CN105990082A - 半导体刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产和制造领域。一种半导体刻蚀装置，包括刻蚀腔，该刻蚀腔上设置有传输门，所述刻蚀腔具有侧壁以及顶壁和底壁，刻蚀腔相对的侧壁上分别开设有进气孔和出气孔供刻蚀气体进入和排出，刻蚀腔内设置有基板承载盘，基板承载盘上设置有固持架，固持架用于层叠地固持多片基板，层叠的多片基板之间留有间隙，所述刻蚀气体的流动方向平行于所述基板的表面，基板承载盘可转动，以在刻蚀过程中带动基板旋转该半导体刻蚀装置大大提高了刻蚀效率，且同时也保证了刻蚀的均匀性。

Description

半导体刻蚀装置

技术领域

本发明涉及半导体生产和制造领域，更具体地说，涉及一种气相刻蚀工艺中使用的半导体刻蚀装置。

背景技术

由于消费者人均可支配收入的提高，城市以及农村居民的恩格尔系数持续走低，大量富余的消费资金不断的流向电子产品，深刻的改变了当代人们的生活方式。同时，这也造就了半导体行业在近几十年来的大发展。

在半导体领域，更多、更快、更微小始终代表着本行业的最先进生产力，是本领域技术人员不懈努力的方向。而作为众多半导体加工工艺中重中之重的核心工艺之一，用于图形化处理基板的刻蚀工艺能够在很大程度上决定基板产品的品质。按照刻蚀方法进行区分，厂商主要采用的刻蚀方法可细分为干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺，而干法刻蚀工艺由于其自身的优势及特点受到了广大加工厂商的推崇。

近年来NAND存储技术在存储器件占有的市场份额越来越多，同时MEMS加工的器件在日常生活中越来越常见。在NAND芯片制造和MEMS加工中，处理其中的氧化硅材料需要用到HF工艺，传统的湿法HF工艺容易导致结构的粘连而遇到越来越多的挑战。因此必须要用气相HF工艺对氧化硅等材料进行去除/释放。传统的干法刻蚀工艺，需要设置一专门的刻蚀腔，将基板静置于其中并通入刻蚀气体，通过刻蚀气体与基板表面发生的反应来达到刻蚀目的，现有的大部分刻蚀装置通常每次仅能处理单片基板，以保证刻蚀的均匀性，这与半导体领域更快更高效的理念格格不入；然而，也有一些厂商尝试同时对多片基板进行干法刻蚀以提高效率，但却引入了新的问题，即对多片基板同时刻蚀时，由于气流、温度等腔室内微环境的差异，难以保证每片基板的刻蚀均匀性，使基板产品的质量严重下滑，因此这方面的尝试也多以失败而告终。

上述技术问题成为笼罩在本领域从业人员头顶的一片乌云，广大半导体科研工作者不禁要问，难道刻蚀工艺的效率和均匀性，真如“鱼和熊掌，不可得兼”吗？

发明内容

本发明针对上述技术问题，给出了可行的解决方案，该方案主要涉及一种半导体刻蚀装置。其中的半导体刻蚀装置能够设置多组固持架，每组固持架上又层叠有多片基板，相比以往的刻蚀装置大大提高了刻蚀工艺的效能；而为了保证刻蚀的均匀性，该半导体刻蚀装置的基板承载盘采用了旋转式设计，并对基板与基板之间、基板与刻蚀腔之间的距离加以限定，从而确保了基板整个刻蚀过程中获得均匀地刻蚀处理。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种半导体刻蚀装置，包括刻蚀腔，该刻蚀腔上设置有传输门，所述刻蚀腔具有侧壁以及顶壁和底壁，所述刻蚀腔相对的侧壁上分别开设有进气孔和出气孔供刻蚀气体进入和排出，所述刻蚀腔内设置有基板承载盘，所述基板承载盘上设置有固持架，所述固持架用于层叠地固持多片基板，所述层叠的多片基板之间留有间隙，所述刻蚀气体的流动方向平行于所述基板的表面所述基板承载盘可转动，以在刻蚀过程中带动所述基板旋转。

进一步地，所述固持架的数量为一个或多个，位于同一固持架上的多片基板彼此平行，位于不同固持架且所处高度位置相同的多片基板共面。

进一步地，所述刻蚀腔的顶壁与所述基板的正面相对，所述刻蚀腔的底壁与所述基板的反面相对，所述基板与所述顶壁和底壁之间均留有间隙。

进一步地，所述顶壁和/或所述底壁上设置有热源以加热所述刻蚀腔并维持所述刻蚀腔内的温度恒定。

进一步地，所述最接近刻蚀腔顶壁的基板与所述刻蚀腔顶壁的内表面留有4～15mm的间隙。

进一步地，所述最接近刻蚀腔底壁的基板与所述刻蚀腔底壁的内表面留有4～15mm的间隙。

进一步地位于同一固持架上的多片基板中，相邻两片基板之间留有4～10mm的间隙。

进一步地，所述固持架带动所述基板绕所述固持架自身的中心轴转动，所述固持架的中心轴的位置不同于所述基板承载盘的旋转中心的位置。

进一步地，所述固持架与所述基板承载盘之间设置有传动装置，所述固持架绕自身中心轴转动的速度由所述基板承载盘通过该传动装置控制。

进一步地，所述进气孔的后方以及所述出气孔的前方分别设置有整流板，所述进气孔与所述排气孔相对设置以在整流板之间形成均匀、稳定的层流，所述喷淋板相对设置以在喷淋板之间形成均匀、稳定的层流。

本发明提供的半导体刻蚀装置，不仅能够实现规模化加工，大幅度提高气相刻蚀的效率，同时还解决了多片刻蚀的均匀性难题，具有明显的进步，经济意义巨大。

附图说明

图1是本发明第一具体实施例的截面图；

图2是本发明第一具体实施例的俯视图；

图3是本发明第二具体实施例的截面图；

图4是本发明第二具体实施例的截面图；

图5是本发明第一具体实施例中的实验条件数据表；

图6是本发明第一具体实施例中的实验结果数据表。

具体实施方式

公众及技术人员可以参考本发明申请的附图，并结合具体实施例对本方案进行理解。

图1-图2是本发明第一具体实施例的示意图。图5和图6涉及本发明的实验条件及结果。

图1是本发明第一具体实施例的正向剖视图。该实施例中的半导体刻蚀装置包括刻蚀腔101，刻蚀腔101为一长方体形的腔体，腔体具有顶壁、底壁以及四个侧壁。在本实施例中，沿着刻蚀腔101正视图方向的两个侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁。如图1，在刻蚀腔101的左侧壁上开设有传输门103，供基板进出。而如图2中的俯视图所示的，在刻蚀腔101的第一侧壁上开设有进气孔109，刻蚀腔101的第二侧壁上开设有出气孔110，进气孔109和出气孔110供刻蚀气体进入或流出。由于刻蚀腔101为长方体形腔体，所以第一侧壁与第二侧壁相对且平行。为了使刻蚀工艺以一个较快的速率进行，通常会对刻蚀腔101内的工艺环境进行加热，所以本实施例中在刻蚀腔101的顶壁和底壁上分别设置了热源106。对刻蚀腔101进行加热可以采用多种方式，本实施例则优选了在刻蚀腔101的顶壁和底壁均设置热源共同进行加热的方式，这样可以从上下两个方向对基板同时进行加热，是基板受热更加均匀，从而刻蚀工艺的刻蚀速率均匀也得到了保障。

刻蚀腔101的内部则设置有一个大的基板承载盘102，基板承载盘102的上方设置有三组固持架104，共固持有三摞基板105。其中每组固持架104均固持有多片基板105，且位于同一组固持架104上的基板105层叠放置、彼此平行；而位于不同组固持架104上的基板105与相应高度位置处的其他组固持架104所固持的基板105共面。这样，由于基板承载盘102上设置有多组固持架104，而每组固持架104上又固持有多片基板105，因此一次刻蚀工艺就可以同时对这一大批基板105同时进行刻蚀，大大提高了半导体刻蚀装置的刻蚀效率，节约了工艺时间。基板105放置于固定架104上时，基板105的边缘与刻蚀腔101的第一侧壁、第二侧壁相对，以使刻蚀气体能够平行地与基板105的表面接触，对基板105的表面进行刻蚀；而基板105的正面则与刻蚀腔101的顶壁相对，基板105的反面与刻蚀腔101的底壁相对。由于刻蚀腔101为长方体形的刻蚀腔，所以在本实施例中，基板105实际上是平行于刻蚀腔101的顶壁和底壁，而垂直于刻蚀腔101的侧壁，这样的结构使该半导体刻蚀装置的设计十分简洁，易于制造。平行的基板105之间彼此留有间隙，且基板105与刻蚀腔101的顶壁、底壁也留有间隙，供刻蚀气体穿过间隙与基板105的表面接触，以高效刻蚀。

而为了在提高刻蚀效率的同时保证基板105刻蚀的均匀性，该半导体刻蚀装置的基板承载盘102通过位于基板承载盘102下方的传动杆107与刻蚀装置的马达108连接在一起，在马达108的驱动下能够绕传动杆107旋转。这样，当刻蚀气体进入刻蚀腔101内反应时，基板承载盘102带动所有基板105在各基板105所在的平面内旋转，每片基板105均能够在进气孔109和出气孔110之间的区域内循序地作圆周运动，均有机会接触到新鲜的刻蚀气体，从而使每片基板105都能受到均匀地刻蚀。否则，如果基板承载盘102固定不动，则每片基板105的在刻蚀腔101内的位置就固定，这将导致位于较强刻蚀气流位置处的基板始终保持较高的刻蚀速率被刻蚀；而位于较弱刻蚀气流位置处的基板始终保持较低的刻蚀速率被刻蚀，从而导致刻蚀不均匀。另外，由于基板承载盘102可以旋转，这种旋转式的设计也为取放基板105带来了方便，而减省了在装载基板105是机械手的运动量。例如，当机械手需要取特定的某片基板时，可以由基板承载盘102先将该基板旋转至靠近传输门103的位置处，之后再由机械手进行装载，而无需机械手直接进入刻蚀腔101内进行取放，这在一定程度上避免了机械手碰坏刻蚀腔101内各个设施的风险。

为了使刻蚀气体在刻蚀腔101内的气流尽可能的稳定、均匀，在刻蚀腔101内，进气孔109的后方，以及出气孔110的前方分别设置有整流板111。整流板111具有调整气流方向和分布、形成较为均匀的层流的作用，由于整流板111的存在，气流运动的基本模式表现为：刻蚀气体首先由进气孔109进入刻蚀腔101，遇到位于进气孔109后方的整流板111后沿整流板111所在平面进行扩散，原来的集束状气流迅速地分散为较为均匀的、平面化分布的气流面，由整流板111的气孔喷出并进一步渗透至刻蚀腔101内与基板105发生反应，之后，气流继续行进并与位于出气孔110前方的另一块整流板111相遇，刻蚀气体较为均匀地、平面化地进入该整流板111，并由该整流板111的气孔排出至刻蚀腔101内、出气孔110之前的空间，最后在以不均匀的、集束型的气流排出刻蚀腔101。在上述整个气流运动的过程中，由于整流板111的作用，气流在两块整流板111之间的区域内基本以平行且均匀的直线方向运动，形成了稳定的层流。两块对流板111相对设置，以及进气孔109和出气孔110相对的设置在同一直线上，有助于使气流运动地更加均匀、稳定。

本实施例中的半导体刻蚀装置，其每组固持架104主要由三根三角形排布的立柱组成，每根立柱在竖直方向上分别设置有卡嵌结构，以固持基板105。其中的卡嵌结构可以是供基板105卡入的卡槽，或者是能够防止基板105滑落的支撑台阶，当然也可以是其他可行的结构，以保证基板105在旋转时不会掉落。固持架104的形状及尺寸可调节，以适应不同规格、形状的基板。例如，固持架104可以由四根甚至更多根立柱组成，且排布的形状也可以根据具体基板的形状来进行匹配。

为了提升刻蚀效率，本实施例中需要对刻蚀腔101进行加热。加热时优选从基板105的正反两面同时进行加热，且热源正对基板105的表面，这样能够达到更好的加热效果。因此本实施例中在刻蚀腔101的顶壁和底壁分别设置了热源106，该热源106通常自带调节功能，或与温控装置相连。但加热也引入了新的影响刻蚀速率均匀性的因素，需要加以考虑：即基板105在刻蚀腔101内与热源106之间的距离不同，将导致各片基板105接收的热量有所差异，而刻蚀气体的活性对温度较为敏感，因此不同位置处的基板105可能存在不同的刻蚀速率，而影响刻蚀的均匀性。

为了消除这一影响，将刻蚀均匀性控制在可接受的范围内，发明人特对此进行了实验，以确定出合适的距离来保证均匀性。其中的实验条件及实验结果如表1和表2所示：

本实施例采用的干法刻蚀气体是气相的氟化氢(HF)气体，除此之外，氮气(N2)和乙醇(EtOH)气体作为载气与气相的氟化氢气体一同被通入刻蚀腔101内。实验中控制如下条件：HF气体的流量为300sccm，EtOH气体的流量为350sccm，N2的流量为1200sccm，温度控制在40℃，压强保持75torr。在上述实验条件下，做四组实验，分别将一片基板放入刻蚀腔101内，使其位于距离刻蚀腔101的底壁的内表面0mm，4mm，10mm，20mm以及30mm的位置处，分别通入刻蚀气体对基板进行刻蚀，测量刻蚀速率；得到的结果如表2右侧所示，刻蚀速率与距离对应地，分别为 以及从结果中可以看到，0mm时，基板紧贴刻蚀腔101的底壁设置，此时基板虽然紧邻底壁外侧的热源106，但与顶壁外侧的热源106相距甚远，导致接收到的总的热量不足，刻蚀速率偏低，仅达而当基板距离底壁超过4mm及以上时，刻蚀速率均在以上，距离底壁20mm时，基板距离底壁和顶壁的位置均较为合适，使刻蚀速率达到了出现了一个峰值；再到距离底壁30mm时，基板更靠近顶壁而离底壁较远，刻蚀速率又有所滑落，为为了距离底壁不同位置处的基板具有相近的刻蚀速率，本发明通过实验确定了，本实施例中的最上层的基板，也即最接近刻蚀腔101顶壁的基板与刻蚀腔101的顶壁宜间隔4～15mm的距离，相应的本实施例中的最下层的基板，也即最接近刻蚀腔101底壁的基板与刻蚀腔101的底壁宜间隔4～15mm的距离，同时，相互平行且相邻的基板之间宜间隔4～10mm的距离，这种条件下每片基板之间的刻蚀速率将相差不大，基本都维持在的范围之内，从而获得了良好的刻蚀效果。

图3-图4涉及本发明的第二具体实施例。该实施例中的半导体刻蚀装置包括刻蚀腔201，刻蚀腔201的侧壁上开设有传输门203，供基板出入。在刻蚀腔210相对的两侧壁上分别开设有进气孔209和出气孔210，且进气孔209的后方、以及出气孔210的前方分别设置有整流板211。同时，刻蚀腔201的顶壁以及底壁分别安放有热源206，以在需要的时候对刻蚀腔201进行加热。

在刻蚀腔201的内部，设置有基板承载盘202，该基板承载盘202与传动杆207和马达208相连，能够带动基板转动。基板承载盘202上设置有多组固持架204，每组固持架204上层叠放置有多片基板205，基板205的位置被限定。与第一实施例不同的，本实施例中的固持架204单独与一马达212相连，自身也能够在马达212的驱动下带动基板205旋转，这样一来，基板205不仅随着整个基板承载盘202绕一大圆周旋转，每片基板205也将绕各自的中心自转，这种双重旋转的运动模式使得刻蚀工艺进行的更加均匀。

基板承载盘202的旋转解决了基板205片与片之间的刻蚀均匀问题，而固持架204带动基板205自转则解决了同一片基板205上不同位置处的刻蚀均匀问题。以图4为例，基板承载盘202的旋转能够保证位于两片不同的基板上的A点和D点之间的刻蚀均匀性，而基板的自转则保证了位于同一片基板上的A点和B点之间的刻蚀均匀性。除了单独的马达可以带动固持架204转动以外，固持架204的中心轴和基板承载盘202的转轴可以通过皮带和齿轮等传动装置相连，这样固持架204就可以围绕中心旋转，并且旋转的速度与基板承载盘202的转速有一定的比例关系，方便调节。

以上实施例旨在示例性的说明本发明的原理及功效，并非用于限制本发明的技术方案，本领域及相关领域的从业技术人员可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，但仍然归属于本发明的发明构思之内。

Claims (10)

1.一种半导体刻蚀装置，包括刻蚀腔，该刻蚀腔上设置有传输门，所述刻蚀腔具有侧壁以及顶壁和底壁，其特征在于，所述刻蚀腔相对的侧壁上分别开设有进气孔和出气孔供刻蚀气体进入和排出，所述刻蚀腔内设置有基板承载盘，所述基板承载盘上设置有固持架，所述固持架用于层叠地固持多片基板，所述层叠的多片基板之间留有间隙，所述刻蚀气体的流动方向平行于所述基板的表面，所述基板承载盘可转动，以在刻蚀过程中带动所述基板旋转。

2.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述固持架的数量为一个或多个，位于同一固持架上的多片基板彼此平行，位于不同固持架且所处高度位置相同的多片基板共面。

3.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀腔的顶壁与所述基板的正面相对，所述刻蚀腔的底壁与所述基板的反面相对，所述基板与所述顶壁和底壁之间均留有间隙。

4.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述顶壁和/或所述底壁上设置有热源以加热所述刻蚀腔并维持所述刻蚀腔内的温度恒定。

5.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述最接近刻蚀腔顶壁的基板与所述刻蚀腔顶壁的内表面留有4～15mm的间隙。

6.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述最接近刻蚀腔底壁的基板与所述刻蚀腔底壁的内表面留有4～15mm的间隙。

7.根据权利要求2所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，位于同一固持架上的多片基板中，相邻两片基板之间留有4～10mm的间隙。

8.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述固持架带动所述基板绕所述固持架自身的中心轴转动，所述固持架的中心轴的位置不同于所述基板承载盘的旋转中心的位置。

9.根据权利要求8所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述固持架与所述基板承载盘之间设置有传动装置，所述固持架绕自身中心轴转动的速度由所述基板承载盘通过该传动装置控制。

10.根据权利要求1所述的半导体刻蚀装置，其特征在于，所述进气孔的后方以及所述出气孔的前方分别设置有整流板，所述进气孔与所述排气孔相对设置以在整流板之间形成均匀、稳定的层流，所述整流板相对设置以在整流板之间形成均匀、稳定的层流。