CN104051212B - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种等离子体处理装置，涉及微机电加工领域，解决了使用现有等离子体处理装置对晶片进行刻蚀时由于晶片边缘和晶片中心的等离子体密度不一致导致的晶片边缘的刻蚀深度与晶片中心的刻蚀深度不一致的问题。本发明实施例的等离子体处理装置包括反应室及设置于所述反应室内的待处理晶片，其中，所述装置还包括设置在所述反应室内的喷射单元，用于根据工艺气体被离化后的等离子体在所述待处理晶片上的分布特点，向所述待处理晶片上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体。

Description

等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及微机电加工领域，尤其涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)器件和MEMS系统被越来越广泛的应用于汽车和消费电子领域，以及TSV(Through Silicon Etch，通孔刻蚀)技术在未来封装领域的广阔前景，深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中最重要的工艺之一。

目前，深硅刻蚀工艺包括两个步骤：刻蚀步骤和沉积步骤，其中刻蚀步骤的工艺气体通常为六氟化硫(SF6)，该气体刻蚀硅基底尽管具有很高的刻蚀速率，但由于是各项同性刻蚀，因此很难控制侧壁形貌；为了减少对侧壁的刻蚀，还需要进行沉积步骤：在侧壁沉积一层聚合物保护膜来保护侧壁不被刻蚀，从而得到只在垂直方向上的刻蚀，通常沉积气体以碳氟化合物(CxFy)或氧气(O2)为主。但是由于使用的工艺气体自身的电负性特点，导致在反应腔内部的工艺气体被电离后产生的等离子体在待加工晶片上方的分布不均匀，所以容易导致晶片中心和边缘刻蚀结果在存在差异。

现有深硅刻蚀设备多采用等离子体处理装置，图1示出了该装置的结构：反应室11和介质窗12形成一个密闭空间，设置在该反应室11内底部中心处的静电卡盘13上面装载被加工的晶片14，聚焦环15位于静电卡盘13的四周，起到固定晶片14和约束等离子体的作用；设置在该反应室11顶壁中心处的注入口16与反应室11外的注入系统(图中未示出)连通，以将刻蚀气体和沉积气体交替或同时注入反应室11内；电感耦合线圈17位于介质窗12上，电感耦合线圈17通电后能将反应气体电离形成等离子体；设置在反应室11侧壁底部的排气孔18与反应室11外的空气泵连通，以将反应副产物气体抽出反应室11。使用上述等离子体处理装置对晶片14进行刻蚀时，由于使用的工艺气体SF6等离子体有很强的电负性，而CxFy或O2等离子体电负性较弱，因此SF6等离子体和CxFy等离子体、O2等离子体的分布有很大的区别。强电负性SF6等离子体在晶片上方的分布基本上是中心密度低，边缘比中心强，所以刻蚀速率中心比边缘慢，刻蚀深度晶片边缘高于中心；而较弱电负性CxFy等离子体或O2等离子体在晶片上方是中心密度高，边缘密度低，所以晶片中心的刻蚀剖面钝化效果优于边缘，导致中心刻蚀剖面陡直的同时，晶片边缘刻蚀剖面因侧壁钝化不足而不陡直。

发明内容

本发明的实施例提供了一种等离子体处理装置，解决了使用现有的等离子体处理装置对晶片进行刻蚀时由于晶片边缘和晶片中心的等离子体密度不一致导致的晶片边缘的刻蚀深度与晶片中心的刻蚀深度不一致的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种等离子体处理装置，包括等离子体处理装置，包括反应室及设置于所述反应室内的待处理晶片，其中，所述装置还包括设置在所述反应室内的喷射单元，用于根据工艺气体被离化后的等离子体在所述待处理晶片上的分布特点，向所述待处理晶片上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体。

具体地，所述等离子体处理装置，包括设置在所述反应室顶壁中心处的注入口及设置在所述反应室内底部中心处的静电卡盘，所述待处理晶片设置在所述静电卡盘上；所述喷射单元包括：环绕所述注入口的第一喷嘴，所述第一喷嘴所在圆的圆心正对所述待处理晶片的圆心。

其中，所述第一喷嘴的材质为石英，所述第一喷嘴用于喷射刻蚀气体的等离子体。

具体地，所述刻蚀气体为六氟化硫。

优选地，所述第一喷嘴为中空环形。

进一步地，所述等离子体处理装置，包括设置在所述静电卡盘四周的聚焦环，所述喷射单元，还包括：设置在所述聚焦环内部的第二喷嘴，所述第二喷嘴朝向所述静电卡盘。

其中，所述第二喷嘴的材质为氧化铝，用于喷射钝化气体的等离子体。

具体地，所述钝化气体为碳氟化合物气体或氧气。

优选地，所述第二喷嘴为中空环形。

进一步地，所述等离子体处理装置，包括设置于所述反应室外的等离子体发生单元，所述等离子体发生单元与所述喷射单元连通，用于将工艺气体被离化后的等离子体输送至所述喷射单元。

优选地，所述等离子体发生单元为自动等离子源。

本发明实施例提供的等离子体处理装置中，由于在反应室内设置了喷射单元，且该喷射单元能够根据工艺气体被离化后的等离子体在待处理晶片上的分布特点，向待处理晶片上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体，因此，在该装置中使用SF6等离子体对待处理晶片进行刻蚀时，由于SF6等离子体的分布特点是边缘密度比中心密度高，使得需要通过喷射单元在待处理晶片上方的中心区域补充等离子体，从而能实现晶片边缘和晶片中心的等离子体密度一致，进而实现晶片边缘的刻蚀深度与晶片中心的刻蚀深度一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中等离子体处理装置的剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种等离子体处理装置的方框图；

图3为本发明实施例提供的另一种等离子体处理装置的剖面示意图；

图4为图3中注入口和第一喷嘴的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的又一种等离子体处理装置的剖面示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种等离子体处理装置，如图2所示，包括反应室21及设置于反应室21内的待处理晶片22，该装置还包括设置在反应室21内的喷射单元23，用于根据工艺气体被离化后的等离子体在待处理晶片上的分布特点，向待处理晶片22上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体。

需要说明的是：图2仅为上述等离子体处理装置的方框图，等离子体处理装置中的各组件均以方框的形式表示，方框的位置是示意性的，并不代表组件的实际位置，各组件可根据等离子体处理工艺的需求，设置在本领域技术人员所知的任意位置。

本发明实施例提供的等离子体处理装置中，由于在反应室21内设置了喷射单元23，且该喷射单元23能够根据工艺气体被离化后的等离子体在待处理晶片上的分布特点，向待处理晶片22上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体，因此，在该装置中使用SF6等离子体对待处理晶片22进行刻蚀时，由于SF6等离子体的分布特点是边缘密度比中心密度高，使得需要通过喷射单元23在待处理晶片22上方的中心区域补充等离子体，从而能实现晶片边缘和晶片中心的等离子体密度一致，进而实现晶片边缘的刻蚀深度与晶片中心的刻蚀深度一致。

上述实施例描述的等离子体处理装置，具体可以包括如图3所示的设置在反应室21顶壁中心处的注入口31及设置在反应室21内底部中心处的静电卡盘32，待处理晶片22设置在静电卡盘32上；上述的喷射单元具体包括环绕注入口31的第一喷嘴33，第一喷嘴33所在圆的圆心正对待处理晶片22的圆心。

上述的等离子体处理装置中，反应室21内底部中心处设置有静电卡盘32，待处理晶片22设置在静电卡盘32上，注入口31设置在反应室21顶壁中心处，使得注入口31与待处理晶片22所在圆的圆心正对，这些结构与现有的等离子体处理装置相同。本发明实施例中设置第一喷嘴33以环绕注入口31，可以较好地利用现有的装置结构，实现第一喷嘴33所在圆的圆心正对待处理晶片22的圆心，不需要对现有的装置结构做较大改动，因此降低了装置的生产成本。

当使用SF6等离子体对待处理晶片22进行刻蚀时，由于SF6等离子体的分布特点是边缘密度比中心密度高，本发明的第一喷嘴33所在圆的圆心正对待处理晶片22的圆心，通过使第一喷嘴33喷出SF6等离子体，使得喷射单元23在待处理晶片22上方的中心区域补充SF6等离子体，以实现晶片边缘和晶片中心的SF6等离子体密度一致。

较佳地，作为另一种可实施方式，对于一些特殊的工艺，当仅需要对晶片的边缘区域进行刻蚀时，可以通过使所述第一喷嘴喷出CxFy或O2等侧壁钝化气体的等离子体，使得位于待处理晶片上方的中心区域的SF6等离子体相对密度更低，边缘区域的SF6等离子体相对密度更高，能够实现灵活调整反应腔室中当前工艺所需等离子体的分布情况。

上述实施例提供的等离子体处理装置中，第一喷嘴33的材质可以为石英，当然也可以使用其他材质，可以根据具体的等离子体处理工艺进行相应选择。该第一喷嘴33可以用于喷射刻蚀气体的等离子体，且该刻蚀气体可以为SF6。

上述实施例提供的等离子体处理装置中，第一喷嘴33的具体结构如图4所示，第一喷嘴33可以为中空环形，即第一喷嘴33是环绕着注入口31的一个连续结构的喷嘴，以达到较全面的喷射范围和较大的喷射量。当然，本发明实施例提供的第一喷嘴33的结构并不限于此，本领域技术人员所知的任何能向待处理晶片22上方中心区喷射等离子体的结构均能用于本发明。

此外，如图4所示，第一喷嘴33顶部还设置有等离子体入口41，用于向第一喷嘴33内输送被离化的工艺气体的等离子体。

图3所示的等离子体处理装置中还可以包括设置在静电卡盘32四周的聚焦环34，上述的喷射单元还可以如图5所示包括设置在聚焦环34内部的第二喷嘴35，该第二喷嘴35朝向静电卡盘32。

如上所述，反应室21内底部中心处设置有静电卡盘32，待处理晶片22设置在静电卡盘32上，注入口31设置在反应室21顶壁中心处，使得注入口31与待处理晶片22所在圆的圆心正对，这些结构与现有的等离子体处理装置相同，另外，现有的等离子体处理装置中也包含设置在静电卡盘四周的聚焦环。本发明实施例中对现有的聚焦环的结构进行了改进，在其中设置了第二喷嘴35，可以较好地利用现有的装置结构，实现第二喷嘴35朝向静电卡盘32，即实现了第二喷嘴35向待处理晶片的边缘，不需要对现有的装置结构做较大改动，因此降低了装置的生产成本。

现有技术中，在使用SF6等离子体对待处理晶片进行刻蚀时，通常会使用CxFy或O2等侧壁钝化气体的等离子体，以在侧壁沉积一层聚合物保护膜来保护侧壁不被刻蚀，但是CxFy或O2等离子体的分布特点是边缘密度比中心密度低。为了在待处理晶片上方的边缘区域补充CxFy或O2等离子体，本发明实施例提出了上述改进后的聚焦环34的结构，其中的第二喷嘴35能将CxFy或O2等离子体直接喷至待处理晶片上方的边缘区域，以弥补CxFy或O2等离子体的分布呈边缘密度低中心密度高的问题，从而实现晶片边缘和晶片中心的等离子体密度一致，进而实现晶片边缘和中心的刻蚀槽宽度一致且均陡直。

上述实施例提供的等离子体处理装置中，第二喷嘴35的材质可以为氧化铝，当然也可以使用其他材质，可以根据具体的等离子体处理工艺进行相应选择。该第二喷嘴35可以用于钝化气体的等离子体，且该钝化气体可以为CxFy或O2。

上述实施例提供的等离子体处理装置中，第二喷嘴35可以为中空环形，即第二喷嘴35是环绕着静电卡盘32的一个连续结构的喷嘴，以达到较全面的喷射范围和较大的喷射量。当然，本发明实施例提供的第二喷嘴35的结构并不限于此，本领域技术人员所知的任何能向待处理晶片22上方边缘区喷射等离子体的结构均能用于本发明。

上述实施例提供的等离子体处理装置中，还可以包括设置于反应室21外的等离子体发生单元37(如图5所示)，等离子体发生单元37与喷射单元23连通，用于将被离化的工艺气体的等离子体输送至喷射单元23。

具体地，当喷射单元23包括图3至图5所示的第一喷嘴33时，等离子体发生单元通过等离子体入口41向第一喷嘴33内输送等离子体。当喷射单元23包括图5所示的第二喷嘴35时，等离子体发生单元37通过第二喷嘴35位于反应室底部的开口36向第二喷嘴35内输送等离子体。

其中，上述的等离子体发生单元37可以为自动等离子源(Remoteplasma source，简称为：RPS)，当然，也可以是本领域技术人员所知的其它能产生等离子体的装置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种等离子体处理装置，包括反应室及设置于所述反应室内的待处理晶片，其特征在于，所述装置还包括设置在所述反应室内的喷射单元，用于根据工艺气体被离化后的等离子体在所述待处理晶片上的分布特点，向所述待处理晶片上方、待补充等离子体的区域喷射等离子体，其中所述工艺气体包括刻蚀气体和钝化气体；

所述装置包括设置在所述反应室顶壁中心处的注入口，设置在所述反应室内底部中心处的静电卡盘，以及设置在所述静电卡盘四周的聚焦环，所述待处理晶片设置在所述静电卡盘上；

所述喷射单元包括：

环绕所述注入口的第一喷嘴，所述第一喷嘴所在圆的圆心正对所述待处理晶片的圆心，根据刻蚀气体被离化后的等离子体在所述待处理晶片上边缘密度比中心密度高，所述第一喷嘴用于喷射刻蚀气体的等离子体；

设置在所述聚焦环内部的第二喷嘴，所述第二喷嘴朝向所述静电卡盘，根据钝化气体被离化后的等离子体在所述待处理晶片上边缘密度比中心密度低，所述第二喷嘴用于喷射钝化气体的等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一喷嘴的材质为石英。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述刻蚀气体为六氟化硫。

4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一喷嘴为中空环形。

5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二喷嘴的材质为氧化铝。

6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述钝化气体为碳氟化合物气体或氧气。

7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二喷嘴为中空环形。

8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置，包括设置于所述反应室外的等离子体发生单元，所述等离子体发生单元与所述喷射单元连通，用于将工艺气体被离化后的等离子体输送至所述喷射单元。

9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体发生单元为自动等离子源。