CN109244031A - 单面区域腐蚀的夹具和腐蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单面区域腐蚀的夹具和腐蚀方法。该夹具包括：夹具上部，其上端开口，底部设有通孔；载片，位于所述夹具上部的下方；O型圈组，位于所述夹具上部和所述载片之间，且位于所述通孔下方；所述O型圈组包括外部O型圈和内部O型圈，所述外部O型圈用于阻止外部水浴溶液进入，所述内部O型圈用于在其内部放置被腐蚀芯片并阻止腐蚀液腐蚀流出；夹紧装置，用于使所述夹具上部和所述载片夹紧。进一步还可包括压力平衡环、磁转子、表面保护膜等。本发明实现了腐蚀面向上的单面腐蚀，利于腐蚀气体排出，能够对芯片的单面的部分区域进行可靠腐蚀，保护其他区域不受影响，并能够在腐蚀穿通条件下稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于腐蚀夹具领域，具体涉及一种对芯片的单面的部分区域进行可靠腐蚀，保护其他区域不受影响、在腐蚀穿通条件下稳定可靠的腐蚀固定夹具，以及采用该夹具的腐蚀方法。
背景技术
对半导体芯片进行湿法腐蚀，是微电子工艺中必不可少的基本工艺，其中对芯片衬底的体硅材料进行湿法腐蚀是微机电系统工艺中常用工艺手段之一，用于将表面结构从硅衬底上释放。腐蚀包含腐蚀腐蚀面材料和利用腐蚀穿通释放芯片另一面结构。在科研领域中，利用腐蚀穿通释放薄膜可以获得透明的纳米尺度的薄膜材料，方便研究薄膜材料的力学、光学、电子学性质，或者利用其作为承载层在上方放置感兴趣的材料，此时薄膜层及其上方感兴趣材料不希望被腐蚀液腐蚀，常规腐蚀方法及常规的黑胶保护等手段可能均不适用，本专利提供了一种解决方案。
本专利所描述的方法适用于几乎所有半导体芯片腐蚀工艺，但本专利的设计尤其针对腐蚀穿通所需要满足的以下要求：1)单面、小区域腐蚀：除了腐蚀面的待腐蚀位置及附近范围区域，腐蚀面另一面、芯片侧面边缘、腐蚀面同侧远离待腐蚀区域的部分均不能被腐蚀液腐蚀；2)保护正面材料：正面材料为目标材料结构，不应接触化学试剂，也不应被受到物理接触；3)需要排气：腐蚀过程中大量产生气泡，气泡附着在表面会使得腐蚀停止或者非常不均匀，需要排出气泡；4)避免过腐蚀：半导体芯片的腐蚀面的另一面有纳米尺度厚度氮化硅薄膜作为腐蚀停止层，为避免其过度减薄腐蚀时需要尽量避免在已经腐蚀穿通衬底材料后继续氮化硅薄膜。
为满足上述要求，通常需要使用腐蚀夹具。现有技术中的腐蚀夹具有：
1)专利CN104201135A公开了一种腐蚀夹具，其特点是利用真空固定芯片进行单面腐蚀，该夹具存在的问题是不适用于腐蚀穿通的腐蚀，负压容易损坏薄膜。
2)专利CN104986721B公开了一种腐蚀夹具，其特点是利用去离子水对保护面进行保护，该夹具存在的缺点是与很多之前的芯片倒置腐蚀专利一样(如US4165252、CN1477231A、CN105220143等)，面临腐蚀中产生的气泡难以及时排出的问题，在腐蚀较深后几乎无法排出，不适用于KOH等硅腐蚀液进行深腐蚀乃至腐蚀穿通。此外，这种装置腐蚀穿通后，一旦有膜破裂，腐蚀液与保护液发生交换将损伤被保护区域，不适用与腐蚀穿通的腐蚀情况。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种对芯片的单面的部分区域进行可靠腐蚀的腐蚀固定夹具，以及采用该夹具的腐蚀方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种单面区域腐蚀的夹具，其包括：
夹具上部，其上端开口，底部设有通孔；
载片，位于所述夹具上部的下方；
O型圈组，位于所述夹具上部和所述载片之间，且位于所述通孔下方；所述O型圈组包括外部O型圈和内部O型圈，所述外部O型圈用于阻止外部水浴溶液进入，所述内部O型圈用于在其内部放置被腐蚀芯片并阻止腐蚀液腐蚀流出；
夹紧装置，用于使所述夹具上部和所述载片夹紧。
进一步地，所述载片为透明载片，用于利用透光性实现终点检测。
进一步地，还包括压力平衡环，套在所述夹具上部之外，所述夹紧装置将所述夹具上部、所述压力平衡环和所述载片夹紧。
进一步地，所述压力平衡环的材质为不锈钢，所述O型圈组的材质为氟橡胶，所述腐蚀夹具上部的材质为聚四氟，所述载片的材质为石英玻璃。
进一步地，所述夹具上部的底部的通孔为一个或多个，通过多个所述通孔同时腐蚀多片被腐蚀芯片。
进一步地，所述夹紧装置为下列的一种：螺丝、将所述夹具上部和所述载片粘结在一起的粘胶、分别位于所述夹具上部和所述载片上的相互配合的螺纹、分别位于所述夹具上部和所述载片上的相互配合的卡扣。
进一步地，还包括磁转子，用于放入所述压力平衡环内的腐蚀溶液内以实现对腐蚀溶液的搅拌。
进一步地，还包括设置于被腐蚀芯片底部的防护膜，所述防护膜在对应被腐蚀芯片被保护区域的位置打孔。
一种采用上面所述单面区域腐蚀的夹具的腐蚀方法，包括以下步骤：
1)将夹具上部倒置，放置O型圈组、被腐蚀芯片和载片；
2)将所述夹具上部和所述载片夹紧；
3)将腐蚀溶液倒入所述夹具上部之内；
4)将腐蚀夹具放入恒温水浴锅进行腐蚀。
进一步地，上述方法采用透明载片，利用透光性观察是否腐蚀结束，从而实现终点检测。
本发明的有益效果如下：
1.本发明实现了腐蚀面向上的单面腐蚀，利于腐蚀气体排出，相比于倒置芯片能够极大地增加平整度。
2.本发明实现了小区域腐蚀，保护绝大部分区域，适用腐蚀情况更广泛，相比于整片腐蚀能对每个腐蚀更精密地控制。
3.本发明利用磁转子搅拌腐蚀液，使得腐蚀液均匀、利于气体排出，腐蚀更加稳定、均匀、平整。
4.本发明利用防护膜(如蓝膜)支撑和隔离，在腐蚀穿通条件下即使单个腐蚀区域破裂也不会影响到其他腐蚀区域另一面被保护的地方，若腐蚀完好的话，全程操作中被保护区域不接触化学物质，不会受到物理接触。
5.本发明实现了光学的腐蚀完成观察，可以进行光学的自动腐蚀完成检测或腐蚀完成报警，可以进一步改善腐蚀质量，在腐蚀速率受控因素很多的情况下减少因各因素带来影响，及时停止腐蚀，防止过度腐蚀。
附图说明
图1是实施例1中腐蚀夹具的结构示意图。
图2是实施例1中夹具上部的结构示意图。
图3是实施例1中压力平衡环的结构示意图。
图4是实施例1中为O型圈组的分布示意图。
图5是实施例1中玻璃载片的结构示意图。
图6是实施例1中O型圈组、被腐蚀芯片和玻璃载片组合在一起的示意图。
图7是实施例1中用被保护区域已打孔的蓝膜保护的被腐蚀芯片示意图。
图8是实施例1中腐蚀夹具水浴使用时的示意图。
图9是实施例4中实现多个芯片同时腐蚀的示意图。
图10是实施例5中实现整个四寸芯片腐蚀的示意图。
图中：11-夹具上部，111-管状部件，112-底盘；12-压力平衡环；13-O型圈组，131-位于螺丝部位的O型圈，132-外部O型圈，133-内部O型圈；14-被腐蚀芯片；15-玻璃载片；16-防护膜；17-恒温水浴锅；18-磁转子支撑部件。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
图1为本实施例的腐蚀夹具的结构示意图。其中(a)图为整体外观示意图，(b)图为(a)图中剖面A-A的截面图。该腐蚀夹具包括夹具上部11、压力平衡环12、O型圈组13和玻璃载片15。图1中14为被腐蚀芯片。
图2为夹具上部11的结构示意图。夹具上部11为筒形，包括管状部件111和底盘112，111和112固定连接或一体成形。底盘112的四周设有通孔即螺丝孔(图中示意了四个螺丝孔)，用于实现螺丝固定。管状部件111用于容纳腐蚀溶液。底盘112的中间位置即腐蚀夹具上部11的底部中间位置设有通孔，用于露出被腐蚀芯片14，使其接触腐蚀溶液以进行腐蚀。
腐蚀夹具上部11采用聚四氟材质，耐腐蚀，和玻璃载片15相互压紧，压住下方的O型圈13及下方的目标单面被腐蚀芯片14。夹具上部11的底部的开孔附近可加工成下凹的形状(图1、图2中可看出该下凹的形状)，有利于磁转子稳定旋转，有利于将腐蚀液整体旋转转化为所需的芯片腐蚀面的液体旋转，从而实现更好的对腐蚀界面的搅拌效果。
图3为压力平衡环12的结构示意图。压力平衡环12采用不锈钢材质，套在夹具上部11的外面，使得螺丝的压力更均匀地施加，避免因压力不均造成的碎片和漏液。压力平衡环12上的通孔与夹具上部11上的通孔(螺丝孔)对应，用于实现螺丝固定。
图4为O型圈组13的示意图。O型圈组13的材质为氟橡胶，外部的O型圈131位于螺丝部位，支撑、平衡夹具上部11的同时对螺丝的拧紧产生力的反馈，使得螺丝可以更平衡地压紧。被腐蚀芯片14内外区域有一大一小两个O型圈；外部O型圈132阻止外部水浴溶液进入，内部O型圈133阻止腐蚀液腐蚀到其他区域，只有内部O型圈133内部的区域会被腐蚀液腐蚀。
图5为玻璃载片15的示意图。玻璃载片15的材质为石英玻璃，作为支撑，同时方便组装时观察是否存在偏差，还有当腐蚀进行到结束阶段时，通过透光来观察是否已经腐蚀穿通。玻璃载片15设有通孔，其位置与夹具上部11的通孔、压力平衡环12的通孔相对应，用于一起实现螺丝固定。
图6为O型圈组13、被腐蚀芯片14和玻璃载片15组合在一起的示意图，其中包含了局部区域B的放大图。
采用本实施例的腐蚀夹具对芯片进行单面腐蚀的步骤如下：
1.将夹具上部11倒置，放置O型圈组13、被腐蚀芯片14、玻璃载片15。
其中被腐蚀芯片14可以采用被保护区域已打孔的表面保护膜，如图7所示，被腐蚀芯片14放置在表面保护膜16之上。利用表面保护膜进行支撑、隔离和保护，在腐蚀穿通条件下即使单个腐蚀区域破裂也不会影响到其他腐蚀区域另一面被保护的地方，若腐蚀完好的话，全程操作中被保护区域不接触化学物质，不会受到物理接触。表面保护膜也可称为晶圆胶带、蓝膜，可以由涂有压敏丙烯酸粘合剂的透明PVC薄膜制成，为了便于展开，PVC薄膜的衬背涂有硅树脂脱模剂。需要说明的是，该表面保护膜为可选择使用的、非必需的部件。
2.(使用定扭力螺丝刀)利用螺丝将夹具上部11、压力平衡环12和玻璃载片15夹紧。
3.将腐蚀溶液倒入夹具上部11之内，利用注射器或棉签将芯片腐蚀面上方、O型圈133周围气泡排出(若有)。
4.将磁转子放入在腐蚀溶液内，夹具上部11的中央倾角槽处，然后将整体的腐蚀夹具放入带有磁力搅拌功能的恒温水浴锅17，如图8所示。
5.进行磁转子搅拌的恒温水浴，按照腐蚀时间估算，在腐蚀终止检测报警后逐步停止腐蚀。
6.透过玻璃载片15观察芯片腐蚀窗口的透光情况判定腐蚀情况，若仍有未腐蚀完全区域则看情况继续腐蚀。
7.倒出腐蚀液，倒入清洗液进行多次清洗，取出腐蚀好的芯片。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于，去掉实施例1中的压力平衡环12，将玻璃载片15与夹具上部11直接固定在一起。采用这种方案，虽然螺丝的压力不如实施例1均匀，但也能较好地实现腐蚀目的。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于，玻璃载片15替换为非透明的载片。采用这种方案，虽然不能利用载片的透光性实现终点检测，但可以采用其它方法检测腐蚀是否完成，比如通过计时的方法等。
实施例4：多片同时腐蚀设计，可同时腐蚀多个芯片
实施例1中夹具上部11的底部只设有一个开孔，只能腐蚀一片被腐蚀芯片14。本实施例中，夹具上部11的底部设有多个开孔(≥2个)，能够同时腐蚀多片被腐蚀芯片14，从而提高腐蚀效率。
图9示意了能够实现8个芯片同时腐蚀夹具的整体示意图，其中夹具上部11、压力平衡环12和O型圈组13剖开了四分之一以方便展示细节。图中8个被腐蚀芯片14上放置一个O型圈133，阻止腐蚀液腐蚀到其他区域；外部设置一个大O型圈132，阻止外部水浴溶液进入。
实施例5：
本实施例为大片腐蚀设计，可以腐蚀大片乃至整个硅片。腐蚀区域变大后需要设置支撑磁转子的支架，该支架优选为带有通孔结构，方便气泡排出，保证腐蚀面的液体随腐蚀液整体一起旋转。
图10示意了实现整片腐蚀的腐蚀夹具，磁转子支撑部件18独立制作，方便透光观察、人工去除顽固气泡等操作时取下。
实施例6：
本实施例采用其他搅拌或加热方式。可能的搅拌方式有利用外部搅拌叶片进行搅拌；利用液体泵将腐蚀液进行循环等。可能的加热方式除水浴、油浴外还有热板、烘箱、将加热部件放入腐蚀液等。
实施例7：
实施例1中采用螺丝(包括螺钉、螺杆等形式)将夹具上部和载片夹紧。事实上采用其它能够使夹具上部和载片夹紧的方式或装置也都是可以的。比如：
1)采用粘胶将夹具上部和载片紧密粘结在一起；
2)在夹具上部和载片上加工相互配合的螺纹，通过螺纹将夹具上部和载片互相旋紧，使其紧密连接；
3)在夹具上部和载片上加工相互配合的卡扣，通过卡扣使夹具上部和载片紧密结合在一起。
本发明的腐蚀夹具均已在实际实验中使用并经过反复检验，所用实验条件为30wt％KOH水溶液，54度水浴14小时左右，腐蚀200微米硅片，用于在制备透射电镜所需氮化硅薄膜窗口芯片中实现窗口薄膜释放。目前采用本发明所描述的腐蚀夹具进行独立芯片腐蚀超过100片，添加上上述实施例中提到的部分优化改进措施以后，目前腐蚀成功率接近100％。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，包括：
夹具上部，其上端开口，底部设有通孔；
载片，位于所述夹具上部的下方；
O型圈组，位于所述夹具上部和所述载片之间，且位于所述通孔下方；所述O型圈组包括外部O型圈和内部O型圈，所述外部O型圈用于阻止外部水浴溶液进入，所述内部O型圈用于在其内部放置被腐蚀芯片并阻止腐蚀液腐蚀流出；
夹紧装置，用于使所述夹具上部和所述载片夹紧。
2.根据权利要求1所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，所述载片为透明载片，用于利用透光性实现终点检测。
3.根据权利要求1或2所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，还包括压力平衡环，套在所述夹具上部之外，所述夹紧装置将所述夹具上部、所述压力平衡环和所述载片夹紧。
4.根据权利要求3所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，所述压力平衡环的材质为不锈钢，所述O型圈组的材质为氟橡胶，所述腐蚀夹具上部的材质为聚四氟，所述载片的材质为石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，所述夹具上部的底部的通孔为一个或多个，通过多个所述通孔同时腐蚀多片被腐蚀芯片。
6.根据权利要求1所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，所述夹紧装置为下列的一种：螺丝、将所述夹具上部和所述载片粘结在一起的粘胶、分别位于所述夹具上部和所述载片上的相互配合的螺纹、分别位于所述夹具上部和所述载片上的相互配合的卡扣。
7.根据权利要求1所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，还包括磁转子，用于放入所述压力平衡环内的腐蚀溶液内以实现对腐蚀溶液的搅拌。
8.根据权利要求1所述的单面区域腐蚀的夹具，其特征在于，还包括设置于被腐蚀芯片底部的表面保护膜，所述表面保护膜在对应被腐蚀芯片被保护区域的位置打孔。
9.一种采用权利要求1所述单面区域腐蚀的夹具的腐蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将夹具上部倒置，放置O型圈组、被腐蚀芯片和载片；
2)将所述夹具上部和所述载片夹紧；
3)将腐蚀溶液倒入所述夹具上部之内；
4)将腐蚀夹具放入恒温水浴锅进行腐蚀。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用透明载片，利用透光性观察是否腐蚀结束，从而实现终点检测。
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