CN104752266A - 一种硅通孔刻蚀装置 - Google Patents

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Abstract

一种硅通孔刻蚀装置，包括：反应腔，基座，射频功率发生装置和反应气体供气系统；所述基座设置在反应腔内，反应气体供气系统供应刻蚀气体和沉积气体到反应腔内，射频功率发生装置施加射频功率到反应腔内；待处理基片设置在所述基座上，其特征在于所述反应气体供气系统包括刻蚀气体供应管道和沉积气体供应管道，所述刻蚀气体供应管道通过一个刻蚀气体阀门连接到第一反应气体输入端；所述沉积气体供应管道通过一个沉积气体阀门连接到第二反应气体输入端；所述刻蚀气体供应管道联通到一个刻蚀气体喷口向反应腔喷入刻蚀气体，所述沉积气体供应管道联通到一个沉积气体喷口，向反应腔喷入沉积气体。

Description

一种硅通孔刻蚀装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种深硅（TSV）通孔刻蚀装置。
背景技术
近年来，计算机、通讯、汽车电子、航空航天工业和其他消费类产品对微电子封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、高可靠、多功能、低功耗和低成本，需要在硅晶圆上制备出许多垂直互连通孔来实现不同芯片之间的电互连，硅通孔刻蚀工艺逐渐成为微纳加工领域的一个重要技术。而随着微电子机械器件和微电子机械系统（Micro Electromechanical System，MEMS）被越来越广泛的应用于汽车和电费电子等领域，以及TSV（Through Silicon Via）通孔刻蚀（Through Silicon Etch）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制造领域和TSV技术中最炙手可热的工艺之一。
硅通孔刻蚀工艺是一种采用等离子体干法刻蚀的深硅刻蚀工艺，相对于一般的硅刻蚀工艺，其主要区别在于：刻蚀深度远大于一般的硅刻蚀工艺。一般的硅刻蚀工艺的刻蚀深度通常小于1μm，而深硅刻蚀工艺的刻蚀深度则为几十微米甚至上百微米，具有很大的深宽比。因此，为获得良好的深孔形貌，需要刻蚀去除深度为几十甚至上百微米的硅材料，就要求深硅刻蚀工艺具有更快的刻蚀速率，更高的选择比和更大的深宽比。为了获得更快的刻蚀速率业界广泛采用由博世公司（Bosch）发明交替进行刻蚀-沉积步骤的刻蚀方法，要实现博世刻蚀法需要高速交替通入刻蚀气体和沉积气体。刻蚀和沉积步骤转换越快，刻蚀形成的通孔侧壁的贝壳纹（scallop）粗糙度越小，所以要获得更好侧壁形貌的通孔需要更快的气体切换速度。现有气体切换器件中气体阀门能够获得相应的切换速度，比如小于1秒，甚至能获得低于0.5秒的切换速度。现有技术中气体切换管路通常都是通过同一个进气口通入反应腔的，如现有技术美国专利US6924235揭露了快速切换两种气体，并且在不向反应腔供气时将反应气体排出到抽真空泵，以维持气体供应的稳定。在这种需要快速切换供应气体的场合共用一跟供气管道会带来严重的问题：前一个处理步骤遗留在管道末端的气体会在切换进入下一个处理步骤时进入反应腔，从而影响下一个处理步骤的处理效果。比如前一个处理步骤是刻蚀步骤，管道内残余的刻蚀气体混入沉积气体会影响刻蚀通孔侧壁聚合物的沉积，进而影响通孔侧壁形貌。相反的沉积气体被混入刻蚀步骤也会降低刻蚀步骤中的刻蚀速率。
所以业界需要一种新的刻蚀方法，能够防止一个处理步骤完成后残留在气体管道中的反应气体会影响下一个处理步骤的处理效果。
发明内容
本发明解决的问题是防止利用博世法交替通入刻蚀和沉积气体对硅进行刻蚀时，前一步骤在完成时残余在管道末端的气体会在下一个步骤中被推送入反应腔造成处理效果受影响。
本发明提供一种硅通孔刻蚀装置，包括：反应腔，基座，射频功率发生装置和反应气体供气系统；所述基座设置在反应腔内，反应气体供气系统供应刻蚀气体和沉积气体到反应腔内，射频功率发生装置施加射频功率到反应腔内；待处理基片设置在所述基座上，其特征在于所述反应气体供气系统包括刻蚀气体供应管道和沉积气体供应管道，所述刻蚀气体供应管道通过一个刻蚀气体阀门连接到第一反应气体输入端；所述沉积气体供应管道通过一个沉积气体阀门连接到第二反应气体输入端；所述刻蚀气体供应管道联通到一个刻蚀气体喷口向反应腔喷入刻蚀气体，所述沉积气体供应管道联通到一个沉积气体喷口，向反应腔喷入沉积气体。所述刻蚀气体或者沉积气体喷口位于反应腔顶部或者位于反应腔侧壁顶部，用于向待处理基片喷出刻蚀气体。
第一反应气体输入端连接到第一反应气体，所述第一反应气体包括SF6；所述第二反应气体输入端连接到第二反应气体，所述第二反应气体包括C4F8。
其中第一反应气体输入端通过多个阀门或者气体流量控制器连接到多个刻蚀气体源。所述第一反应气体输入端也可以通过一个多通道阀门连接到一个或多个反应气源，所述第二反应气体输入端通过所述多通道阀门连接到同样的一个或多个反应气源。
本发明刻蚀气体阀门开通时，所述沉积气体阀门关闭。
本发明还提供一种硅通孔刻蚀装置，包括：反应腔，基座，射频功率发生装置和反应气体供气系统；所述基座设置在反应腔内，反应气体供气系统供应刻蚀气体和沉积气体到反应腔内，射频功率发生装置施加射频功率到反应腔内；待处理基片设置在所述基座上，其特征在于所述反应气体供气系统包括刻蚀气体供应管道和沉积气体供应管道，所述刻蚀气体供应管道通过一个刻蚀气体阀门连接到一个共用反应气体输入端（10）；所述沉积气体供应管道通过一个沉积气体阀门连接到所述共用反应气体输入端；所述刻蚀气体供应管道联通到一个刻蚀气体喷口向反应腔喷入刻蚀气体，所述沉积气体供应管道联通到一个沉积气体喷口，向反应腔喷入沉积气体，多个反应气体源通过阀门选择性的供应反应气体到所述共用反应气体输入端。
附图说明
图1是本发明硅通孔刻蚀装置第一实施例的结构示意图；
图2是本发明硅通孔刻蚀装置第二实施例的结构示意图；
图3是本发明硅通孔刻蚀装置第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
请参考图1理解本发明硅通孔刻蚀装置结构，本发明硅通孔刻蚀装置包括等离子反应腔100，反应腔内包括基座120，基座内包括下电极。基座顶部固定有静电夹盘121，静电夹盘上设置有待处理基片，一个调节环105围绕在静电夹盘121或者基片122外围，通过对调节环材料和形状、尺寸的设计可以改善基片边缘区域的电场分布，实现对刻蚀均匀性的改善。反应腔100顶部包括绝缘材料制成的绝缘窗实现对反应顶部的密封。绝缘窗上方包括至少一组电感线圈，通过导线连接到一个高频射频电源42用于形成并维持高浓度的等离子体，高频射频电源输出13Mhz的射频电源。一个偏置射频电源40通过导线连接到一个匹配电路50，匹配电路50内具有可变阻抗，经过匹配电路调节后的射频能量被输出到基座内的下电极，通过调节偏置射频电源调节入射到基片表面的等离子体的能量大小。反应腔下方还包括一个排气口连接到抽真空泵，抽出反应腔内的反应气体，排气口上还设置有气压控制摆阀130。反应腔顶部还包括一个反应气体喷口，该喷口通过第一喷气管道20和阀门V22连接到至第一反应气体输入端12，多个种类的气源E1、E2、E3分别通过阀门V13、V14、V15和各自的气体管道连接到第一反应气体输入端12。反应腔侧壁顶部还包括一个第二反应气体喷口，该喷口通过第二喷气管道21通过一个切换阀门V21连接到第二反应气体输出端11。多个种类的气源D1、D2分别通过阀门V11、V12和各自的气体管道连接到第二反应气体输入端11。
本发明第一实施例在工作时通过控制阀门V11、V12来输出多种气体，在第二反应气体输入端11实现混合。这些混合形成的第二反应气体可以是沉积气体，在进入沉积步骤时开通切换阀门V21，使沉积气体通过第二喷气管道21从反应腔侧壁顶部分布的多个气体喷口流入反应腔。在沉积步骤结束时阀门V21关闭，由于阀门已经被关闭，上游第二反应气体输入端11处高压气体与反应腔内低气压互相隔离，所以第二喷气管道21内的残余沉积气体只有少量会缓慢扩散进反应腔100，在进入下一个沉积步骤前主要残余气体仍然留存在第二喷气管道21内。在V21关闭的同时，阀门V22开通，刻蚀气体从第一反应气体输入端12快速流入反应腔。完成刻蚀步骤后阀门V22被关闭，没有来自第一反应气体输入端12高压气体推动，残留在喷气管道20内的刻蚀气体也只有少量会自由扩散到反应腔，主要刻蚀气体仍然在喷气管道20内，直到下一次刻蚀步骤开始时阀门V22再次开通，来自气源的高压气体推动残余气体进入反应腔。
图2所示是本发明第二实施例，与图1所示的第一实施例基本相同，不同的是多种刻蚀气体和沉积气体V11-V14连接到共有的反应气体输入端10，第一喷气管道20通过切换阀门V22连接到反应气体输入端10，第二喷气管道21通过切换阀门V21连接到反应气体输入端10。在进行沉积步骤时V21开通，V11和V12也开通，V13、V14关闭这样只有与沉积步骤相关的反应气体D1、D2被通入喷气管道21。在沉积步骤到刻蚀步骤转换时，阀门V21关闭，同时V11和V12也关闭，阀门V21、V13、V14开通。在切换过程中沉积步骤和刻蚀步骤共用的反应气体输入端10内残余的部分气体会被通入反应腔，可以通过改善气体管道长度和接入端位置改善。比如缩短V21和V11、V12之间管道距离或者缩短V22和V13、V14间管道长度。阀门V21与反应气体输入端10的连接部靠近沉积气体供应的阀门V11、V12远离刻蚀气体阀门V13、V14。这样仍然能保证前一个处理步骤的残余气体在下一个步骤开始时流入的量远小于现有技术。
图3所示为本发明第三实施例，与第一、二实施例具有相同的反应腔结构，在供气网络部分具有不同的设置。反应气体D1、D2、E1、E2通过三通阀门V11x、V12x、V13x和V14x选择性的连接到第一反应气体输入端13或者第二反应气体输入端14。阀门V22和V21分别连接到第一反应气体输入端13和第二反应气体输入端14。V11x-V14x具有两个输出端，通过阀门的切换可以使一种反应气体选择性的联通到沉积气体管道或者刻蚀气体管道，沉积气体和刻蚀气体可以根据工艺流程的需要选择多种气体成分组合。
本发明中的阀门V11-V14也可以由流量控制器MFC代替，不仅可以实现气体开关而且能够控制各种气体的流量大小。为了获得稳定的气体流量也可以如现有技术那样在第一实施例的第二反应气体输入端11上连接一个旁路阀门，使得沉积步骤结束时V21关闭，相应的旁路阀门开通，沉积气体被通入排气管道，或者反应区域下方空间。同样的原理第一反应气体输入端12上也可以设置一个旁路开关使得刻蚀气体在沉积步骤时被直接排放到排气管道。
本发明除了可以用于图1所示的电感耦合等离子反应器（ICP）外也可以应用于电容耦合的等离子反应器（CCP），这些反应器类型的选择属于公知技术，在此不再赘述。
本发明的刻蚀气体和沉积气体喷口除了实施例1-3所述的可以分别设置在通过绝缘材料窗中间和反应腔侧壁顶部外也可以两个气体喷口设置在同一个位置，或者设置在反应腔其它位置，比如绝缘材料窗外围的一圈喷口，只要能够通过两个独立的供气喷口向反应腔供气的结构均属于本发明实施结构。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种硅通孔刻蚀装置，包括：
反应腔，基座，射频功率发生装置和反应气体供气系统；
所述基座设置在反应腔内，反应气体供气系统供应刻蚀气体和沉积气体到反应腔内，射频功率发生装置施加射频功率到反应腔内，待处理基片设置在所述基座上；
其特征在于：所述反应气体供气系统包括刻蚀气体供应管道和沉积气体供应管道，所述刻蚀气体供应管道第一端通过一个刻蚀气体阀门连接到第一反应气体输入端；所述沉积气体供应管道第一端通过一个沉积气体阀门连接到第二反应气体输入端；所述刻蚀气体供应管道第二端联通到一个刻蚀气体喷口向反应腔喷入刻蚀气体，所述沉积气体供应管道第二端联通到一个沉积气体喷口，向反应腔喷入沉积气体。
2.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀气体喷口位于反应腔顶部或者位于反应腔侧壁顶部，用于向待处理基片喷出刻蚀气体。
3.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述沉积气体喷口位于反应腔顶部或者位于反应腔侧壁顶部，用于向待处理基片喷出刻蚀气体。
4.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述第一反应气体输入端连接到第一反应气体，所述第一反应气体包括SF6。
5.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述第二反应气体输入端连接到第二反应气体，所述第二反应气体包括C4F8。
6.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述第一反应气体输入端通过多个阀门或者气体流量控制器连接到多个刻蚀气体源。
7.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述第一反应气体输入端通过一个多通道阀门连接到一个或多个反应气源，所述第二反应气体输入端通过所述多通道阀门连接到所述相同的一个或多个反应气源。
8.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀气体阀门开通时，所述沉积气体阀门关闭。
9.如权利要求1所述硅通孔刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀气体阀门或者沉积气体阀门开通时间小于1秒。
10.一种硅通孔刻蚀装置，包括：
反应腔，基座，射频功率发生装置和反应气体供气系统；
所述基座设置在反应腔内，反应气体供气系统供应刻蚀气体和沉积气体到反应腔内，射频功率发生装置施加射频功率到反应腔内，待处理基片设置在所述基座上；
其特征在于所述反应气体供气系统包括刻蚀气体供应管道和沉积气体供应管道，所述刻蚀气体供应管道通过一个刻蚀气体阀门连接到一个共用反应气体输入端（10）；所述沉积气体供应管道通过一个沉积气体阀门连接到所述共用反应气体输入端；所述刻蚀气体供应管道联通到一个刻蚀气体喷口向反应腔喷入刻蚀气体，所述沉积气体供应管道联通到一个沉积气体喷口，向反应腔喷入沉积气体，多个反应气体源通过阀门选择性的供应反应气体到所述共用反应气体输入端。
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