以使用的说明性类型的硬件逻辑组件包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用集成电路(ASIC)、程序专用标准产品(ASSP)、片上系统式系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。

以上描述的内容包括一个或多个实施方案的实施例。当然，出于描述前述方面的目的，不可能描述上述设备或方法的每个可想到的修改和变更，但是本领域普通技术人员可以认识到，可以对各个方面进行许多进一步的修改和置换。因此，所描述的方面旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。此外，在详细说明或权利要求中使用术语“包括”的范围内，该术语旨在以类似于术语“包含”的方式包括在内，如“包含”在权利要求中被用作过渡时所解释的那样。