CN101880880B - 二氧化碳缓冲硅片打孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，包括二氧化碳流量控制器、三氟化氯流量控制器、混合器、减压阀、压力表、真空泵、真空腔室、真空腔压力表、喷头、掩蔽板、硅片架、真空腔温度控制装置、后级泵和尾气处理装置；减压阀、真空泵、真空腔压力表、真空腔温度控制装置和后级泵分别连接于真空腔室，二氧化碳气体通过二氧化碳流量控制器进入混合器，三氟化氯气体通过三氟化氯流量控制器进入混合器，二氧化碳气体和三氟化氯气体在混合器中进行混合，混合气体依次通过减压阀和喷头进入真空腔室，然后经过掩蔽板的掩蔽和束流汇聚调节，对硅片架上的硅片进行打孔。本发明设备简单、刻蚀速率快、侧壁光滑度好、选择比大，实现了对硅片的打孔。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺中硅片刻蚀技术领域，尤其涉及一种二氧化碳缓冲硅片打孔装置。
背景技术
在MEMS制造工艺中，硅的深刻蚀加工是常用的工艺。传统的干法刻蚀技术为等离子体刻蚀，比如RIE，ICP。刻蚀作用是通过化学和物理作用实现的。等离子体化学刻蚀是各向同性的，所以线宽控制比较差。物理刻蚀虽然是各向异性的，刻蚀速率也较快，但是选择比差，而且被轰击去除的元素是非挥发性的，容易沉积到硅片表面，引起颗粒污染。此外，由非均匀等离子体产生的电荷可引起硅片上敏感器件的失效。等离子体刻蚀设备价格昂贵，刻蚀选择比差，侧壁光滑度不高，容易带来器件损伤，不适合用于下一代半导体硅刻蚀。
利用三氟化氯气体对硅进行深刻蚀加工，是在无等离子体环境下实现的。通过控制气体压力和背景压力差，气体流量，缓冲剂(二氧化碳)，来调节刻蚀速率。这种刻蚀系统刻蚀速率快，可以达到40μm/min，比STS公司的Pegasus离子反应式深硅刻蚀机25μm/min的刻蚀速率更快。对材料的刻蚀选择比高，其中对光刻胶和硅的刻蚀选择比可以达到2000∶1。侧壁光滑度高，不会出现Bosch工艺中的锯齿状侧壁。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，以实现对硅片进行打孔。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，该装置包括二氧化碳流量控制器1、三氟化氯流量控制器2、混合器3、减压阀4、压力表5、真空泵6、真空腔室7、真空腔压力表8、喷头9、掩蔽板10、硅片架11、真空腔温度控制装置12、后级泵13和尾气处理装置14，其中：减压阀4、真空泵6、真空腔压力表8、真空腔温度控制装置12和后级泵13分别连接于真空腔室7，二氧化碳气体通过二氧化碳流量控制器1进入混合器3，三氟化氯气体通过三氟化氯流量控制器2进入混合器3，二氧化碳气体和三氟化氯气体在混合器3中进行混合，混合气体依次通过减压阀4和喷头9进入真空腔室7，然后经过掩蔽板10的掩蔽和束流汇聚调节，对硅片架11上的硅片进行打孔；真空腔室7通过真空腔温度控制装置12将温度控制在室温环境下，刻蚀完的尾气通过后级泵13抽出真空腔室7，并由后级泵13进入尾气处理装置14。
上述方案中，所述三氟化氯气体作为刻蚀反应气体，所述二氧化碳气体作为缓冲剂。
上述方案中，所述真空泵6对真空腔室7进行抽真空，将真空腔室7内的压力维持在10-7atm，通过真空腔压力表8监视真空腔室7内的压力。
上述方案中，所述二氧化碳流量控制器1一端连接于存储二氧化碳气体的钢瓶，一端连接于混合器3；所述三氟化氯流量控制器2一端连接于存储三氟化氯气体的钢瓶，一端连接于混合器3。
上述方案中，所述二氧化碳和三氟化氯的混合气体经过减压阀4减压后压力减到10Pa，并通过压力表5指示压力，此时混合气体压力与背景压力比为1000。
上述方案中，所述二氧化碳和三氟化氯的混合气体从喷头9喷出，经过掩蔽板10的掩蔽和束流汇聚调节，打到硅片架11固定的硅片上，在三氟化氯气体的化学腐蚀的作用下，对硅片进行打孔。
上述方案中，所述尾气处理装置14采用氢氧化钙或小苏打对尾气进行吸收处理。
(三)有益效果
本发明提供的这种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，设备简单，刻蚀速率快，侧壁光滑度好，选择比大，克服了传统等离子体刻蚀中设备昂贵，刻蚀选择比差，易给器件带来损伤的缺点，实现了对硅片进行打孔，改进了刻蚀系统的开发和研制，可以大大推动半导体深硅刻蚀工艺的发展。
附图说明
图1是本发明提供的二氧化碳缓冲硅片打孔装置的结构示意图。
图2是本发明提供的二氧化碳缓冲硅片打孔装置中真空腔室的结构示意图。
其中：1为二氧化碳流量控制器，2为三氟化氯流量控制器，3为混合器，4为减压阀，5为压力表，6为真空泵，7为真空腔室，8为真空腔压力表，9为喷头，10为掩蔽板，11为硅片架，12为真空腔温度控制装置，13为后级泵，14为尾气处理装置，15为掩蔽层(光刻胶)，16为硅片，17为三氟化氯气体，18为二氧化碳气体和干冰微粒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，采用三氟化氯作为刻蚀反应气体，二氧化碳起缓冲调节作用。三氟化氯刻蚀硅片是在无等离子体的环境下进行的，相比于传统的RIE、ICP刻蚀，该刻蚀系统设备简单，刻蚀速率更快，可以打任意角度的斜孔，且侧壁陡直性和光滑度大大提高。二氧化碳作为缓冲剂，一方面调节气路气体混合比，提高安全性；另一方面利用二氧化碳在迅速减压时容易形成干冰的特点，对硅片进行物理辅助刻蚀，调节刻蚀速率。
如图1所示，图1是本发明提供的二氧化碳缓冲硅片打孔装置的结构示意图，该装置包括二氧化碳流量控制器1、三氟化氯流量控制器2、混合器3、减压阀4、压力表5、真空泵6、真空腔室7、真空腔压力表8、喷头9、掩蔽板10、硅片架11、真空腔温度控制装置12、后级泵13和尾气处理装置14，其中：减压阀4、真空泵6、真空腔压力表8、真空腔温度控制装置12和后级泵13分别连接于真空腔室7，二氧化碳气体通过二氧化碳流量控制器1进入混合器3，三氟化氯气体通过三氟化氯流量控制器2进入混合器3，二氧化碳气体和三氟化氯气体在混合器3中进行混合，混合气体依次通过减压阀4和喷头9进入真空腔室7，然后经过掩蔽板10的掩蔽和束流汇聚调节，对硅片架11上的硅片进行打孔；真空腔室7通过真空腔温度控制装置12将温度控制在室温环境下，刻蚀完的尾气通过后级泵13抽出真空腔室7，并由后级泵13进入尾气处理装置14。
本发明采用三氟化氯气体作为刻蚀反应气体，采用二氧化碳气体作为缓冲剂。真空泵6对真空腔室7进行抽真空，将真空腔室7内的压力维持在10-7atm，通过真空腔压力表8监视真空腔室7内的压力。二氧化碳流量控制器1一端连接于存储二氧化碳气体的钢瓶，一端连接于混合器3；所述三氟化氯流量控制器2一端连接于存储三氟化氯气体的钢瓶，一端连接于混合器3。二氧化碳和三氟化氯的混合气体经过减压阀4减压后压力减到10Pa，并通过压力表5指示压力，此时混合气体压力与背景压力比为1000。二氧化碳和三氟化氯的混合气体从喷头9喷出，经过掩蔽板10的掩蔽和束流汇聚调节，打到硅片架11固定的硅片上，在三氟化氯气体的化学腐蚀的作用下，对硅片进行打孔。尾气处理装置14采用氢氧化钙或小苏打对尾气进行吸收处理。
再次参照图1，该装置的工作流程如下：首先通过真空泵6对真空腔室7抽真空，使腔室内压力维持在10-7atm，通过压力表8监视压力。打开三氟化氯和二氧化碳钢瓶，通过三氟化氯流量控制器2和二氧化碳流量控制器1，调节三氟化氯和二氧化碳流量以及气体混合比。之后通过混合器3，充分混合。混合后的三氟化氯和二氧化碳经过减压阀4减压，混合气体压力减到10Pa，通过压力表5指示压力。此时混合气体压力与背景压力比为1000，经过喷头9进入腔室时，已经有足够大的动能。从喷头9喷出的混合气体，经过掩蔽板10的掩蔽和束流汇聚调节，打到硅片架11固定的硅片上，在三氟化氯化学腐蚀和二氧化碳物理刻蚀的作用下，刻蚀硅片。硅片架11可以调整角度，水平入射的气体打到有一定倾角的硅片上，实现给硅片打斜孔。整个真空腔室7通过真空腔温度控制装置12将温度维持在室温环境下。刻蚀完的尾气通过后级泵13抽出真空腔室7，经过尾气处理装置14吸收。
参照图2，图2是本发明提供的二氧化碳缓冲硅片打孔装置中真空腔室的结构示意图，真空腔室内的工作过程如下：经过减压后的三氟化氯气体通过喷头9喷入真空腔室内，由于其压力10Pa与真空腔室内压力10-7atm之比为1000，三氟化氯有足够大的动能打到硅片上与之反应。与此同时，经过减压的二氧化碳一部分为气体状态，一部分为干冰。混合气体首先经过掩蔽板10，掩蔽板10的作用是掩蔽从喷头喷出的已经发散的气流，使气流汇聚。通过掩蔽板后，混合气体打到在光刻胶15掩蔽下的硅片上，对其刻蚀。在纯三氟化氯气体17作用下，可以达到40μm/min的刻蚀速率。通过缓冲剂二氧化碳18的加入，可以调节刻蚀速率，同时增加安全性(三氟化氯助燃易爆)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，该装置包括二氧化碳流量控制器(1)、三氟化氯流量控制器(2)、混合器(3)、减压阀(4)、压力表(5)、真空泵(6)、真空腔室(7)、真空腔压力表(8)、喷头(9)、掩蔽板(10)、硅片架(11)、真空腔温度控制装置(12)、后级泵(13)和尾气处理装置(14)，其中：减压阀(4)、真空泵(6)、真空腔压力表(8)、真空腔温度控制装置(12)和后级泵(13)分别连接于真空腔室(7)，二氧化碳气体通过二氧化碳流量控制器(1)进入混合器(3)，三氟化氯气体通过三氟化氯流量控制器(2)进入混合器(3)，二氧化碳气体和三氟化氯气体在混合器(3)中进行混合，混合气体依次通过减压阀(4)和喷头(9)进入真空腔室(7)，然后经过掩蔽板(10)的掩蔽和束流汇聚调节，对硅片架(11)上的硅片进行打孔；真空腔室(7)通过真空腔温度控制装置(12)将温度控制在室温环境下，刻蚀完的尾气通过后级泵(13)抽出真空腔室(7)，并由后级泵(13)进入尾气处理装置(14)。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述三氟化氯气体作为刻蚀反应气体，所述二氧化碳气体作为缓冲剂。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述真空泵(6)对真空腔室(7)进行抽真空，将真空腔室(7)内的压力维持在10-7atm，通过真空腔压力表(8)监视真空腔室(7)内的压力。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述二氧化碳流量控制器(1)一端连接于存储二氧化碳气体的钢瓶，一端连接于混合器(3)；所述三氟化氯流量控制器(2)一端连接于存储三氟化氯气体的钢瓶，一端连接于混合器(3)。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述二氧化碳和三氟化氯的混合气体经过减压阀(4)减压后压力减到10Pa，并通过压力表(5)指示压力，此时混合气体压力与背景压力比为1000。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述二氧化碳和三氟化氯的混合气体从喷头(9)喷出，经过掩蔽板(10)的掩蔽和束流汇聚调节，打到硅片架(11)上固定的硅片上，在三氟化氯气体的化学腐蚀的作用下，对硅片进行打孔。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳缓冲硅片打孔装置，其特征在于，所述尾气处理装置(14)采用氢氧化钙或小苏打对尾气进行吸收处理。
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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 | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20110727 |