CN105448775A - 双面气相刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体加工领域，更具体地说，涉及一种半导体硅片的双面气相刻蚀工艺。本发明提出了一种硅片的双面气相刻蚀装置，包括刻蚀腔，该刻蚀腔分别与输气系统和排气系统相连，刻蚀腔内刻蚀气体的进出及流通由输气系统后排气系统控制，在该装置的刻蚀腔内设置有至少3个导向轮，刻蚀过程中，导向轮位于与硅片重合的平面且沿着硅片的径向向内卡位，以将硅片卡持固定，导向轮分布于硅片的边缘位置处；导向轮中至少有一个与驱动装置相连并在该驱动装置的作用下发生滚动以带动所述硅片，硅片由导向轮传动而旋转；输气系统与喷嘴连接，喷嘴在硅片的侧方喷气，喷嘴喷出的气体流经硅片的正反两面。本发明还提出了一种双面气相刻蚀的方法。

Description

双面气相刻蚀装置

技术领域

本发明涉及半导体加工和制造领域，更具体地说，涉及到一种半导体加工工艺中所使用的气相刻蚀装置。

背景技术

半导体领域所称的晶圆或基片一般是以单晶硅作为基材，其中可加入硼、磷、砷或锑等添加物的圆形半导体工件，而在基材的工作面上通常会以化学气相沉积法(CVD)形成约为5μm～100μm的磊晶层。在半导体工件的制造过程中，晶圆表面图形的形成主要依靠光刻和刻蚀两大工艺板块。光刻的目的是在晶圆表面形成所需的光刻胶图形，刻蚀则紧接其后精确地将光刻胶的图形转移到衬底或衬底上的薄膜层上。

传统的刻蚀工艺可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种刻蚀方法，其中干法刻蚀就是利用气体放电产生等离子体来进行薄膜移出的刻蚀工艺，固也可以认为是一种气相刻蚀工艺。该工艺在半导体领域已经得到了较为广泛的应用，为从事该项技术实施的厂家带来了可观的利润。

比较常见的，见本发明的附图1，现有技术进行气相刻蚀时，通常将晶圆104水平放置在一夹持具105上，由进气孔102进入的刻蚀气体通过喷嘴103喷向晶圆104正面，对晶圆104的表面进行刻蚀。可以看到，由于晶圆104由夹持具105支撑固定，所以晶圆104紧贴夹持具105的一面并不能得到刻蚀。随着技术的进步，业内人士对气相刻蚀工艺提出了更高的要求，已经不满足于效率低下的单面刻蚀工艺转而期待效率更高的双面刻蚀工艺。而且，即使某一技术实现了双面刻蚀的目的，也并不一定就能马上得到厂商的青睐。新的技术还必须保证刻蚀的均匀性，不能使产品的质量较于传统的单面刻蚀有所下滑。因此，只有效率和质量均得到了可靠保证的双面刻蚀技术，才能够真正赢得业界和资本的追捧，成为未来半导体科技的主流。

遗憾的是，由于要求之高，即便已经跻身世界前列的公司和厂家，也难以给出进行均匀的、双面的刻蚀工艺的完美解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请提出了一种新的双面气相刻蚀装置，不仅可以实现对硅片的双面刻蚀工艺，还能够保证硅片在刻蚀过程中能够被均匀刻蚀，具有突出的实质性特点和显著的进步。同时，本申请也给出了相应的双面刻蚀方法。

本发明的技术方案可归纳为如下技术内容：

一种硅片的双面气相刻蚀装置，包括刻蚀腔，所述刻蚀腔分别与输气系统和排气系统相连，刻蚀腔内刻蚀气体的进出及流通由所述输气系统和所述排气系统控制，所述刻蚀腔内设置有至少3个导向轮，在刻蚀过程中，所述导向轮位于与所述硅片重合的平面内且沿着硅片的径向向内卡位，以将所述硅片卡持固定，所述导向轮分布于所述硅片的边缘位置处；所述导向轮中至少有一个与驱动装置相连并在所述驱动装置的作用下发生滚动以带动所述硅片旋转；所述输气系统与喷嘴连接，所述喷嘴在所述硅片的侧方喷气，所述喷嘴喷出的气体流经所述硅片的正反两面。

进一步地，所述导向轮的数目至少为三个，所述导向轮为位置可调的活动导向轮。

优选地，所述导向轮的径向开有供硅片卡入的卡槽。

进一步地，所述导向轮绕一过该导向轮轴心的传动轴滚动，所述导向轮通过所述传动轴与所述驱动装置连接，所述导向轮通过所述传动轴与处于同一轴向上的其他导向轮连接。

优选地，所述硅片在刻蚀腔内被竖直固持，所述硅片垂直于水平面。

优选地，所述喷嘴为扩散喷嘴，所述扩散喷嘴在各个位置处均匀地喷出气体。

优选地，所述喷嘴正对所述硅片的边缘喷气。

优选地，所述硅片与所述喷嘴的出射面的垂直平分面重合。

进一步地，所述输气系统包括气体流量控制器和进气管，所述气体流量控制器调节进入所述刻蚀腔内的所述刻蚀气体的流量及流速。

进一步地，所述排气系统包括排放通道、自动压力控制装置以及真空泵，所述自动压力控制装置检测并调节所述刻蚀腔内的气压。

一种双面气相刻蚀方法，包括步骤：

将待刻蚀硅片送入刻蚀腔；

位于与硅片重合的平面内的至少3个导向轮沿所述硅片的径向向内卡位，以将所述硅片卡持固定；

驱动所述导向轮滚动并使硅片在所述导向轮的带动下旋转；

通入刻蚀气体，所述刻蚀气体流经所述硅片的正反两面，并调节所述刻蚀腔内气压，在特定气压对所述硅片进行刻蚀；

刻蚀工艺完成，对所述刻蚀腔进行吹扫并恢复至常压；

将所述硅片送出刻蚀腔。

本发明所提供的装置和方法，弥补了现有技术的不足，能够对硅片进行双面刻蚀并保证刻蚀的均匀性，符合未来技术发展的趋势。

附图说明

图1是现有技术中一种对硅片进行刻蚀的气相刻蚀装置；

图2是本发明所述气相刻蚀装置第一实施例的正视图；

图3是本发明所述气相刻蚀装置第一实施例的侧视图；

图4是本发明所述气相刻蚀装置第二实施例的侧视图；

图5是本发明所述气相刻蚀装置第三实施例的正视图；

图6是本发明所述气相刻蚀装置第四实施例的正视图；

图7是本发明所述气相刻蚀装置中所使用的导向轮的示意图；

图8是本发明所述气相刻蚀方法具体实施方式的步骤框图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清晰、明确地理解本发明的设计思路及发明意图，申请人特准备了如下多个翔实的具体实施例加以阐述和说明，敬请结合附图知会：

图2-3是涉及本发明所述气相刻蚀装置的第一具体实施例。图2、3分别是第一实施例的正视图和侧视图。该实施例中的气相刻蚀装置具有一个刻蚀腔201，刻蚀腔201分别与输气系统和排气系统相连通，刻蚀腔201内的刻蚀气体的进出及流通由输气系统和排气系统控制。

结合附图2、3可知，该刻蚀腔201内设置有多个导向轮204，具体地说，是4个导向轮204。4个导向轮可以安装于刻蚀腔201的内壁，但最好设计为能够在一定范围内进行水平和竖直移动的、位置可调的活动导向轮为宜，这主要是考虑到4个导向轮204需要卡持硅片202，如果导向轮204的位置完全固定，那么其在卡入硅片202的过程中可能会比较困难，容易损伤硅片202；另一方面，如果导向轮204的位置可以调节或变动，那么硅片202在刻蚀腔201内的位置也将很好控制，且这样设计不会对本发明技术方案的实现造成不利影响。

4个导向轮204在卡持硅片202时，有必要使导向轮204均处于与硅片202重合的平面之内，当然也可以将4个导向轮204一开始就全部设计在与硅片202相重合的平面内，然后它们分别沿着硅片202的径向方向，朝着硅片202的中心向内卡位，4个导向轮204相互之间对硅片202产生夹持力，从而固定了硅片202在刻蚀腔201内的位置。当导向轮204卡持住硅片202后，4个导向轮204均分布于硅片202的边缘位置处。而导向轮204在本发明中的作用，一方面在于固定和卡持硅片202，另一方面还在于在刻蚀过程中带动硅片202旋转。

为了使导向轮204能够带动硅片202旋转，有必要将4个导向轮204中的至少一个与驱动装置相连，在该实施例中，驱动装置具体为一部马达205，该马达205设置于刻蚀腔201的外部。而马达205可以通过一根传动轴206与其中一个导向轮204相连。该传动轴206过该导向轮204的轴心，当马达205发动后，由传动轴206传动，导向轮204将绕传动轴206发生滚动。该导向轮206的滚动自然地将带动硅片202发生旋转，同时也将滚动的运动方式传递至其他三个导向轮204上。

之所以需要使硅片202旋转，是由于这将对刻蚀的均匀性带来好处。其原理在于，刻蚀过程中，硅片202总有一侧边缘将靠近喷嘴，而相对应的另一侧边缘将远离喷嘴。如此，靠近喷嘴一侧的硅片202总是能够优先被刻蚀，其接触到的是最为新鲜的刻蚀气体；而远离喷嘴一侧的硅片202被刻蚀的时机较晚，且刻蚀气体已不新鲜，从而会导致不均匀刻蚀情况的出现。而旋转硅片202的设计恰好能够弥补这一缺陷，使硅片202各处被刻蚀的较为一致；且利用导向轮204带动硅片202进行旋转，能够使硅片202在旋转时趋于平稳，不容易损伤硅片202。

本实施例中的输气系统设置于刻蚀腔201的上方，输气系统通过一进气管207向刻蚀腔201内通入刻蚀气体，且进气管207的末端安装了一款喷嘴进行喷气。该喷嘴更具体地说，是一款扩散喷嘴203，其具有一个很宽的出射面，能够保证整个硅片202均能够被其所喷出的气体所吹拂，且各处出气都很均匀，以保证对硅片202刻蚀的均匀性。与现有技术不同地，本发明中的扩散喷嘴203喷气的位置处在硅片202的侧方，其喷射出的气体基本是正对着硅片202的边缘的，也即是沿着硅片202的径向进行吹气。刻蚀气体被喷出后相当于被硅片202“切割”为两部分，分别在硅片202的两侧运动，对硅片202的正、反两面均进行了刻蚀。这有点类似于飞机在飞行时机翼“切割”气流的情况。而传统的刻蚀方法通常是直接用喷嘴对着硅片的正面进行吹气的，气体无法抵达硅片的背面，这也是为什么现有技术无法进行双面刻蚀的原因。

由于扩散喷嘴203具有一个很宽的出射面，所以硅片202的位置并不一定需要在该出射面的正中位置，在图2中也可以假想使硅片202向左或向右偏移一点，也并不会对刻蚀结果造成太大的影响。但是当然地，如果硅片202能够恰好在扩散喷嘴203出射面的正中位置，也即硅片202如果能和扩散喷嘴203的出射面的垂直平分面相重合，毫无疑问能够更好地保证刻蚀气体在硅片202两面的均匀性。

由于刻蚀工艺需要在一定气压条件下进行，所以有必要对刻蚀腔201内的气压进行控制，为了实现这种控制，该实施例中的气相刻蚀装置在输气系统和排气系统上作出了相应的设计。具体来讲，输气系统除了必要的管路和进气管207外，还包括一个气体流量计208，该气体流量计208设置在进气管207的前端，起着调节刻蚀气体流量和流速的作用。与此同时，设置于该气相刻蚀装置的末端的排气系统也包含有自动压力控制装置209和真空泵210，刻蚀腔201内的气体由进气管207进入后，拂过硅片202的正反两面，并最终由排气系统排出刻蚀腔201，形成了流通的刻蚀气流。刻蚀腔201内的气压有必要进行监控，因此排气系统中设置有自动压力控制装置209，并在必要时由真空泵210对刻蚀腔201进行抽气。

图4是本发明第二实施例中的气相刻蚀装置的侧视图。其与第一实施例中的刻蚀装置基本相同，所不同的是，本实施例中其刻蚀腔301内使用到的导向轮304的数目仅有3个。本发明对导向轮的数目还是有一定要求的，至少应该设置3个导向轮以卡持硅片，而如果只有一个或两个导向轮304，则很难将硅片302固定。另外，图4中所示的导向轮304一开始即被设计在与硅片302相重合的平面之内，导向轮304只能在该平面内做小范围的移动。而且，图4中的3个导向轮304各自分别由一根传动轴连接至相应的马达，也就是说，每个导向轮304均配有一部马达，当然这样的设计并不是必须的，但确实能够提高硅片302在刻蚀过程中的转速。

第一实施例和第二实施例中的气相刻蚀装置所具有的相同点之一是，二者都是将硅片竖直固持的，也就是说，硅片在刻蚀腔内是与水平面相垂直的，这样做主要是为了使装置的机械设计更加简洁、大方。

图5给出了本发明第三实施例的正视图。第三实施例所包含的部件与前两个实施例的差别并不大，同样具有一个刻蚀腔401，刻蚀腔401与输气系统和排气系统相连，输气系统配有进气管407和气体流量计408，而排气系统配有自动压力控制装置409和真空泵410。刻蚀腔401内设置有若干个导向轮404，用于卡持硅片402并在刻蚀过程中带动硅片402旋转。其中一个导向轮404由传动轴406连接至一部马达405上并由该马达405驱动。本实施例中，将马达405直接设置在了气相刻蚀装置的内部，并固定于刻蚀装置的内壁。

与前两个实施例有所不同的是，在本实施例中，导向轮404并没有将硅片402固持于竖直的平面内，而是将硅片402倾斜固持，但这并没有影响本发明技术方案的实现。只是相应地，该实施例中的扩散喷嘴407的方向和位置也需要有所变动，仍然位于硅片402的侧方，沿着硅片402的径向正对着硅片402的边缘吹出刻蚀气体。该实施例同样达到了双面且均匀的对硅片402进行刻蚀的目的。

图6是本发明的第四实施例的正视图。前面第一至三个实施例，都反映的是对单片硅片进行处理的情形，实际上，本发明对多片硅片进行处理时，同样是能够满足要求的，该实施例即是对处理多片硅片时的一种展示。

本实施例中的气相刻蚀装置在结构上与前几个实施例相比，并无太多变化，只是使用了更多的导向轮504分别对多片硅片502进行了卡持。为了使一部马达505能够同时带动多个硅片502一起旋转，导向轮504在刻蚀过程中的位置有必要相对应，处于硅片502同一位置处的若干个导向轮504有必要并排的、平行的排布，这样就可以通过一根传动杆506将处于同一轴向上的多个导向轮504连接到一起，并将它们共同连接到一部马达505上进行驱动。当然地，如果不要求同步，也可以使用多个马达505、多根传动杆506对不同的导向轮504进行驱动，进而带动硅片502以各自的速率和方式旋转，但这样的设计应该来说不够集约和科学。

另外地，由于扩散喷嘴503的出射面足够大，且扩散喷嘴503仍然位于每片硅片502的侧方，对着各硅片502的边缘进行吹气，所以仍然实现了对硅片的双面刻蚀，且均匀性也有所保障。

另外地，本申请的附图7对本发明中所使用的导向轮进行了集中的展示。图7给出了本发明所使用的导向轮的示意图。可以看到，本发明所使用的导向轮601沿着径向开有一条环形槽602，该环形槽602的宽度宜略宽于硅片的厚度，以便硅片卡入并保持固定。如果没有这条环形槽602，仅靠多个导向轮601彼此之间沿着径向向内的夹持力固持硅片，会非常容易滑落，难以起到固定作用。同时，可以看到导向轮601在两侧的中心位置留有连接孔603，该连接孔603主要是为了与传动杆相连而设计的。另外，如果需要将多个导向轮601由同一根传动杆相连，则可以将该连接孔打通，以供连接杆穿过。

下面介绍本发明涉及到的气相刻蚀方法的具体实施方式，图8是本发明方法的步骤框图：

一种双面气相刻蚀方法，包括步骤：

将待刻蚀硅片送入刻蚀腔；

将所述硅片通过导向轮卡持固定；

驱动导向轮滚动并使硅片在导向轮的带动下旋转；

通入刻蚀气体，并调节刻蚀腔内气压，在特定气压对硅片进行刻蚀；

刻蚀工艺完成，对刻蚀腔进行吹扫并恢复至常压；

将刻蚀完成的硅片送出刻蚀腔。

本发明所给出的技术方案，能够完美地解决现有技术所遇到的技术瓶颈，具有突出的实质性特点和显著的进步效果，他人在此基础上的模仿或变式势必落入本发明的保护范围，并受到《专利法》及《专利法实施细则》的追责。

Claims (11)

1.一种硅片的双面气相刻蚀装置，包括刻蚀腔，所述刻蚀腔分别与输气系统和排气系统相连，刻蚀腔内刻蚀气体的进出及流通由所述输气系统和所述排气系统控制，其特征在于，所述刻蚀腔内设置有至少3个导向轮，在刻蚀过程中，所述导向轮位于与硅片重合的平面内且沿着所述硅片的径向向内卡位，以将所述硅片卡持固定，所述导向轮分布于所述硅片的边缘位置处；所述导向轮中至少有一个与驱动装置相连并在所述驱动装置的作用下发生滚动以带动所述硅片旋转；所述输气系统与喷嘴连接，所述喷嘴在所述硅片的侧方喷气，所述喷嘴喷出的气体流经所述硅片的正反两面。

2.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述导向轮为位置可调的活动导向轮。

3.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述导向轮的径向开有供硅片卡入的卡槽。

4.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述导向轮绕一过该导向轮轴心的传动轴滚动，所述导向轮通过所述传动轴与所述驱动装置连接，所述导向轮通过所述传动轴与处于同一轴向上的其他导向轮连接。

5.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述硅片在刻蚀腔内被竖直固持，所述硅片垂直于水平面。

6.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述喷嘴为扩散喷嘴，所述扩散喷嘴在各个位置处均匀地喷出气体。

7.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述喷嘴正对所述硅片的边缘喷气。

8.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述硅片与所述喷嘴的出射面的垂直平分面重合。

9.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述输气系统包括气体流量控制器和进气管，所述气体流量控制器调节进入所述刻蚀腔内的所述刻蚀气体的流量及流速。

10.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述排气系统包括排放通道、自动压力控制装置以及真空泵，所述自动压力控制装置检测并调节所述刻蚀腔内的气压。

11.一种双面气相刻蚀方法，其特征在于，包括步骤：

将待刻蚀硅片送入刻蚀腔；

位于与硅片重合的平面内的至少3个导向轮沿所述硅片的径向向内卡位，以将所述硅片卡持固定；

驱动所述导向轮滚动并使硅片在所述导向轮的带动下旋转；

通入刻蚀气体，所述刻蚀气体流经所述硅片的正反两面，并调节所述刻蚀腔内气压，在特定气压对所述硅片进行刻蚀；

刻蚀工艺完成，对所述刻蚀腔进行吹扫并恢复至常压；

将所述硅片送出刻蚀腔。