CN104867845B - 气相刻蚀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种气相刻蚀装置，包括：工艺腔、氢氟酸储存罐、汽化器、质量流量控制器、真空泵及自动压力控制器。工艺腔用于气相刻蚀反应。氢氟酸储存罐储存液态的氢氟酸。汽化器使液态的氢氟酸汽化转变成氟化氢气体与水蒸汽的混合气体。质量流量控制器控制输送至工艺腔的气体的流量。真空泵对工艺腔抽真空。自动压力控制器控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在一设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体及刻蚀反应的生成物均以气态的形式存在于工艺腔中。本发明将液态的氢氟酸作为反应物原料，能够降低工艺成本，且更安全，此外，供应至工艺腔内的气体及刻蚀反应的生成物均以气态的形式存在于工艺腔中，避免发生粘连。
Description
技术领域
本发明涉及微结构制造装置，尤其涉及一种气相刻蚀装置。
背景技术
微电子机械系统（MEMS）领域是当今科技界的热门研究领域之一。通常，加工一个MEMS器件需要经过在衬底上生长结构层、牺牲层、掩膜层等多步工序。MEMS器件由多种材料构成，且每种材料在MEMS中发挥不可替代的作用，其中，二氧化硅常用作牺牲层材料。为了形成悬空和活动结构，在MEMS器件制备的最后工艺中需要刻蚀、释放牺牲层。
目前，刻蚀二氧化硅牺牲层多采用氟化氢气体，氟化氢气体作为腐蚀性气体与二氧化硅反应生成气态的SiF4和液态水，为了防止液态水在MEMS牺牲层释放工艺中造成MEMS结构粘连，较为常见的做法是在氟化氢气体中混合乙醇气体，乙醇气体既作为催化剂又作为干燥剂，催化氟化氢与二氧化硅的反应并带走反应生成的液态水。然而，直接供给气态的氟化氢与二氧化硅反应，会造成工艺成本较高，而且安全性较差。此外，氟化氢与乙醇的混合气体刻蚀二氧化硅的反应速率仍较慢，导致MEMS器件制备工艺周期较长，降低了MEMS器件的产率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低工艺成本、更安全、更高效的气相刻蚀装置。
为实现上述目的，本发明提出的气相刻蚀装置，包括：工艺腔、氢氟酸储存罐、汽化器、质量流量控制器、真空泵及自动压力控制器。工艺腔用于气相刻蚀反应。氢氟酸储存罐储存液态的氢氟酸。汽化器具有输入端和输出端，汽化器的输入端与氢氟酸储存罐连接，汽化器使液态的氢氟酸汽化转变成氟化氢气体与水蒸汽的混合气体。质量流量控制器具有输入端和输出端，质量流量控制器的输入端与汽化器的输出端连接，质量流量控制器的输出端与工艺腔连接，质量流量控制器控制输送至工艺腔的气体的流量。真空泵对工艺腔抽真空。自动压力控制器控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在一设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体及气相刻蚀反应的生成物均以气态的形式存在于工艺腔中。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，氢氟酸储存罐与汽化器的输入端之间设置有第一电磁阀，汽化器的输出端与质量流量控制器的输入端之间设置有第二电磁阀，质量流量控制器的输出端与工艺腔之间设置有第三电磁阀。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，汽化器的输出端分成两支路，第一支路上设置有所述的第二电磁阀，第二支路上设置有脱水装置和第四电磁阀，脱水装置的输入端与汽化器的输出端连接，脱水装置的输出端与质量流量控制器的输入端连接，第四电磁阀位于脱水装置的输入端与汽化器的输出端之间，脱水装置从氟化氢气体与水蒸汽的混合气体中分离出氟化氢气体。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，在气相刻蚀的初始阶段打开第二电磁阀，通过第一支路向工艺腔供应氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，刻蚀反应进行一时间段后，关闭第二电磁阀，打开第四电磁阀，通过第二支路向工艺腔供应氟化氢气体。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，脱水装置为冷却器。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，冷却器与一冷凝液储存罐连接，冷却器与冷凝液储存罐之间设置有第五电磁阀。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，冷却器的数量为一个或一个以上。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，自动压力控制器控制工艺腔内的气压低于50torr。
根据本发明的气相刻蚀装置的一实施例，工艺腔与一氮气管路连接，所述氮气管路上设置有第六电磁阀。
与现有技术相比，本发明提出的气相刻蚀装置具有以下优点：
1.本发明将液态的氢氟酸作为反应物原料，并通过物理方法将其转变成氟化氢气体和水蒸气的混合气体，以供刻蚀反应，与直接采用氟化氢气体作为反应物原料相比，所需成本更低，且更安全。
2.本发明通过自动压力控制器控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在较低的设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体与反应生成物水均以气态的形式存在于工艺腔中，避免发生粘连。
3.本发明在气相刻蚀的初始阶段向工艺腔通入氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，水蒸汽作为催化剂，能够促使氟化氢与二氧化硅的快速反应，提高反应速率。
4.本发明的气相刻蚀反应是在气态下进行的，反应物是以分子态进行化学反应，因此，可以对更微细的结构进行刻蚀，例如NEMS或者纳米级的IC线路制作等。
附图说明
图1揭示了本发明的一实施例的气相刻蚀装置的结构示意图。
图2为水的相图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
参阅图1，图1揭示了本发明的一实施例的气相刻蚀装置的结构示意图。如图1所示，该气相刻蚀装置包括氢氟酸储存罐101、汽化器102、质量流量控制器103、工艺腔104、真空泵105及自动压力控制器106。
氢氟酸储存罐101储存高浓度的、液态的氢氟酸（例如浓度为50%的氢氟酸）。汽化器102的输入端通过管道与氢氟酸储存罐101连接，汽化器102的输出端连接至质量流量控制器103。质量流量控制器103的输入端与汽化器102的输出端连接，质量流量控制器103的输出端与工艺腔104连接。真空泵105与工艺腔104连接，在真空泵105与工艺腔104之间设置有自动压力控制器106。为了更好、更安全地控制气相刻蚀工艺，在氢氟酸储存罐101与汽化器102的输入端之间设置有第一电磁阀107，在汽化器102的输出端与质量流量控制器103的输入端之间设置有第二电磁阀108，在质量流量控制器103的输出端与工艺腔104之间设置有第三电磁阀109。
使用该气相刻蚀装置刻蚀晶片上的二氧化硅时，首先，打开第一电磁阀107，使氢氟酸储存罐101与汽化器102连通，将氮气通入氢氟酸储存罐101，氢氟酸储存罐101中的高浓度的液态的氢氟酸通过管道进入汽化器102，汽化器102汽化氢氟酸，使液态的氢氟酸转变成气态的氢氟酸（氟化氢气体与水蒸汽的混合气体）。然后，打开第二电磁阀108和第三电磁阀109，使气态的氢氟酸进入工艺腔104。质量流量控制器103根据工艺需求控制进入工艺腔104的气态的氢氟酸的流量。为了提高气态的氢氟酸在工艺腔104内分布的均匀性，优选的，在工艺腔104中设置喷淋头110，通过喷淋头110向工艺腔104输出气态的氢氟酸。喷淋头110的下方设置有承载台111，沉积有二氧化硅的晶片放置在承载台111上。
在打开第二电磁阀108和第三电磁阀109以向工艺腔104输入气态的氢氟酸之前，真空泵105对工艺腔104抽真空，自动压力控制器106控制工艺腔104内的气压，使工艺腔104内的气压保持在较低的设定值（一般低于50torr），在该设定值，供应至工艺腔104的气体即气态的氢氟酸以及气态的氢氟酸与二氧化硅反应的生成物水均以气态的形式存在于工艺腔104中，避免发生粘连，而且，气态的氢氟酸中含有的一定量的水蒸汽以及氟化氢气体与二氧化硅反应生成的水（以气态的形式存在于工艺腔104中）作为氟化氢气体与二氧化硅反应的催化剂，能够促进氟化氢气体（HF气体）与二氧化硅快速反应。工艺腔104内发生的化学反应如下：
4HF+SiO2==SiF4(气)+2H2O(气)
随着上述气相刻蚀反应的不断进行，工艺腔104内的水蒸汽的含量会逐渐增高，为了控制工艺腔104内水蒸汽的含量，在一个实施例中，汽化器102的输出端分成两支路，第一支路上设置有所述的第二电磁阀108，第二电磁阀108设置在汽化器102的输出端与质量流量控制器103的输入端之间，第二支路上设置有脱水装置，脱水装置有多种，在一个实施例中，选用冷却器112作为脱水装置。冷却器112的输入端与汽化器102的输出端相连接，冷却器112的输出端与质量流量控制器103的输入端相连接。第二支路上还设置有第四电磁阀113，第四电磁阀113位于冷却器112与汽化器102之间。冷却器112还与一冷凝液储存罐114连接，冷却器112与冷凝液储存罐114之间设置有第五电磁阀115。
当打开第一电磁阀107、第二电磁阀108和第三电磁阀109使工艺腔104内的化学反应进行一时间段后，关闭第二电磁阀108，打开第四电磁阀113，高浓度的液态的氢氟酸进入汽化器102后，高浓度的液态的氢氟酸经汽化后转变为氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，该混合气体进入冷却器112内，冷却器112对该混合气体进行冷凝处理，典型的冷凝条件为，压强101325Pa，温度30℃，如图2所示，由于水的沸点较高（在此压强下为100℃），氟化氢的沸点较低（在此压强下为19.5℃），故水冷凝析出变为液体，而氟化氢气体则被分离出来。考虑到氟化氢气体会部分溶解于水中，因此，冷凝液为低浓度的氢氟酸溶液。未溶解于水中的被分离出来的氟化氢气体供应至工艺腔104中的喷淋头110，通过喷淋头110向工艺腔104输出氟化氢气体。质量流量控制器103根据工艺需求控制输送至工艺腔104的氟化氢气体的流量。气相刻蚀工艺结束后，打开第五电磁阀115，冷却器112内的低浓度的氢氟酸冷凝液排放至冷凝液储存罐114。本领域的技术人员可以理解的是，冷却器112的数量并不仅限一个，为了降低气态的氢氟酸中水蒸气的含量，可以设置两个或两个以上的冷却器112，使气态的氢氟酸依次通过各冷却器112，以降低气态的氢氟酸中水蒸气的含量。
在向工艺腔104供应反应气体之前和气相刻蚀工艺结束之后，较佳的，需要对工艺腔104进行净化处理。在一个实施例中，工艺腔104与氮气管路连接，该氮气管路上设置有第六电磁阀116，当需要对工艺腔104进行净化处理时，打开第六电磁阀116，向工艺腔104充氮气，然后再通过真空泵105对工艺腔104抽真空，如此反复数次后，可以达到净化工艺腔104的目的。
沉积有二氧化硅的晶片在气相刻蚀工艺中可以根据工艺需要通过承载台111对其进行加热或者通过红外线的方式对其进行加热处理。
与现有技术相比，本发明提出的气相刻蚀装置具有以下优点：
1.本发明将高浓度的液态的氢氟酸作为反应物原料，并通过物理方法将其汽化、冷凝，分离出氟化氢气体以供刻蚀二氧化硅，与直接采用氟化氢气体作为反应物原料相比，所需成本更低，且更安全。
2.本发明通过自动压力控制器106控制工艺腔104内的气压，使工艺腔104内的气压保持在较低的设定值，在该设定值，供应至工艺腔104内的气体与反应生成物水均以气态的形式存在于工艺腔104中，避免发生粘连。
3.本发明在气相刻蚀的初始阶段向工艺腔104通入氟化氢气体和水蒸汽的混合气体（气态的氢氟酸），水蒸汽作为催化剂，能够促使氟化氢气体与二氧化硅的快速反应，提高反应速率。
4.本发明的气相刻蚀反应是在气态下进行的，反应物是以分子态进行化学反应，因此，可以对更微细的结构进行刻蚀，例如NEMS或者纳米级的IC线路制作等。
综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。
Claims (8)
1.一种气相刻蚀装置，其特征在于，包括：
工艺腔，所述工艺腔用于气相刻蚀反应；
氢氟酸储存罐，所述氢氟酸储存罐储存液态的氢氟酸；
汽化器，所述汽化器具有输入端和输出端，汽化器的输入端与氢氟酸储存罐连接，汽化器使液态的氢氟酸汽化转变成氟化氢气体与水蒸汽的混合气体；
质量流量控制器，所述质量流量控制器具有输入端和输出端，质量流量控制器的输入端与汽化器的输出端连接，汽化器的输出端与质量流量控制器的输入端之间设置有第二电磁阀，质量流量控制器的输出端与工艺腔连接，质量流量控制器控制输送至工艺腔的气体的流量；
真空泵，所述真空泵对工艺腔抽真空；及
自动压力控制器，所述自动压力控制器控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在一设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体及气相刻蚀反应的生成物均以气态的形式存在于工艺腔中；
其中所述汽化器的输出端分成两支路，第一支路上设置有所述的第二电磁阀，第二支路上设置有脱水装置和第四电磁阀，脱水装置的输入端与汽化器的输出端连接，脱水装置的输出端与质量流量控制器的输入端连接，第四电磁阀位于脱水装置的输入端与汽化器的输出端之间，脱水装置从氟化氢气体与水蒸汽的混合气体中分离出氟化氢气体。
2.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述氢氟酸储存罐与汽化器的输入端之间设置有第一电磁阀，质量流量控制器的输出端与工艺腔之间设置有第三电磁阀。
3.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，在气相刻蚀的初始阶段打开第二电磁阀，通过第一支路向工艺腔供应氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，刻蚀反应进行一时间段后，关闭第二电磁阀，打开第四电磁阀，通过第二支路向工艺腔供应氟化氢气体。
4.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述脱水装置为冷却器。
5.根据权利要求4所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述冷却器与一冷凝液储存罐连接，冷却器与冷凝液储存罐之间设置有第五电磁阀。
6.根据权利要求4所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述冷却器的数量为一个或一个以上。
7.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述自动压力控制器控制工艺腔内的气压低于50torr。
8.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述工艺腔与一氮气管路连接，所述氮气管路上设置有第六电磁阀。
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