CN110137069B - 一种控制反应气体进入真空反应腔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制反应气体进入真空反应腔的方法，所述方法包括：提供一刻蚀气体源和一沉积气体源，在所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别连接一气体流量控制装置，在每个所述气体流量控制装置后端分别连接两个控制阀门，每个所述气体流量控制装置后端的一个控制阀门连接一排气装置，另一控制阀门与真空反应腔相连；控制所述气体流量控制装置在小于1秒的时间内在高、低气体流量状态之间切换；当所述气体流量控制装置切换到高气体流量状态时，控制该所述气体流量控制装置后端与所述排气装置连接的控制阀门关闭，同时控制该所述气体流量控制装置后端与所述真空反应腔相连的控制阀门的打开时间延迟一定时间，以避开反应气体的激增状态。

Description

一种控制反应气体进入真空反应腔的方法

本发明是申请日为2013.12.30日，申请号为201310745217.0，发明名称为一种气体供应装置及其等离子体反应装置的中国专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，尤其涉及一种等离子体反应装置的快速供气技术领域。

背景技术

等离子体反应装置广泛应用于集成电路的制造工艺中，如沉积、刻蚀等。其中，常用的等离子体反应装置包括电容耦合型等离子体反应装置CCP和电感耦合型等离子体装置ICP，等离子体反应装置的原理主要是使用射频功率将输入反应装置中的反应气体解离成等离子体，利用该等离子体对放置于其内部的基片进行等离子体刻蚀处理，不同刻蚀工艺需要的反应气体不尽相同。

如在硅通孔刻蚀工艺中，由于需要刻蚀的硅通孔深度较大，为了能够有效的进行刻蚀，常采用下述步骤进行刻蚀：第一，刻蚀步骤，在等离子体反应腔内通入刻蚀气体，在硅基底表面进行通孔刻蚀；第二，聚合物沉积步骤，在等离子体反应腔内通入沉积气体，所述沉积气体在通孔侧壁沉积形成侧壁保护。刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，直至通孔刻蚀完成。采用该方法的特点是能够刻蚀较深的硅孔，但是由于刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，会在侧壁形成扇贝状的粗糙表面，对硅孔的后续工艺产生不良影响，故为了保证硅孔刻蚀的合格率，需要硅孔侧壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一种降低硅孔侧壁扇贝状粗糙表面的方式是提高刻蚀步骤和沉积步骤的交替频率，降低每一步刻蚀步骤和沉积步骤所需时间，然而，随着所需时间的降低，等离子体反应装置内各种参数的不稳定性和不确定性随之产生。当刻蚀步骤和沉积步骤的时间间隔小于1s时，为等离子体反应装置提供反应气体的气体流量控制阀MFC成为一个瓶颈，MFC无法达到如此快速的切换。如果需要刻蚀步骤和沉积步骤的交替时间小于0.5s，MFC将无法达到反应装置的需求，使得整个刻蚀工艺出现不稳定状况，工艺结果无法保证可重复和可控制。因此，不同反应气体快速切换并及时输送到等离子体处理装置内是目前硅通孔刻蚀的急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体供应装置及方法，所述装置包括一刻蚀气体源和一沉积气体源，所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别连接一气体流量控制装置，所述气体流量控制装置后端分别连接两个控制阀门，每个气体流量控制装置的一个控制阀门连接一排气装置，另一控制阀门与真空反应腔相连，所述气体流量控制装置可以在小于1秒的时候内打开、闭合或者低气体流量状态和高气体流量状态的切换。

优选的，所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别通过一控制阀门与所述气体流量控制装置相连。

优选的，所述每个气体流量控制装置相邻两次切换输出的气体流量不同。

优选的，所述每个气体流量控制装置后端连接的两控制阀门交替打开、关闭，其交替频率大于等于所述气体流量控制装置的切换频率。

优选的，与所述真空反应腔连接的两控制阀门打开时，流经气体流量控制装置的气体流量大于与排气装置连接的两控制阀门打开时流经气体流量控制装置的气体流量。

优选的，所述气体流量控制装置为CMOS感应气体流量控制装置。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体反应装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一放置基片的基座，所述基座连接一射频功率源，所述真空反应腔外设置一气体供应装置，所述气体供应装置包括一刻蚀气体源和一沉积气体源，所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别连接一气体流量控制装置，所述气体流量控制装置后端分别连接两个控制阀门，每个气体流量控制装置的一个控制阀门连接一排气装置，另一控制阀门与真空反应腔相连，所述刻蚀气体和所述沉积气体在所述气体流量控制装置的切换下交替注入所述真空反应腔，所述刻蚀气体和所述沉积气体的交替时间小于1秒。

优选的，所述等离子体反应装置内进行刻蚀工艺和沉积工艺，刻蚀工艺时与刻蚀气体源连接的气体流量控制装置为高气体流量状态，与沉积气体源连接的气体流量控制装置为低气体流量状态；沉积工艺时与沉积气体源连接的气体流量控制装置为高气体流量状态，与刻蚀气体源连接的气体流量控制装置为低气体流量状态。

优选的，所述低气体流量状态的刻蚀气体和沉积气体占高流量状态的刻蚀气体和沉积气体的百分比可以小于等于5％。

优选的，所述等离子体反应装置包括一排气泵，所述排气装置与所述排气泵相连。

优选的，所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替时间小于等于0.5s。

本发明的优点在于：所述气体供应装置装置在包括一刻蚀气体源和一沉积气体源，所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别连接一气体流量控制装置，优选的所述气体流量控制装置为CMOS感应气体流量控制装置，可以实现1s内高低气体流量的切换，所述气体流量控制装置后端分别连接两个控制阀门，每个气体流量控制装置的一个控制阀门连接一排气装置，另一控制阀门与真空反应腔相连。采用本技术方案，不仅可以有效的过滤掉MFC频繁切换导致的反应气体激增和延迟，还能大大节约排放到排气装置20内的反应气体，相比现有技术，节约了近一半的反应气体，有效提高了刻蚀工艺的原材料利用率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。

图1示出一种电感耦合型等离子体反应装置结构示意图；

图2示出本发明所述气体供应装置示意图；

图3示出理想状况下刻蚀气体和沉积气体进入真空反应腔的脉冲示意图；

图4示出实际工作中MFC输出刻蚀气体和沉积气体的脉冲示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种气体供应装置及其所在的等离子体反应装置，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出一种电感耦合型等离子体反应装置结构示意图，电感耦合型等离子体反应装置包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁105，反应腔侧壁105上方设置一绝缘窗口130，绝缘窗口130上方设置电感耦合线圈140，电感耦合线圈140连接射频功率源145。反应腔侧壁105靠近绝缘窗口130的一端设置气体喷入口150，气体喷入口150连接气体供应装置10。气体供应装置10中的反应气体经过气体喷入口150进入真空反应腔100，射频功率源145的射频功率驱动电感耦合线圈140产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体160。在真空反应腔100的下游位置设置一基座110，基座110上放置静电卡盘115用于对基片120进行支撑和固定。等离子体160中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵125，用于将反应副产物排出真空反应腔内。

在图1所示的实施例中，基片120为硅材料，反应腔内进行的刻蚀工艺为硅通孔刻蚀工艺，又称TSV刻蚀工艺。本刻蚀工艺的特点是，需要刻蚀的硅通孔深度较大，为了避免刻蚀过程中硅通孔的形貌发生弯曲，保证刻蚀的通孔符合要求，目前常用的一种刻蚀方法叫做博世工艺。博世工艺包括两个步骤，第一，刻蚀步骤，在真空反应腔内通入刻蚀气体，在硅基底表面进行通孔刻蚀；第二，聚合物沉积步骤，在真空反应腔内通入沉积气体，所述沉积气体在通孔侧壁沉积形成侧壁保护。刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，直至通孔刻蚀完成。采用该方法的特点是能够刻蚀较深的硅孔，但是由于刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，会在侧壁的交替处形成扇贝状的粗糙表面，对硅孔的后续工艺产生不良影响，故为了保证硅孔刻蚀的合格率，需要硅孔侧壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一种降低硅孔侧壁扇贝状粗糙表面的方式是提高刻蚀步骤和沉积步骤的交替频率，降低每一步刻蚀步骤和沉积步骤所需时间，然而，随着所需时间的降低，等离子体反应装置内各种参数的不稳定性和不确定性随之产生。当刻蚀步骤和沉积步骤的时间间隔小于1s时，为真空反应腔提供反应气体的气体流量控制阀MFC成为一个瓶颈，传统MFC无法达到快速的切换，因此在反应进程中，一直保持常开状态，通过其后端连接的两控制阀门控制反应气体源中的气体交替进入真空反应腔或者排气装置，采用本技术方案的最大缺点是反应气体保持常开，有一半的刻蚀气体和沉积气体被排放到排气装置，浪费严重。

图2示出本发明所述的一种气体供应装置10，由于本发明的刻蚀工艺为TSV刻蚀工艺，因此气体供应装置10包括刻蚀气体源5和沉积气体源6，刻蚀气体源5和沉积气体源6分别通过一控制阀门17和控制阀门18连接一气体流量控制装置MFC11和MFC12，MFC11后端连接控制阀门13和控制阀门14，其中控制阀门13控制刻蚀气体进入真空反应腔100，控制阀门14控制刻蚀气体进入排气装置20；MFC12后端连接控制阀门15和控制阀门16，其中控制阀门16控制沉积气体进入真空反应腔100，控制阀门15控制沉积气体进入排气装置20。在本实施例中，MFC11和MFC12为CMOS感应气体流量控制装置，其可以实现在1s内开、关或高流量、低流量的切换，然而，实际工作中发现，CMOS感应气体流量控制装置的开、关或高流量、低流量切换过程中不能产生如图3所示的理想脉冲气体，而是在启动瞬间气体流量有一个激增，在断开或降低气体流量时气体不能立即断开，如图4所示，此种情况会导致刻蚀气体和沉积气体切换时，高于所需气体的量进入真空反应腔，同时真空反应腔内混杂另一种反应气体，造成TSV刻蚀工艺进程不可控，影响刻蚀工艺的顺利进行。

本发明的重点在于在CMOS感应气体流量控制装置后端设置两个控制阀门，两个控制阀门可以将气体切换时的激增和延迟过滤，达到如图3所示理想状况下的脉冲输出。考虑到MFC打开和闭合的切换时气体输出极不稳定，本实施例采用将MFC在高流量气体输出和低流量气体输出间切换。具体工作原理为：在刻蚀步骤中，将MFC11切换到高气体流量状态，刻蚀气体源5中的刻蚀气体通过控制阀门17进入MFC11，MFC11能精确测量流经其中的刻蚀气体流量，打开控制阀门13，关闭控制阀门14，刻蚀气体经控制阀门13进入真空反应腔100，进行刻蚀反应步骤，此时，MFC12切换到低气体流量状态，MFC12后端的控制阀门15打开，控制阀门16关闭，此时低流量的沉积气体经由控制阀门15进入排气装置20。刻蚀步骤结束后开始沉积步骤，此时，MFC12调节至高气体流量状态，控制阀门15关闭，控制阀门16打开，沉积气体自沉积气体源6通过控制阀门18进入MFC12，MFC12能精确测量流经其中的沉积气体流量，沉积反应所需的沉积气体经过控制阀门16进入真空反应腔100，完成沉积反应，此时，MFC11调节至低气体流量状态，控制阀门13关闭，控制阀门14打开，低流量的刻蚀气体经控制阀门14进入排气装置20。在本实施例中，低流量状态的刻蚀气体和沉积气体占高流量状态的刻蚀气体和沉积气体的百分比可以小于等于5％，采用本技术方案，不仅可以有效的过滤掉MFC频繁切换导致的反应气体激增和延迟，还能大大节约排放到排气装置20内的反应气体，相比现有技术，节约了近一半的反应气体，有效提高了刻蚀工艺的原材料利用率。

MFC后端的阀门能过滤MFC气体激增和延迟的方法为，当MFC切换到高气体流量状态时，连接真空反应腔的控制阀门13和控制阀门16延迟一定时间打开，如延迟30ms，避过反应气体的激增状态；当MFC切换到低气体流量状态前，连接排气装置20的控制阀门14和控制阀门15提前一定时间打开，如30ms，将MFC延迟时间段的气体排放到排气装置20内，避免不需要的反应气体进入上一个反应步骤，影响刻蚀反应或者沉积反应的进行。排气装置20可以与真空反应腔的排气泵125相连，与反应副产物一起进入后续废气处理装置(图中未示出)。

所述刻蚀气体包括CF₄、O₂、SF6或Ar中的一种或多种，所述沉积气体包括C₄F₈、氩气和氦气中的一种或多种。所述刻蚀气体和所述沉积气体交替时间小于等于1s。优选的，所述刻蚀气体和所述沉积气体交替时间小于等于0.5s。通过采用本发明所述的气体供应装置，可以节约近一半的反应气体，既节省了原材料降低了成本，同时还能减少了处理反应气体的成本，避免了有害气体进入空气中，对环境造成污染。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种控制反应气体进入真空反应腔的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

提供一刻蚀气体源和一沉积气体源，在所述刻蚀气体源和所述沉积气体源后端分别连接一气体流量控制装置，在每个所述气体流量控制装置后端分别连接两个控制阀门，每个所述气体流量控制装置后端的一个控制阀门连接一排气装置，另一控制阀门与真空反应腔相连；

控制所述气体流量控制装置在小于1秒的时间内在低气体流量状态和高气体流量状态之间切换；

当所述气体流量控制装置切换到高气体流量状态时，控制该所述气体流量控制装置后端与所述排气装置连接的控制阀门关闭，同时控制该所述气体流量控制装置后端与所述真空反应腔相连的控制阀门延迟一定时间后打开，以避开反应气体的激增状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制与刻蚀气体源连接的气体流量控制装置和与沉积气体源连接的气体流量控制装置交替在高气体流量状态和低气体流量状态之间切换。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述气体流量控制装置后端与所述真空反应腔相连的控制阀门的打开时间延迟一小于等于30ms的时间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制与所述排气装置连接的控制阀门在所述气体流量控制装置切换到低气体流量状态前一定时间打开。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，控制与所述排气装置连接的控制阀门的打开时间提前一小于等于30ms的时间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低气体流量状态的反应气体占高气体流量状态的反应气体的百分比小于等于5％。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述刻蚀气体源和所述沉积气体源与后端的所述气体流量控制装置之间设置一控制阀门。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述真空反应腔下方设置一排气泵，设置所述排气装置与所述排气泵相连。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置所述气体流量控制装置为CMOS感应气体流量控制装置。

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