CN101643904A - 深硅刻蚀装置和深硅刻蚀设备的进气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深硅刻蚀装置，包括反应腔室，气源柜，所述气源柜通过两条独立控制的气路与所述反应腔室相连；其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。本发明用以解决工艺气体在步骤切换时的混合和延迟问题，进而实现深硅刻蚀过程中工艺气体流量的精确控制，进一步提高深硅刻蚀工艺的精度和效率。

Description

深硅刻蚀装置和深硅刻蚀设备的进气系统
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种半导体晶片加工中的深硅刻蚀装置和一种深硅刻蚀设备的进气系统。
背景技术
随着MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)在汽车和消费电子领域的广泛应用，以及TSV(硅通孔刻蚀，Through Silicon Vias)技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子体深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS的主流加工技术。
目前典型的深硅刻蚀工艺为Bosch工艺。其主要特点为：整个刻蚀过程为刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环。其中刻蚀步骤的工艺气体为SF6(六氟化硫)，尽管该气体在刻蚀硅基底方面具有很高的刻蚀速率，但由于其各项同性刻蚀的特点，很难控制侧壁形貌。为了对减少对侧壁的刻蚀，该工艺加入了沉积步骤：即在侧壁沉积一层聚合物保护膜来保护侧壁不被刻蚀，从而得到只在垂直面上的刻蚀。参考图1，示出了Bosch工艺的一个典型刻蚀过程示例。其中，图1a为未刻蚀的硅片形貌，101是光阻层，102是被刻蚀硅体；图1b、图1d、图1f示出的是刻蚀步骤下的硅片形貌，为SF6的各项同性刻蚀；图1c、图1e步是沉积步骤的硅片形貌，在沉积步骤中使用C4F8(全氟丁烯)生成沉积层对侧壁保护；在图1中，刻蚀步骤和沉积步骤依次进行，图1g是在经过多次刻蚀步骤与沉积步骤的循环后的最终刻蚀形貌。
参考图2，示出了一种典型的硅刻蚀设备。在进行上述Bosch刻蚀工艺时，硅片202被传入工艺腔室201内，被放置在静电卡盘(ESC)203上，当静电卡盘203完成对硅片202的吸附后，控制工艺气体由气源柜207经过气路206再由喷嘴204通入工艺腔室201，并对工艺气体施加RF(射频，RadioFrequency)功率，使之产生等离子体205，从而实现对硅片202的刻蚀。
由于在图2的设备中所有工艺气体均通过同一气路206和喷嘴204进入工艺腔室201，当刻蚀步骤结束时，会有一部分刻蚀气体会保留在气路206中；而当下一步沉积步骤开始时，沉积气体需要先把保留在气路206中的刻蚀气体顶进工艺腔室201后，沉积气体才能进入工艺腔室201，因此，当沉积步骤开始时，首先进入工艺腔室201的气体是刻蚀气体而不是沉积气体。同理，当刻蚀步骤开始时，首先进入工艺腔室201的是沉积气体而不是刻蚀气体。这种在步骤切换时存在的气体混合问题，将不利于工艺的精确控制。
再者，所有工艺气体均通过同一个进气管路和喷嘴进入工艺腔室201，使得刻蚀气体在刻蚀步骤或沉积气体在沉积步骤都存在一定的延迟。由于深硅刻蚀工艺中需要在刻蚀步骤和沉积步骤之间进行频繁切换，且切换间隔非常短，因此，这种由于步骤切换带来的气体延迟将极大的影响工艺精度和工艺效率。
总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够改进现有的进气系统，用以解决工艺步骤切换时的气体混合和延迟问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种深硅刻蚀装置和一种深硅刻蚀设备的进气系统，用以解决工艺气体在步骤切换时的混合和延迟问题，进而实现深硅刻蚀过程中工艺气体流量的精确控制，进一步提高深硅刻蚀工艺的精度和效率。
为了解决上述问题，本发明公开了一种深硅刻蚀装置，包括反应腔室，气源柜，所述气源柜通过两条独立控制的气路与所述反应腔室相连；
其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。
优选的，所述两条独立控制的气路包括两条进气管路和一个进气嘴；
所述两条进气管路分别与刻蚀步骤用工艺气体、沉积步骤用工艺气体相连，并均通过该进气嘴与反应腔室相连。
优选的，所述进气嘴包括一内层喷嘴以及一外层喷嘴；所述内层喷嘴、外层喷嘴分别与两条进气管路相连。
优选的，内层喷嘴为所述进气嘴内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
外层喷嘴包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，与分流孔相连的出气通道。
优选的，所述外层喷嘴的进气孔，其轴线与内层喷嘴通孔的轴线垂直；
所述外层喷嘴的均匀腔为环绕内层喷嘴通孔的一中空环；
所述外层喷嘴的出气通道为环绕内层喷嘴通孔、连接反应腔室的另一中空环。
优选的，所述进气嘴包括中间喷嘴和匀流板；
所述中间喷嘴一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
所述匀流板上设有进气孔、均匀腔和出气孔，其中，所述进气孔与第二进气管路相连。
本发明实施例还公开了一种深硅刻蚀设备的进气系统，包括：
连接在气源柜、反应腔室之间的两条独立控制的气路；
其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。
优选的，所述两条独立控制的气路包括两条进气管路和一个进气嘴；
所述两条进气管路分别与刻蚀步骤用工艺气体、沉积步骤用工艺气体相连，并均通过该进气嘴与反应腔室相连。
优选的，所述进气嘴包括一内层喷嘴以及一外层喷嘴；所述内层喷嘴、外层喷嘴分别与两条进气管路相连。
优选的，内层喷嘴为所述进气嘴内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
外层喷嘴包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，与分流孔相连的出气通道。
优选的，所述外层喷嘴的进气孔，其轴线与内层喷嘴通孔的轴线垂直；
所述外层喷嘴的均匀腔为环绕内层喷嘴通孔的一中空环；
所述外层喷嘴的出气通道为环绕内层喷嘴通孔、连接反应腔室的另一中空环。
优选的，所述进气嘴包括中间喷嘴和匀流板；
所述中间喷嘴一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
所述匀流板上设有进气孔、均匀腔和出气孔，其中，所述进气孔与第二进气管路相连。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
由于刻蚀步骤用工艺气体和沉积步骤用工艺气体使用两条不同的气路进入反应腔室，这样，当刻蚀步骤结束时，刻蚀步骤用工艺气体可以保留在第一气路中，而当随后的沉积步骤开始时，沉积步骤用工艺气体可以使用第二气路进入反应腔室；同理，当将沉积步骤切换为刻蚀步骤时，沉积步骤用工艺气体保留在第二气路中，不会影响刻蚀步骤用工艺气体所在的第一气路，因此本发明能够消除在步骤切换时的工艺气体混合问题，从而实现深硅刻蚀过程中工艺气体流量的精确控制。
进而，由于刻蚀步骤用工艺气体和沉积步骤用工艺气体分别由所述两条气路独立控制进气，在气源柜中不需要管路的切换，因此能够在步骤切换频繁以及在切换间隔非常短的情况下，避免工艺气体进入的延迟问题，从而提高深硅刻蚀工艺的精度和效率。
附图说明
图1是现有Bosch工艺的一个典型刻蚀过程示例；
图2是现有一种典型的硅刻蚀设备的结构示意图；
图3是本发明一种深硅刻蚀装置实施例1的结构示意图；
图4是本发明一种深硅刻蚀装置实施例2的结构示意图；
图5是本发明一种深硅刻蚀装置实施例3的结构示意图；
图6是本发明一种深硅刻蚀装置实施例4的结构示意图；
图7是图6所示实施例中一种匀流板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
参照图3，示出了本发明一种深硅刻蚀装置实施例1的结构图，具体可以包括反应腔室301，气源柜302，所述气源柜通过两条独立控制的气路与所述反应腔室301相连；其中，第一气路303用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜302引入反应腔室301；第二气路304用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜302引入反应腔室301。
由于刻蚀步骤用工艺气体和沉积步骤用工艺气体使用两条不同的气路进入反应腔室，这样，当刻蚀步骤结束时，刻蚀步骤用工艺气体可以保留在第一气路中，对于随后的沉积步骤用工艺气体进入反应腔室，没有任何影响。同理，当将沉积步骤切换为刻蚀步骤时，沉积步骤用工艺气体保留在第二气路中，也不会影响随后的刻蚀步骤，因此本发明能够消除在步骤切换时的工艺气体混合问题。
在具体实现中，第一气路303可以包括一个与气源柜302相连的第一进气管路330和一个固定于反应腔室301上的第一进气嘴331，刻蚀步骤用工艺气体由气源柜302经第一进气管路330和第一进气嘴331引入反应腔室301；第二气路304可以包括一个与气源柜302相连的第二进气管路340和一个固定于反应腔室301上的第二进气嘴341，沉积步骤用工艺气体由气源柜302经第二进气管路340和第二进气嘴341引入反应腔室301。
在实际应用中，第一气路和第二气路还可以共用一个进气嘴。参照图4，示出了此种应用情形下，本发明一种深硅刻蚀装置实施例2的结构示意图，具体可以包括反应腔室401，气源柜402，与气源柜402相连的第一进气管路403和第二进气管路404，以及分别与第一进气管路403、第二进气管路404相连的进气嘴405。虽然本实施例是通过一个进气嘴将不同工艺气体引入反应腔室的，但是由于是通过两个独立的管路进行的，因此并不会影响本发明的效果。
由于不同的蚀刻工艺需求不同的工艺气体，在选择刻蚀步骤用工艺气体时，某种工艺需要利用SF6和O2，而在另外一种工艺需要SF6和He(氦气)作为刻蚀步骤用工艺气体，这种情况下，通入第一气路的工艺气体可以为SF6和O2或者SF6和He等，即包括主刻蚀气体及辅助气体。
可以理解，本领域技术人员还可以依据实际需求对第一气路的结构进行其它改进，或者根据沉积步骤用工艺气体的需求对第二气路的结构进行改进。上述方式仅仅用作示例，本发明对第一气路和第二气路的具体结构无需加以限制。
本发明还提供了一种深硅刻蚀装置实施例3，具体可以包括反应腔室，气源柜，与气源柜相连的第一进气管路和第二进气管路，以及分别与第一进气管路、第二进气管路相连的进气嘴。
参考图5，示出了实施例3中一种进气嘴的结构示意图，所述进气嘴为圆柱体结构(当然也可以为方柱体等其他结构)，由一内层喷嘴501以及一外层喷嘴502构成。其中，所述内层喷嘴501为所述圆柱体内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；所述中心通孔为台阶孔结构，两端孔径小，中间孔径大，并在伸出所述进气嘴与反应腔室相接的小孔一端设有倒角。上述倒角和孔径变化的设计可以增大气体入射角度，提高气体分布的均匀性。
所述外层喷嘴502包括与第二进气管路相连的进气孔521，与进气孔相连的均匀腔522，与均匀腔相连的分流孔523，与分流孔相连的出气通道524。
其中，在本发明的一个优选实现方案中，所述进气孔521固定于进气嘴圆柱体壁上，其轴线与内层喷嘴中心通孔501的轴线垂直；所述均匀腔522为环绕内层喷嘴中心通孔501的一中空环；所述分流孔523均匀分布在所述内层喷嘴中心通孔501的周围；所述出气通道524为环绕内层喷嘴中心通孔501并与反应腔室相连的另一中空环。沉积步骤用工艺气体由进气孔521进入均匀腔522后，再经分流孔合出气通道524进入反应腔室，由于均匀腔522和分流孔523对进入的沉积步骤用工艺气体进行了均匀分配，所以本发明实施例能够实现对沉积步骤用工艺气体流量的均匀控制。
可以理解，图5所示的进气嘴结构只是作为示例，本领域技术人员还可以根据实际需要采用任一进气嘴结构都是可行的，如内层喷嘴的中心通孔只是简单的通孔结构，或者，所述中心通孔为两端孔径大、中间孔径小的台阶孔结构。
又或者，外层喷嘴包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，所述分流孔直接与反应腔室相连等等。总之，本发明对于外层喷嘴的进气孔结构、位置没有限制，对于均匀腔的结构等都没有限制。当然，对于最简单的内外层喷嘴而言，即使外层喷嘴没有均匀腔和分流孔也是可行的。
参考图6，示出了本发明一种深硅刻蚀装置实施例4的结构图，本实施例与实施例2的区别在于进气嘴结构，本实施例的进气嘴包括中间喷嘴605和匀流板606(相当于采用匀流板替代实施例3中的外层喷嘴)。其中，所述中间喷嘴605一端与第一进气管路603相连，另一端接入反应腔室601；所述匀流板606用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜602和第二进气管路604引入反应腔室601。
参考图7，示出了图6所示实施例中一种匀流板的结构示意图，其上设有进气孔701、均匀腔702和出气孔703，其中，所述进气孔701与第二进气管路相连，所述出气孔703的大小、形状、分布等均不受约束。沉积步骤用工艺气体由进气孔701进入均匀腔702，然后由出气孔703进入反应腔室。由于均匀腔702对进入的沉积步骤用工艺气体进行了均匀分配，所以能够实现对沉积步骤用工艺气体流量的均匀控制。优选的，进气孔701和出气孔703为非同轴设计，以免气体直接流出。
当然，上述的进气嘴结构只是作为示例，本领域技术人员还可以根据需要采用其它结构的进气嘴，例如，进气嘴包括两个匀流板，或者对匀流板结构进行其他改进等等，总之，本发明对具体的进气嘴结构并不需要加以限制。
前面对本发明包括气源柜、反应腔室和进气系统的深硅刻蚀设备进行了详细描述，可以看出，本发明也可以提供一种深硅刻蚀设备的进气系统实施例，具体可以包括：分别与气源柜、反应腔室相连的两条独立控制的气路；其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。
在进气系统的一种优选实施例中，所述两条独立控制的气路可以包括两条进气管路和一个进气嘴；其中，所述两条进气管路分别与刻蚀步骤用工艺气体、沉积步骤用工艺气体相连，并均通过该进气嘴与反应腔室相连。
在进气系统的一种优选实施例中，所述进气嘴可以包括一内层喷嘴以及一外层喷嘴；其中，所述内层喷嘴、外层喷嘴分别与两条进气管路相连。
在具体实现中，所述内层喷嘴可以为所述进气嘴内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；所述外层喷嘴可以包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，与分流孔相连的出气通道。
优选的是，所述外层喷嘴进气孔的轴线可以与内层喷嘴通孔的轴线垂直；所述外层喷嘴的均匀腔可以为环绕内层喷嘴通孔的一中空环；所述外层喷嘴的出气通道可以为环绕内层喷嘴通孔、连接反应腔室的另一中空环。
为保证同样实现对沉积步骤用工艺气体流量的均匀控制，在实际应用中，所述进气嘴还可以采用包括中间喷嘴和匀流板的结构加以实现；其中，所述中间喷嘴一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；所述匀流板上设有进气孔、均匀腔和出气孔，其中，所述进气孔与第二进气管路相连。
可以理解，本领域技术人员还可以依据实际需求采用其它结构的第一气路、第二气路或者进气嘴，本发明对第一气路、第二气路以及进气嘴的具体结构无需加以限制。
以上对本发明所提供的一种深硅刻蚀设备和一种深硅刻蚀设备的进气系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1、一种深硅刻蚀装置，包括反应腔室，气源柜，其特征在于，
所述气源柜通过两条独立控制的气路与所述反应腔室相连；
其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述两条独立控制的气路包括两条进气管路和一个进气嘴；
所述两条进气管路分别与刻蚀步骤用工艺气体、沉积步骤用工艺气体相连，并均通过该进气嘴与反应腔室相连。
3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述进气嘴包括一内层喷嘴以及一外层喷嘴；所述内层喷嘴、外层喷嘴分别与两条进气管路相连。
4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，
内层喷嘴为所述进气嘴内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
外层喷嘴包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，与分流孔相连的出气通道。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述外层喷嘴的进气孔，其轴线与内层喷嘴通孔的轴线垂直；
所述外层喷嘴的均匀腔为环绕内层喷嘴通孔的一中空环；
所述外层喷嘴的出气通道为环绕内层喷嘴通孔、连接反应腔室的另一中空环。
6、如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述进气嘴包括中间喷嘴和匀流板；
所述中间喷嘴一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
所述匀流板上设有进气孔、均匀腔和出气孔，其中，所述进气孔与第二进气管路相连。
7、一种深硅刻蚀设备的进气系统，其特征在于，包括：
连接在气源柜、反应腔室之间的两条独立控制的气路；
其中，第一气路用于将刻蚀步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室；第二气路用于将沉积步骤用工艺气体由气源柜引入反应腔室。
8、如权利要求7所述的进气系统，其特征在于，
所述两条独立控制的气路包括两条进气管路和一个进气嘴；
所述两条进气管路分别与刻蚀步骤用工艺气体、沉积步骤用工艺气体相连，并均通过该进气嘴与反应腔室相连。
9、如权利要求8所述的进气系统，其特征在于，
所述进气嘴包括一内层喷嘴以及一外层喷嘴；所述内层喷嘴、外层喷嘴分别与两条进气管路相连。
10、如权利要求9所述的进气系统，其特征在于，
内层喷嘴为所述进气嘴内的一中心通孔，该中心通孔一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
外层喷嘴包括与第二进气管路相连的进气孔，与进气孔相连的均匀腔，与均匀腔相连的分流孔，与分流孔相连的出气通道。
11、如权利要求10所述的进气系统，其特征在于，
所述外层喷嘴的进气孔，其轴线与内层喷嘴通孔的轴线垂直；
所述外层喷嘴的均匀腔为环绕内层喷嘴通孔的一中空环；
所述外层喷嘴的出气通道为环绕内层喷嘴通孔、连接反应腔室的另一中空环。
12、如权利要求8所述的进气系统，其特征在于，
所述进气嘴包括中间喷嘴和匀流板；
所述中间喷嘴一端与第一进气管路相连，另一端接入反应腔室；
所述匀流板上设有进气孔、均匀腔和出气孔，其中，所述进气孔与第二进气管路相连。
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