CN102368475B - 一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置 - Google Patents

Abstract

一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，包括主支架和副支架，所述主支架上安装有刻蚀腔和分子泵，所述刻蚀腔与分子泵连接，所述副支架上安装有预真空腔，所述预真空腔与刻蚀腔连接，所述预真空腔内安装有将片盘输送到刻蚀腔的机械手，所述预真空腔与刻蚀腔均与抽真空用的机械泵连接；所述刻蚀腔的下方安装有可带动片盘在刻蚀腔内运动的下电极，所述下电极与RIE射频电源连接；所述刻蚀腔和预真空腔上均连接有进气管道，所述进气管道与控制其通气的通气系统连接，所述刻蚀腔的进气口上连接有ICP射频电源；所述机械手与下电极分别与带动其运动的伺服电机连接，所述伺服电机均与控制其运动的伺服电机控制器连接。

Description

一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置

技术领域

本发明涉及一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置。

背景技术

刻蚀是半导体制造工艺、微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的工艺步骤，是与光刻相联系的图形化（pattern）处理的一种主要工艺。所谓刻蚀，实际上狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展；广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。刻蚀最简单最常用分类是干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀种类很多，包括光挥发、气相腐蚀、等离子体腐蚀等。其优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。缺点是：成本高，设备复杂。干法刻蚀主要形式有纯化学过程（如屏蔽式，下游式，桶式），纯物理过程（如离子铣），物理化学过程，常用的有反应离子刻蚀RIE，离子束辅助自由基刻蚀ICP等。

与其它刻蚀技术相比，ICP刻蚀技术结构简单、性价比高、装置的环径比更大、装置更小型化且操作简单。同时ICP源具有至少在直径20cm范围内的均匀性，可独立控制离子密度和离子能量，已成为目前较为理想的等离子体源。ICP反应可以得到大于的高密度等离子体，用以实现先进的加工过程。例如，在常温下深刻蚀硅片，可以获得高刻蚀速率，高刻蚀纵宽比和高选择比，同时保持侧壁陡直。这种刻蚀工艺被广泛应用于各种深刻蚀，如MEMS的制作中。通过在钝化和刻蚀之间加入一个去钝化的步骤，或通过控制聚合薄层的厚度，合理调节其它刻蚀参数，不仅可以刻蚀出各向异性的端面，而且可以使得端面倾角在一定范围内有变化。利用ICP刻蚀技术刻蚀硅基材料和族化合物同样可以获得良好的刻蚀效果。

ICP刻蚀技术广泛应用于微电子、LED及光伏领域。ICP刻蚀技术还用于制备HB-LED的衬底。

蓝宝石衬底是LED的底层支撑，在蓝宝石衬底上通过MOCVD依次生长低温成核层、N型掺杂层、多量子阱(MQW)层、P型掺杂层，再制作电极，就可以制成LED。在蓝宝石衬底上通过光刻和刻蚀做图形就可以得到图形化蓝宝石衬底，即PatternedSapphireSubstrate，简称PSS。光刻工艺的目的是用光刻胶将需要刻蚀的蓝宝石显露，将不需要刻蚀的蓝宝石掩护；刻蚀的目的是将未被光刻胶保护的那部分蓝宝石刻蚀，以形成图形。与蓝宝石衬底相比，图形化蓝宝石衬底具有显著优势。首先，将蓝宝石衬底进行图形化处理后，在衬底表面生长时，蓝宝石与的晶格失配会减小，从而减少由晶格失配引起的螺位错，就能有效地减少光生电子-空穴对由于螺位错引起的非辐射复合，提高LED的内量子效率，增强LED的亮度；其次，由于从多量子阱产生的光线仅有单一的传播方向，如果光线经过图形化处理的蓝宝石衬底能够增加光线的散射，这就使得光线有多个传播方向。从多量子阱产生的光线传播到空气-蓝宝石界面时，如果入射角大于 （空气的折射率，为蓝宝石的折射率），光线发生全反射，返回LED；如果入射角小于，光线就会发生折射，传播到空气中。而LED的设计是单向出光的，不希望光线从蓝宝石衬底一侧射出。做PSS后，蓝宝石衬底上的图形增加了光线的散射，使得光线有较多的传播方向，就有更多的光线发生全反射返回LED，这些光线将从出光面出光，这样就提高了LED的光析出率，增强LED的亮度。

制作PSS对提高LED的亮度意义重大，而光刻后的蓝宝石片要经过刻蚀才能形成PSS，因此，刻蚀是制作PSS工艺中的关键工艺步骤。刻蚀的目的在于根据光刻的情况选择性地去除部分蓝宝石衬底材料。即利用处于等离子体状态和对蓝宝石衬底进行物理轰击和化学腐蚀，将未被光刻胶覆盖的蓝宝石衬底刻蚀掉，而被光刻胶覆盖的那部分蓝宝石衬底不被刻蚀。这样，经过刻蚀机处理后，就在蓝宝石衬底上形成图形，制成蓝宝石衬底。

蓝宝石刻蚀机的刻蚀速率和刻蚀均匀性对蓝宝石衬底的制作至关重要。首先，刻蚀速率快，对于相同的刻蚀深度所需的刻蚀时间就少，生产效率就能够得到提高。其次，刻蚀均匀性对于提高PSS产品的良率有决定性的作用。如果片内均匀性好，那么在保证发光效率统一性的基础上，在同一片蓝宝石片上就可以分割出较多的LED衬底；如果蓝宝石片片间均匀性较好，那么23片蓝宝石片都可以用作高亮度LED的衬底，不会出现废片。

现有的用于制作PSS的蓝宝石刻蚀机存在诸多问题。首先，刻蚀速率达不到要求，在蓝宝石衬底上刻蚀一定的深度所需的时间较长。其次，刻蚀的片内均匀性与片间的均匀性较差，刻蚀后PSS的良率很低。最后，刻蚀的吞吐量较小，甚至是单片刻蚀。

发明内容

本发明要解决现有的用于制作PSS的蓝宝石刻蚀机存在刻蚀速率不高、刻蚀效果不好、吞吐量小的问题，提供了一种刻蚀速率高、刻蚀效果好、吞吐量大的干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置。

本发明采用的技术方案是：

一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：包括主支架和副支架，所述主支架上安装有刻蚀腔和分子泵，所述刻蚀腔与分子泵连接，所述副支架上安装有预真空腔，所述预真空腔与刻蚀腔连接，所述预真空腔内安装有将片盘输送到刻蚀腔的机械手，所述预真空腔与刻蚀腔均与抽真空用的机械泵连接；所述刻蚀腔的下方安装有可带动片盘在刻蚀腔内运动的下电极，所述下电极与RIE射频电源连接；所述刻蚀腔和预真空腔上均连接有进气管道，所述进气管道与控制其通气的通气系统连接，所述刻蚀腔的进气口上连接有ICP射频电源；所述机械手与下电极分别与带动其运动的伺服电机连接，所述伺服电机均与控制其运动的伺服电机控制器连接。

进一步，所述刻蚀腔上配设有排气系统，所述排气系统包括前级泵，所述前级泵与分子泵连接，所述前级泵上连接有检漏仪。

进一步，所述刻蚀腔上与分子泵的接口处设有测量刻蚀腔气压的薄膜硅，并设有调压阀。

进一步，所述副支架上安装有工控机主机。

进一步，所述RIE射频电源安装在主支架上，其安装高度与下电极的高度相当。

进一步，所述ICP射频电源安装在主支架上，其安装高度与刻蚀腔的高度相当。

进一步，所述预真空腔与刻蚀腔之间、所述前级泵与分子泵之间、所述分子泵与刻蚀腔之间、所述机械泵与刻蚀腔之间、所述机械泵与预真空腔之间均安装有阀门，所述阀门均与控制其开关的气动阀控制器连接。

进一步，所述预真空腔与机械泵之间、所述刻蚀腔与机械泵之间、所述分子泵与刻蚀腔之间、所述分子泵与前级泵之间、所述前级泵与检漏仪之间均通过管道连接。

本发明的工作过程：

1、初始化预真空腔中机械手的位置和刻蚀腔下的下电极的位置；

2、开启预真空腔的盖子，将放有基片的片盘放在机械手上，关闭盖子；

3、开启机械泵，先对预真空腔抽真空，达到一定的真空度后，机械泵对刻蚀腔抽真空，达到一定的真空度后，关闭机械泵与预真空腔之间的阀门，不再抽真空，但是机械泵保持开启状态；

4、打开预真空腔与刻蚀腔之间的阀门，机械手将片盘送往刻蚀腔；

5、下电极上升，将片盘托起，达到一定高度；

6、机械手撤出刻蚀腔，关闭预真空腔与刻蚀腔之间的阀门；

7、依次启动检漏仪、前级泵和分子泵；

8、检测刻蚀腔中气压是否满足要求，如果不满足要求，则用机械泵抽真空直到刻蚀腔中气压值满足要求为止；

9、打开分子泵与刻蚀腔之间的阀门，分子泵对刻蚀腔抽真空；

10、通气系统通过与刻蚀腔连接的进气管道向刻蚀腔中通刻蚀气体；

11、开启射频电源，刻蚀气体起辉，刻蚀腔中产生等离子体，同时，下电极上加电压，等离子体通过化学反应和物理轰击两种作用对基片进行刻蚀；

12、刻蚀结束后，通气停止，射频电源关闭，关闭分子泵与刻蚀腔之间的阀门；

13、通氮气反复对刻蚀腔进行清洗；

14、用机械泵分别对刻蚀腔和预真空腔抽真空；

15、打开预真空腔与刻蚀腔之间的阀门，机械手进入刻蚀腔将片盘运出，再关闭预真空腔与刻蚀腔之间的阀门；

16、通气系统通过与预真空腔的进气管道向预真空腔充入氮气，使得预真空腔的气压达到大气压；

17、打开盖子，取出片盘。

本发明的有益效果：刻蚀速率高、刻蚀效果好、吞吐量大。

附图说明

图1是本发明的正面示意图。

图2是本发明的背面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参照图1-2，一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，包括主支架3和副支架4，所述主支架3上安装有刻蚀腔1和分子泵6，所述刻蚀腔1与分子泵6连接，所述副支架4上安装有预真空腔2，所述预真空腔2与刻蚀腔1连接，所述预真空腔2内安装有将片盘输送到刻蚀腔1的机械手，所述预真空腔2与刻蚀腔1均与抽真空用的机械泵9连接；所述刻蚀腔1的下方安装有可带动片盘在刻蚀腔1内运动的下电极5，所述下电极5与RIE射频电源连接；所述刻蚀腔1和预真空腔2上均连接有进气管道，所述进气管道与控制其通气的通气系统7连接，所述刻蚀腔1的进气口上连接有ICP射频电源；所述机械手与下电极5分别与带动其运动的伺服电机连接，所述伺服电机均与控制其运动的伺服电机控制器连接。

所述刻蚀腔1上配设有排气系统，所述排气系统包括前级泵8，所述前级泵8与分子泵6连接，所述前级泵8上连接有检漏仪10。

所述刻蚀腔1上与分子泵6的接口处设有测量刻蚀腔气压的薄膜硅，并设有调压阀。

所述副支架4上安装有工控机主机。

所述RIE射频电源安装在主支架3上，其安装高度与下电极5的高度相当。

所述ICP射频电源安装在主支架3上，其安装高度与刻蚀腔1的高度相当。

所述预真空腔2与刻蚀腔1之间、所述前级泵8与分子泵6之间、所述分子泵6与刻蚀腔1之间、所述机械泵9与刻蚀腔1之间、所述机械泵9与预真空腔2之间均安装有阀门，所述阀门均与控制其开关的气动阀控制器连接。

所述预真空腔2与机械泵9之间、所述刻蚀腔1与机械泵9之间、所述分子泵6与刻蚀腔1之间、所述分子泵6与前级泵8之间、所述前级泵8与检漏仪10之间均通过管道连接。

本发明的工作过程：

1、初始化预真空腔2中机械手的位置和刻蚀腔1下的下电极5的位置；

2、开启预真空腔2的盖子，将放有基片的片盘放在机械手上，关闭盖子；

3、开启机械泵9，先对预真空腔2抽真空，达到一定的真空度后，机械泵9对刻蚀腔1抽真空，达到一定的真空度后，关闭机械泵9与预真空腔2之间的阀门，不再抽真空，但是机械泵9保持开启状态；

4、打开预真空腔2与刻蚀腔1之间的阀门，机械手将片盘送往刻蚀腔1；

5、下电极5上升，将片盘托起，达到一定高度；

6、机械手撤出刻蚀腔1，关闭预真空腔2与刻蚀腔1之间的阀门；

7、依次启动检漏仪10、前级泵8和分子泵6；

8、检测刻蚀腔1中气压是否满足要求，如果不满足要求，则用机械泵9抽真空直到刻蚀腔1中气压值满足要求为止；

9、打开分子泵6与刻蚀腔1之间的阀门，分子泵6对刻蚀腔1抽真空；

10、通气系统7通过与刻蚀腔1连接的进气管道向刻蚀腔1中通刻蚀气体；

11、开启射频电源，刻蚀气体起辉，刻蚀腔中产生等离子体，同时，下电极5上加电压，等离子体通过化学反应和物理轰击两种作用对基片进行刻蚀；

12、刻蚀结束后，通气停止，射频电源关闭，关闭分子泵6与刻蚀腔1之间的阀门；

13、通氮气反复对刻蚀腔1进行清洗；

14、用机械泵9分别对刻蚀腔1和预真空腔2抽真空；

15、打开预真空腔2与刻蚀腔1之间的阀门，机械手进入刻蚀腔1将片盘运出，再关闭预真空腔2与刻蚀腔1之间的阀门；

16、通气系统7通过与预真空腔2的进气管道向预真空腔2充入氮气，使得预真空腔2的气压达到大气压；

17、打开盖子，取出片盘。

Claims (8)

1.一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：包括主支架和副支架，所述主支架上安装有刻蚀腔和分子泵，所述刻蚀腔与分子泵连接，所述副支架上安装有预真空腔，所述预真空腔与刻蚀腔连接，所述预真空腔内安装有将片盘输送到刻蚀腔的机械手，所述预真空腔与刻蚀腔均与抽真空用的机械泵连接；所述刻蚀腔的下方安装有可带动片盘在刻蚀腔内运动的下电极，所述下电极与RIE射频电源连接；所述刻蚀腔和预真空腔上均连接有进气管道，所述进气管道与控制其通气的通气系统连接，所述刻蚀腔的进气口上连接有ICP射频电源；所述机械手与下电极分别与带动其运动的伺服电机连接，所述伺服电机均与控制其运动的伺服电机控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述刻蚀腔上配设有排气系统，所述排气系统包括前级泵，所述前级泵与分子泵连接，所述前级泵上连接有检漏仪。

3.根据权利要求2所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述刻蚀腔上与分子泵的接口处设有测量刻蚀腔气压的薄膜硅，并设有调压阀。

4.根据权利要求3所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述副支架上安装有工控机主机。

5.根据权利要求4所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述RIE射频电源安装在主支架上，其安装高度与下电极的高度相当。

6.根据权利要求5所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述ICP射频电源安装在主支架上，其安装高度与刻蚀腔的高度相当。

7.根据权利要求6所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述预真空腔与刻蚀腔之间、所述前级泵与分子泵之间、所述分子泵与刻蚀腔之间、所述机械泵与刻蚀腔之间、所述机械泵与预真空腔之间均安装有阀门，所述阀门均与控制其开关的气动阀控制器连接。

8.根据权利要求7所述的一种干法刻蚀坚硬无机材料基板的装置，其特征在于：所述预真空腔与机械泵之间、所述刻蚀腔与机械泵之间、所述分子泵与刻蚀腔之间、所述分子泵与前级泵之间、所述前级泵与检漏仪之间均通过管道连接。