CN104103561B - 用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体及其刻蚀系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体及其系统，所述系统包括：刻蚀腔体、气体产生装置和控制系统，气体产生装置用于将产生的刻蚀气体、氮气和乙醇气体进行混合输入到刻蚀腔体内，所述刻蚀腔体上设有进气口和出气口，刻蚀腔体内设有旋转平台、加热器和气体匀流装置，进入刻蚀腔体的混合气体通过气体匀流装置进行充分混合，旋转平台上放置有待刻蚀的半导体器件，控制系统控制气体产生装置产生混合气体，混合气体在刻蚀腔体内充分混合，控制系统控制旋转平台转动并控制加热器进行加热。
Description
技术领域
本发明涉及刻蚀用设备技术领域，尤其涉及一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体及其刻蚀系统。
背景技术
MEMS制造工艺与半导体和微电子工艺基本类似，包括了光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等基本工艺步骤。其中传统的刻蚀方法是干法等离子刻蚀和选择性湿法刻蚀，前者无法实现大面积深孔刻蚀，而这正是MEMS工艺的基本要求。
在传统的湿法刻蚀工艺中（包括近期有人提出的常压常温气态氢氟酸刻蚀）都是用氢氟酸来腐蚀二氧化硅，由于刻蚀过程和后期清洗的过程中有水的存在，导致刻蚀过程中由于应力或表面张力等作用造成粘连，并可能导致结构崩塌，终至工艺失败；并且由于刻蚀的深度较深，导致均匀性也不太理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体及其刻蚀系统，所述系统通过使用无水氟化氢蒸汽结合无水乙醇蒸汽进行刻蚀，避免了在刻蚀过程中由于水的应力或表面张力等作用造成器件粘连或可能导致结构崩塌的现象，并且通过使用刻蚀腔体，可以有效地控制反应过程，提高刻蚀均匀性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体，其特征在于：所述刻蚀腔体包括腔主体、上盖、气管、旋转平台、匀流管、加热器和匀流板，所述腔主体的上部使用上盖进行密封，腔主体上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口位于所述腔主体的左右两侧，所述进气口内设有进气管，出气口内设有出气管，腔主体内部的进气管上设有进气匀流管，腔主体内部的出气管上设有出气匀流管，所述进气匀流管的左侧设有进气匀流板，所述出气匀流管的右侧设有出气匀流板，所述进气匀流管与进气匀流板之间设有右加热器，所述出气匀流管与出气匀流板之间设有左加热器，进气匀流板与出气匀流板之间保持间隔设置，所述旋转平台位于进气匀流板与出气匀流板之间。
进一步的技术方案在于：所述匀流管为T型。
进一步的技术方案在于：所述匀流板上设有通气孔。
本发明还公开了一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，其特征在于包括：上述刻蚀腔体、气体产生装置和控制系统，气体产生装置用于将产生的刻蚀气体、氮气和乙醇气体进行混合输入到刻蚀腔体内，所述刻蚀腔体上设有进气口和出气口，刻蚀腔体内设有旋转平台、加热器和气体匀流装置，进入刻蚀腔体的混合气体通过气体匀流装置进行充分混合，旋转平台上放置有待刻蚀的半导体器件，控制系统控制气体产生装置产生混合气体，混合气体在刻蚀腔体内充分混合，控制系统控制旋转平台转动并控制加热器进行加热。
进一步的技术方案在于：所述刻蚀系统还包括真空泵和尾气处理装置，所述刻蚀腔体的出气口通过真空泵与尾气处理装置的进气口连接，控制系统控制真空泵进行吸气，使刻蚀腔体内为负压状态。
进一步的技术方案在于：所述气体发生装置包括氟化氢气罐、氮气罐和乙醇汽化罐，所述氟化氢气罐的出气口依次经减压阀和流量计与所述刻蚀腔体的进气口密封连接；所述氮气罐的出气口依次经减压阀和流量计与所述刻蚀腔体的进气口密封连接；所述乙醇汽化罐通过流量计和管路与所述刻蚀腔体的进气口密封连接。
进一步的技术方案在于：所述控制系统使用PLC作为控制器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述气刻蚀系统采用无水氟化氢蒸汽（VHF）结合无水乙醇蒸汽进行刻蚀，不包含水或者水蒸气，避免了在刻蚀过程中由于水的应力或表面张力等作用造成器件粘连或可能导致结构崩塌的现象，由于采取了无水氟化氢气体的刻蚀方法，使得刻蚀结构较小的部件和深腔部件变得非常容易；由于控制系统采用PLC和触摸屏人机界面，精密控制温度、流量、压力等工艺参数，加上特殊设计的刻蚀腔体，刻蚀腔体内设有匀气机构和晶片旋转机构，可以有效地控制反应过程，提高刻蚀均匀性，同时保持较高的选择性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明所述系统的原理框图；
图2是图1中刻蚀腔体的分解结构示意图；
其中：1、气体产生装置 11、氟化氢气罐 12、氮气罐 13、乙醇汽化罐 14、流量计 15、减压阀 2、刻蚀腔体 21、腔主体 22、上盖 23、旋转平台 24、进气管 25、出气管 26、进气匀流管 27、出气匀流管 28、进气匀流板 29、出气匀流板 210、右加热器 211、左加热器 3、控制系统 4、真空泵 5、尾气处理装置。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
首先如图2所示，本发明公开了一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体，所述刻蚀腔体2包括腔主体21、上盖22、气管、旋转平台23、匀流管、加热器和匀流板。所述腔主体21的上部使用上盖22进行密封，腔主体21上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口位于所述腔主体的左右两侧，所述进气口内设有进气管24，出气口内设有出气管25，腔主体21内部的进气管24上设有进气匀流管26，腔主体21内部的出气管25上设有出气匀流管27，所述匀流管为T型，对于进气匀流管26来说，匀流管的下端为进气口，上端左右两侧的开口为出气口；对于出气匀流管27来说，匀流管的下端为出气口，上端左右两侧的开口为进气口。
所述进气匀流管26的左侧设有进气匀流板28，所述出气匀流管27的右侧设有出气匀流板29，所述进气匀流管26与进气匀流板28之间设有右加热器210，所述出气匀流管27与出气匀流板29之间设有左加热器211，进气匀流板28与出气匀流板29之间保持间隔设置，所述匀流板上设有通气孔，通气孔的直径可以设置成非常小，用于使通过的混合气体成分更均匀；进气匀流板28、腔主体21与上盖22之间以及出气匀流板29、腔主体21与上盖22之间形成小腔体，进气匀流板28、出气匀流板29、腔主体21与上盖22 之间形成大腔体，所述旋转平台23位于进气匀流板28与出气匀流板29之间的大腔体内。
为了达到提高刻蚀均匀性的目的，刻蚀腔体采取了二次匀流(分别为T型匀流管一次匀流，匀流板二次匀流)，旋转平台，以及腔体对称设计等措施，并且采取加热板进行加热，温度分布自上而下阶梯式温度梯度，以此来提高刻蚀的均匀性。
工作时，混合的腐蚀气体在刻蚀腔体出气口处真空泵的作用下，从进气口进入到腔体内，先进入进气匀流管，在进气匀流板和腔主体之间的小腔体内初步形成弥散气体，再经进气匀流板上的小孔中进入到进气匀流板28与出气匀流板29之间的大腔体内，形成均匀的层流气体，均匀的流过晶片的表面，再经第出气匀流板和出气匀流管到达出气口，完成对晶片的腐蚀。在此过程中，旋转平台电机的带动下同时旋转，进一步改善了晶片腐蚀的片内均匀性。多点控制的加热器安装在腔室的外部，通过调整自上而下的温度梯度分布，良好的改善了片间均匀性。
如图1所示，本发明还公开了一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，包括：上述刻蚀腔体2、气体产生装置1、控制系统3，真空泵4和尾气处理装置5。
气体产生装置1用于将产生的刻蚀气体、氮气和乙醇气体进行混合输入到刻蚀腔体2内，所述刻蚀腔体2上设有进气口和出气口，刻蚀腔体2内设有旋转平台、加热器和气体匀流装置，进入刻蚀腔体2的混合气体通过气体匀流装置进行充分混合，旋转平台23上放置有待刻蚀的半导体器件，控制系统3控制气体产生装置1产生混合气体，混合气体在刻蚀腔体2内充分混合，控制系统3控制旋转平台转动并控制加热器进行加热，所述刻蚀腔体2的出气口通过真空泵4与尾气处理装置5的进气口连接，控制系统控制真空泵进行吸气，使刻蚀腔体2内为负压状态。
所述气体发生装置1包括氟化氢气罐11、氮气罐12和乙醇汽化罐13，所述氟化氢气罐11的出气口依次经减压阀15和流量计14与所述刻蚀腔体2的进气口密封连接；所述氮气罐12的出气口依次经减压阀15和流量计14与所述刻蚀腔体2的进气口密封连接；所述乙醇汽化罐13通过流量计14和管路与所述刻蚀腔体2的进气口密封连接。
液态氟化氢蒸发后在管道内变为2-3Kg/cm2的氟化氢，通过经过减压阀减压变为稍低于常压的氟化氢蒸汽（需后端有真空作为动力，此举是为了防止VHF的泄露），再经过质量流量计（MFC）进行有效的流量控制，再进入刻蚀腔体，工艺中它用作刻蚀剂，作为关键工艺气体，来刻蚀二氧化硅。
气态乙醇，液态乙醇从乙醇气化罐中变为蒸汽，再经过两端带有截止阀的质量流量计进行有效的流量控制，然后进入刻蚀腔体，工艺中它用作脱水剂和刻蚀速率辅助控制。
高纯氮气，经减压阀减压后，再经过两端带有截止阀的质量流量计进行有效的流量控制，然后进入刻蚀腔体。
氮气的作用为：A 、置换：即刻蚀前将腔内的空气经数次置换后变为纯净的氮气，避免空气对刻蚀工艺造成影响；刻蚀后将残余刻蚀气体置换为纯净氮气，避免对人身和设备造成伤害；B 、破真空：需要时，通过充氮气将腔内负压变为常压，以便打开腔门；C 、腔内压力调整： 反应中，通过加入适量氮气的方法，达到不改变VHF流量而改变腔内压力的目的。
真空泵真一方面为刻蚀腔体提供合适的工艺压力环境，另一方面它也作为VHF和乙醇蒸汽传输提供动力，真空压力的控制通过压力传感器和真空泵的变频调速来实现压力的闭环控制。
温控系统分为三个温区，分别是气体面板环境温度，刻蚀腔体温度，乙醇气化装置温度。这三个部相对独立闭环控温，可以分别设置为不同的温度，并且刻蚀腔体的温度分布还可以设置成上下不同的阶梯式温度分布，以满足不同的工艺需求。
尾气处理装置的任务是将刻蚀后的尾气处理为符合环保要求的气体，主要是吸收塔功能，吸收其中的残留氟化氢气体，以及部分反应生成物如SiF4，H2O等。
系统软件部分：
整个系统的软件共分四个部分，即自动运行，手动控制，参数设定以及帮助。
软件操作分为两个部分，即手动和自动。手动时，可以单独操作各个开关量和模拟量（安全互锁照常起作用），主要用于调试和临时改变工艺时使用。软件自动部分的设计充分考虑到用户工艺的灵活性和安全性，设计了前后数次的氮气置换程序。工艺过程中，反应室温度，各气体流量，反应室压力等均保持稳定的水平，以保证工艺的稳定性。
程序开始运行时，首先经过数次的氮气置换，确保反应室内完全充满高纯氮气，然后再次抽真空，开始按设置的各个气体流量通入工艺气体，同时真空泵继续工作，保持反应室的压力按设定值不变。到达设定的工艺时间后，停止工艺气体，进入排气置换，经过数次的置换后，确保反应室内基本没有残余工艺气体后，再充氮气至大气压，给出工艺完毕声光报警，提醒操作人员。
软件参数设定包括：置换次数，各气体流量，刻蚀时间，反应压力等参数，共可以设置10组参数，即10套工艺程序。帮助界面为本机操作说明书，以方便随时可以参考。
为保证生成的水不会变成液态，采取了三个措施：
1、刻蚀腔体内温度高于常温，控制在40-70℃。
2、刻蚀腔体内压力低于常压，我们知道气压越低，水越容易汽化。
3、乙醇的参与刻蚀中产生的水分由无水乙醇蒸汽迅速结合为乙醇和水的结合物，避免了水的单独存在，从而避免水的凝结。
综上，所述气刻蚀系统采用无水氟化氢蒸汽（VHF）结合无水乙醇蒸汽进行刻蚀，不包含水或者水蒸气，避免了在刻蚀过程中由于水的应力或表面张力等作用造成器件粘连或可能导致结构崩塌的现象，由于采取了无水氟化氢气体的刻蚀方法，使得刻蚀结构较小的部件和深腔部件变得非常容易；由于控制系统采用PLC和触摸屏人机界面，精密控制温度、流量、压力等工艺参数，加上特殊设计的刻蚀腔体，刻蚀腔体内设有匀气机构和晶片旋转机构，可以有效地控制反应过程，提高刻蚀均匀性，同时保持较高的选择性。
Claims (7)
1.一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体，其特征在于：所述刻蚀腔体（2）包括腔主体（21）、上盖（22）、气管、旋转平台（23）、匀流管、加热器和匀流板，所述腔主体（21）的上部使用上盖（22）进行密封，腔主体（21）上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口位于所述腔主体的左右两侧，所述进气口内设有进气管（24），出气口内设有出气管（25），腔主体（21）内部的进气管（24）上设有进气匀流管（26），腔主体（21）内部的出气管（25）上设有出气匀流管（27），所述进气匀流管（26）的左侧设有进气匀流板（28），所述出气匀流管（27）的右侧设有出气匀流板（29），所述进气匀流管（26）与进气匀流板（28）之间设有右加热器（210），所述出气匀流管（27）与出气匀流板（29）之间设有左加热器（211），进气匀流板（28）与出气匀流板（29）之间保持间隔设置，所述旋转平台（23）位于进气匀流板（28）与出气匀流板（29）之间。
2.根据权利要求1所述的用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体，其特征在于：所述匀流管为T型。
3.根据权利要求1所述的用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的刻蚀腔体，其特征在于：所述匀流板上设有通气孔。
4.一种用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，其特征在于包括：如权利要求1-3中任意一项所述的刻蚀腔体（2）、气体产生装置（1）和控制系统（3），气体产生装置（1）用于将产生的刻蚀气体、氮气和乙醇气体进行混合输入到刻蚀腔体（2）内，所述刻蚀腔体（2）上设有进气口和出气口，刻蚀腔体（2）内设有旋转平台、加热器和气体匀流装置，进入刻蚀腔体（2）的混合气体通过气体匀流装置进行充分混合，旋转平台（23）上放置有待刻蚀的半导体器件，控制系统（3）控制气体产生装置（1）产生混合气体，混合气体在刻蚀腔体（2）内充分混合，控制系统（3）控制旋转平台转动并控制加热器进行加热。
5.根据权利要求4所述的用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，其特征在于：所述刻蚀系统还包括真空泵（4）和尾气处理装置（5），所述刻蚀腔体（2）的出气口通过真空泵（4）与尾气处理装置（5）的进气口连接，控制系统控制真空泵进行吸气，使刻蚀腔体（2）内为负压状态。
6.根据权利要求4或5所述的用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，，其特征在于：所述气体发生装置（1）包括氟化氢气罐（11）、氮气罐（12）和乙醇汽化罐（13），所述氟化氢气罐（11）的出气口依次经减压阀（15）和流量计（14）与所述刻蚀腔体（2）的进气口密封连接；所述氮气罐（12）的出气口依次经减压阀（15）和流量计（14）与所述刻蚀腔体（2）的进气口密封连接；所述乙醇汽化罐（13）通过流量计（14）和管路与所述刻蚀腔体（2）的进气口密封连接。
7.根据权利要求4或5所述的用于气态氟化氢刻蚀二氧化硅的系统，其特征在于：所述控制系统（3）使用PLC作为控制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Etching cavity and system for etching silicon dioxide through gaseous hydrogen fluoride Effective date of registration: 20191120 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Hebei re Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: SHENTONG PHOTOELECTRICITY SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2019130000010 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20201224 Granted publication date: 20160824 Pledgee: Hebei re Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: SHENTONG PHOTOELECTRICITY SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019130000010 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160824 Termination date: 20210724 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |