用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體及其刻蝕系統的製作方法
2023-05-08 06:04:11 2
用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體及其刻蝕系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體及其系統，所述系統包括：刻蝕腔體、氣體產生裝置和控制系統，氣體產生裝置用於將產生的刻蝕氣體、氮氣和乙醇氣體進行混合輸入到刻蝕腔體內，所述刻蝕腔體上設有進氣口和出氣口，刻蝕腔體內設有旋轉平臺、加熱器和氣體勻流裝置，進入刻蝕腔體的混合氣體通過氣體勻流裝置進行充分混合，旋轉平臺上放置有待刻蝕的半導體器件，控制系統控制氣體產生裝置產生混合氣體，混合氣體在刻蝕腔體內充分混合，控制系統控制旋轉平臺轉動並控制加熱器進行加熱。
【專利說明】用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體及其刻蝕系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及刻蝕用設備【技術領域】，尤其涉及一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的 刻蝕腔體及其刻蝕系統。
【背景技術】
[0002] MEMS製造工藝與半導體和微電子工藝基本類似，包括了光刻、外延、薄膜澱積、氧 化、擴散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等基本工藝步驟。其中傳統的刻蝕方法是幹法 等離子刻蝕和選擇性溼法刻蝕，前者無法實現大面積深孔刻蝕，而這正是MEMS工藝的基本 要求。
[0003] 在傳統的溼法刻蝕工藝中（包括近期有人提出的常壓常溫氣態氫氟酸刻蝕）都是 用氫氟酸來腐蝕二氧化矽，由於刻蝕過程和後期清洗的過程中有水的存在，導致刻蝕過程 中由於應力或表面張力等作用造成粘連，並可能導致結構崩塌，終至工藝失敗；並且由於刻 蝕的深度較深，導致均勻性也不太理想。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔 體及其刻蝕系統，所述系統通過使用無水氟化氫蒸汽結合無水乙醇蒸汽進行刻蝕，避免了 在刻蝕過程中由於水的應力或表面張力等作用造成器件粘連或可能導致結構崩塌的現象， 並且通過使用刻蝕腔體，可以有效地控制反應過程，提高刻蝕均勻性。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是：一種用於氣態氟化氫刻蝕二 氧化矽的刻蝕腔體，其特徵在於：所述刻蝕腔體包括腔主體、上蓋、氣管、旋轉平臺、勻流管、 加熱器和勻流板，所述腔主體的上部使用上蓋進行密封，腔主體上設有進氣口和出氣口，所 述進氣口和出氣口位於所述腔主體的左右兩側，所述進氣口內設有進氣管，出氣口內設有 出氣管，腔主體內部的進氣管上設有進氣勻流管，腔主體內部的出氣管上設有出氣勻流管， 所述進氣勻流管的左側設有進氣勻流板，所述出氣勻流管的右側設有出氣勻流板，所述進 氣勻流管與進氣勻流板之間設有右加熱器，所述出氣勻流管與出氣勻流板之間設有左加熱 器，進氣勻流板與出氣勻流板之間保持間隔設置，所述旋轉平臺位於進氣勻流板與出氣勻 流板之間。
[0006] 進一步的技術方案在於：所述勻流管為T型。
[0007] 進一步的技術方案在於：所述勻流板上設有通氣孔。
[0008] 本發明還公開了一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的系統，其特徵在於包括：上 述刻蝕腔體、氣體產生裝置和控制系統，氣體產生裝置用於將產生的刻蝕氣體、氮氣和乙醇 氣體進行混合輸入到刻蝕腔體內，所述刻蝕腔體上設有進氣口和出氣口，刻蝕腔體內設有 旋轉平臺、加熱器和氣體勻流裝置，進入刻蝕腔體的混合氣體通過氣體勻流裝置進行充分 混合，旋轉平臺上放置有待刻蝕的半導體器件，控制系統控制氣體產生裝置產生混合氣體， 混合氣體在刻蝕腔體內充分混合，控制系統控制旋轉平臺轉動並控制加熱器進行加熱。
[0009] 進一步的技術方案在於：所述刻蝕系統還包括真空泵和尾氣處理裝置，所述刻蝕 腔體的出氣口通過真空泵與尾氣處理裝置的進氣口連接，控制系統控制真空泵進行吸氣， 使刻蝕腔體內為負壓狀態。
[0010] 進一步的技術方案在於：所述氣體發生裝置包括氟化氫氣罐、氮氣罐和乙醇汽化 罐，所述氟化氫氣罐的出氣口依次經減壓閥和流量計與所述刻蝕腔體的進氣口密封連接； 所述氮氣罐的出氣口依次經減壓閥和流量計與所述刻蝕腔體的進氣口密封連接；所述乙醇 汽化罐通過流量計和管路與所述刻蝕腔體的進氣口密封連接。
[0011] 進一步的技術方案在於：所述控制系統使用PLC作為控制器。
[0012] 採用上述技術方案所產生的有益效果在於：所述氣刻蝕系統採用無水氟化氫蒸汽 (VHF)結合無水乙醇蒸汽進行刻蝕，不包含水或者水蒸氣，避免了在刻蝕過程中由於水的 應力或表面張力等作用造成器件粘連或可能導致結構崩塌的現象，由於採取了無水氟化氫 氣體的刻蝕方法，使得刻蝕結構較小的部件和深腔部件變得非常容易；由於控制系統採用 PLC和觸控螢幕人機界面，精密控制溫度、流量、壓力等工藝參數，加上特殊設計的刻蝕腔體， 刻蝕腔體內設有勻氣機構和晶片旋轉機構，可以有效地控制反應過程，提高刻蝕均勻性，同 時保持較高的選擇性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0014] 圖1是本發明所述系統的原理框圖； 圖2是圖1中刻蝕腔體的分解結構示意圖； 其中：1、氣體產生裝置11、氟化氫氣罐12、氮氣罐13、乙醇汽化罐14、流量計15、減 壓閥2、刻蝕腔體21、腔主體22、上蓋23、旋轉平臺24、進氣管25、出氣管26、進氣勻流 管27、出氣勻流管28、進氣勻流板29、出氣勻流板210、右加熱器211、左加熱器3、控制 系統4、真空泵5、尾氣處理裝置。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0016] 在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以 採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的 情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0017] 首先如圖2所示，本發明公開了一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體， 所述刻蝕腔體2包括腔主體21、上蓋22、氣管、旋轉平臺23、勻流管、加熱器和勻流板。所 述腔主體21的上部使用上蓋22進行密封，腔主體21上設有進氣口和出氣口，所述進氣口 和出氣口位於所述腔主體的左右兩側，所述進氣口內設有進氣管24,出氣口內設有出氣管 25,腔主體21內部的進氣管24上設有進氣勻流管26,腔主體21內部的出氣管25上設有出 氣勻流管27,所述勻流管為T型，對於進氣勻流管26來說，勻流管的下端為進氣口，上端左 右兩側的開口為出氣口；對於出氣勻流管27來說，勻流管的下端為出氣口，上端左右兩側 的開口為進氣口。
[0018] 所述進氣勻流管26的左側設有進氣勻流板28,所述出氣勻流管27的右側設有出 氣勻流板29,所述進氣勻流管26與進氣勻流板28之間設有右加熱器210,所述出氣勻流管 27與出氣勻流板29之間設有左加熱器211，進氣勻流板28與出氣勻流板29之間保持間隔 設置，所述勻流板上設有通氣孔，通氣孔的直徑可以設置成非常小，用於使通過的混合氣體 成分更均勻；進氣勻流板28、腔主體21與上蓋22之間以及出氣勻流板29、腔主體21與上 蓋22之間形成小腔體，進氣勻流板28、出氣勻流板29、腔主體21與上蓋22之間形成大腔 體，所述旋轉平臺23位於進氣勻流板28與出氣勻流板29之間的大腔體內。
[0019] 為了達到提高刻蝕均勻性的目的，刻蝕腔體採取了二次勻流（分別為T型勻流管 一次勻流，勻流板二次勻流），旋轉平臺，以及腔體對稱設計等措施，並且採取加熱板進行加 熱，溫度分布自上而下階梯式溫度梯度，以此來提高刻蝕的均勻性。
[0020] 工作時，混合的腐蝕氣體在刻蝕腔體出氣口處真空泵的作用下，從進氣口進入到 腔體內，先進入進氣勻流管，在進氣勻流板和腔主體之間的小腔體內初步形成彌散氣體，再 經進氣勻流板上的小孔中進入到進氣勻流板28與出氣勻流板29之間的大腔體內，形成均 勻的層流氣體，均勻的流過晶片的表面，再經第出氣勻流板和出氣勻流管到達出氣口，完成 對晶片的腐蝕。在此過程中，旋轉平臺電機的帶動下同時旋轉，進一步改善了晶片腐蝕的片 內均勻性。多點控制的加熱器安裝在腔室的外部，通過調整自上而下的溫度梯度分布，良好 的改善了片間均勻性。
[0021] 如圖1所示，本發明還公開了一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的系統，包括：上 述刻蝕腔體2、氣體產生裝置1、控制系統3,真空泵4和尾氣處理裝置5。
[0022] 氣體產生裝置1用於將產生的刻蝕氣體、氮氣和乙醇氣體進行混合輸入到刻蝕腔 體2內，所述刻蝕腔體2上設有進氣口和出氣口，刻蝕腔體2內設有旋轉平臺、加熱器和氣 體勻流裝置，進入刻蝕腔體2的混合氣體通過氣體勻流裝置進行充分混合，旋轉平臺23上 放置有待刻蝕的半導體器件，控制系統3控制氣體產生裝置1產生混合氣體，混合氣體在刻 蝕腔體2內充分混合，控制系統3控制旋轉平臺轉動並控制加熱器進行加熱，所述刻蝕腔體 2的出氣口通過真空泵4與尾氣處理裝置5的進氣口連接，控制系統控制真空泵進行吸氣， 使刻蝕腔體2內為負壓狀態。
[0023] 所述氣體發生裝置1包括氟化氫氣罐11、氮氣罐12和乙醇汽化罐13,所述氟化氫 氣罐11的出氣口依次經減壓閥15和流量計14與所述刻蝕腔體2的進氣口密封連接；所述 氮氣罐12的出氣口依次經減壓閥15和流量計14與所述刻蝕腔體2的進氣口密封連接；所 述乙醇汽化罐13通過流量計14和管路與所述刻蝕腔體2的進氣口密封連接。
[0024] 液態氟化氫蒸發後在管道內變為2_3Kg/cm2的氟化氫，通過經過減壓閥減壓變為 稍低於常壓的氟化氫蒸汽(需後端有真空作為動力，此舉是為了防止VHF的洩露)，再經過質 量流量計（MFC)進行有效的流量控制，再進入刻蝕腔體，工藝中它用作刻蝕劑，作為關鍵工 藝氣體，來刻蝕二氧化矽。
[0025] 氣態乙醇，液態乙醇從乙醇氣化罐中變為蒸汽，再經過兩端帶有截止閥的質量流 量計進行有效的流量控制，然後進入刻蝕腔體，工藝中它用作脫水劑和刻蝕速率輔助控制。
[0026] 高純氮氣，經減壓閥減壓後，再經過兩端帶有截止閥的質量流量計進行有效的流 量控制，然後進入刻蝕腔體。
[0027] 氮氣的作用為：A、置換：即刻蝕前將腔內的空氣經數次置換後變為純淨的氮氣， 避免空氣對刻蝕工藝造成影響；刻蝕後將殘餘刻蝕氣體置換為純淨氮氣，避免對人身和設 備造成傷害；B、破真空：需要時，通過充氮氣將腔內負壓變為常壓，以便打開腔門；C、腔 內壓力調整：反應中，通過加入適量氮氣的方法，達到不改變VHF流量而改變腔內壓力的 目的。
[0028] 真空泵真一方面為刻蝕腔體提供合適的工藝壓力環境，另一方面它也作為VHF和 乙醇蒸汽傳輸提供動力，真空壓力的控制通過壓力傳感器和真空泵的變頻調速來實現壓力 的閉環控制。
[0029] 溫控系統分為三個溫區，分別是氣體面板環境溫度，刻蝕腔體溫度，乙醇氣化裝置 溫度。這三個部相對獨立閉環控溫，可以分別設置為不同的溫度，並且刻蝕腔體的溫度分布 還可以設置成上下不同的階梯式溫度分布，以滿足不同的工藝需求。
[0030] 尾氣處理裝置的任務是將刻蝕後的尾氣處理為符合環保要求的氣體，主要是吸收 塔功能，吸收其中的殘留氟化氫氣體，以及部分反應生成物如SiF 4, H20等。
[0031] 系統軟體部分： 整個系統的軟體共分四個部分，即自動運行，手動控制，參數設定以及幫助。
[0032] 軟體操作分為兩個部分，即手動和自動。手動時，可以單獨操作各個開關量和模擬 量(安全互鎖照常起作用），主要用於調試和臨時改變工藝時使用。軟體自動部分的設計充 分考慮到用戶工藝的靈活性和安全性，設計了前後數次的氮氣置換程序。工藝過程中，反應 室溫度，各氣體流量，反應室壓力等均保持穩定的水平，以保證工藝的穩定性。
[0033] 程序開始運行時，首先經過數次的氮氣置換，確保反應室內完全充滿高純氮氣，然 後再次抽真空，開始按設置的各個氣體流量通入工藝氣體，同時真空泵繼續工作，保持反應 室的壓力按設定值不變。到達設定的工藝時間後，停止工藝氣體，進入排氣置換，經過數次 的置換後，確保反應室內基本沒有殘餘工藝氣體後，再充氮氣至大氣壓，給出工藝完畢聲光 報警，提醒操作人員。
[0034] 軟體參數設定包括：置換次數，各氣體流量，刻蝕時間，反應壓力等參數，共可以設 置10組參數，即10套工藝程序。幫助界面為本機操作說明書，以方便隨時可以參考。
[0035] 為保證生成的水不會變成液態，採取了三個措施： 1、刻蝕腔體內溫度高於常溫，控制在40-70°C。
[0036] 2、刻蝕腔體內壓力低於常壓，我們知道氣壓越低，水越容易汽化。
[0037] 3、乙醇的參與刻蝕中產生的水分由無水乙醇蒸汽迅速結合為乙醇和水的結合物， 避免了水的單獨存在，從而避免水的凝結。
[0038] 綜上，所述氣刻蝕系統採用無水氟化氫蒸汽（VHF)結合無水乙醇蒸汽進行刻蝕，不 包含水或者水蒸氣，避免了在刻蝕過程中由於水的應力或表面張力等作用造成器件粘連或 可能導致結構崩塌的現象，由於採取了無水氟化氫氣體的刻蝕方法，使得刻蝕結構較小的 部件和深腔部件變得非常容易；由於控制系統採用PLC和觸控螢幕人機界面，精密控制溫度、 流量、壓力等工藝參數，加上特殊設計的刻蝕腔體，刻蝕腔體內設有勻氣機構和晶片旋轉機 構，可以有效地控制反應過程，提高刻蝕均勻性，同時保持較高的選擇性。
【權利要求】
1. 一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化矽的刻蝕腔體，其特徵在於：所述刻蝕腔體（2)包 括腔主體（21)、上蓋（22)、氣管、旋轉平臺（23)、勻流管、加熱器和勻流板，所述腔主體（21) 的上部使用上蓋（22 )進行密封，腔主體（21)上設有進氣口和出氣口，所述進氣口和出氣口 位於所述腔主體的左右兩側，所述進氣口內設有進氣管（24)，出氣口內設有出氣管（25)， 腔主體（21)內部的進氣管（24)上設有進氣勻流管（26)，腔主體（21)內部的出氣管（25)上 設有出氣勻流管（27 )，所述進氣勻流管（26 )的左側設有進氣勻流板（28 )，所述出氣勻流管 (27) 的右側設有出氣勻流板（29)，所述進氣勻流管（26)與進氣勻流板（28)之間設有右加 熱器（210)，所述出氣勻流管（27)與出氣勻流板（29)之間設有左加熱器（211)，進氣勻流板 (28) 與出氣勻流板（29)之間保持間隔設置，所述旋轉平臺（23)位於進氣勻流板（28)與出 氣勻流板（29)之間。
2. 根據權利要求1所示的氣態氟化氫刻蝕系統，其特徵在於：所述勻流管為T型。
3. 根據權利要求1所示的氣態氟化氫刻蝕系統，其特徵在於：所述勻流板上設有通氣 孔。
4. 一種用於氣態氟化氫刻蝕二氧化娃的系統，其特徵在於包括：如權利要求1-3中任 意一項所述的刻蝕腔體（2)、氣體產生裝置（1)和控制系統（3)，氣體產生裝置（1)用於將 產生的刻蝕氣體、氮氣和乙醇氣體進行混合輸入到刻蝕腔體（2)內，所述刻蝕腔體（2)上設 有進氣口和出氣口，刻蝕腔體（2)內設有旋轉平臺、加熱器和氣體勻流裝置，進入刻蝕腔體 (2)的混合氣體通過氣體勻流裝置進行充分混合，旋轉平臺（23)上放置有待刻蝕的半導體 器件，控制系統（3)控制氣體產生裝置（1)產生混合氣體，混合氣體在刻蝕腔體（2)內充分 混合，控制系統（3)控制旋轉平臺轉動並控制加熱器進行加熱。
5. 根據權利要求4所述的氣態氟化氫刻蝕系統，其特徵在於：所述刻蝕系統還包括真 空泵（4 )和尾氣處理裝置（5 )，所述刻蝕腔體（2 )的出氣口通過真空泵（4 )與尾氣處理裝置 (5)的進氣口連接，控制系統控制真空泵進行吸氣，使刻蝕腔體（2)內為負壓狀態。
6. 根據權利要求4或5所述的氣態氟化氫刻蝕系統，其特徵在於：所述氣體發生裝置 (1)包括氟化氫氣罐（11 )、氮氣罐（12)和乙醇汽化罐（13)，所述氟化氫氣罐（11)的出氣口 依次經減壓閥（15)和流量計（14)與所述刻蝕腔體（2)的進氣口密封連接；所述氮氣罐（12) 的出氣口依次經減壓閥（15)和流量計（14)與所述刻蝕腔體（2)的進氣口密封連接；所述乙 醇汽化罐（13 )通過流量計（14 )和管路與所述刻蝕腔體（2 )的進氣口密封連接。
7. 根據權利要求4或5所述的氣態氟化氫刻蝕系統，其特徵在於：所述控制系統（3)使 用PLC作為控制器。
【文檔編號】H01L21/67GK104103561SQ201410354793
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】龐克儉, 江西元, 邵蘇予, 劉勝偉 申請人:河北神通光電科技有限公司