CN111383886B - 防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法 - Google Patents

防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法，该运行方法包括以下步骤：当打开刻蚀反应腔体的顶盖时，打开所述可控阀门，向与所述刻蚀反应腔体相连通的气体供应装置内通入惰性气体，以防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道；在关闭所述刻蚀反应腔体的顶盖进行等离子刻蚀时，关闭所述可控阀门，使得刻蚀气体通入所述气体供应装置。本发明可以有效防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道，进而从根本上避免了水汽遇到腐蚀性气体后腐蚀刻蚀气体供应管道的问题，从而确保基片不会出线因供应管道腐蚀而导致的金属污染。

Description

防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法。
背景技术
现有等离子体刻蚀技术中，在电感耦合等离子体(ICP，Inductive CoupledPlasma)刻蚀机台上往往会通入Cl2，COS，HBr，SiCl4等腐蚀性气体对硅片(silicon)进行刻蚀。
这些腐蚀性气体需要通过气体供应管道(gas line)金属管道进入反应腔体中。目前大多数气体供应管道的材质使用SST316L等不锈钢管材。在打开反应腔体(chamber)的时候，大气中的水汽(water vapor)会进入暴露在外的SST316L管路中。研究表明，当水汽浓度超过0.5PPM时，管路就会被腐蚀；当水汽浓度大于100PPM时，肉眼可见腐蚀点。
故每次开腔后，水汽会停留气体供应管道中很难挥发掉。水汽遇到腐蚀性气体就会腐蚀焊缝。管路的腐蚀，会将不锈钢中成分中的Cr，Mn等重金属带出来，沉积在基片(wafer)上，对基片造成金属污染。
当前的通常做法是每次开完腔就需要更换气体供应管道，维修成本高，耗时长。或者是，将该SST316L不锈钢换成哈氏合金不锈钢，但是哈氏合金不锈钢造价昂贵，成本提高；另外哈氏合金是Ni基合金，不适合适用于CO等刻蚀气体。故目前尚没有一种能够有效避免水汽对气体供应管道腐蚀的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法，以解决现有技术中无法有效避免水汽对刻蚀气体供应管道腐蚀的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种等离子反应器运行方法，其中，所述等离子反应器包括：
一个刻蚀反应腔体，刻蚀反应腔体内包括用于支撑待处理基片的基座，刻蚀反应腔体顶部包括顶盖，所述顶盖上设置有进气装置；
一气体供应装置用于向所述进气装置供应反应气体，所述气体供应装置包括：刻蚀气体供应管道，用于连通到刻蚀气体源，一惰性气体供应管道，用于连通到惰性气体源，所述惰性气体供应管道上还包括一可控阀门，所述惰性气体供应管道通过所述刻蚀气体供应管道与所述进气装置连通；
所述运行方法包括以下步骤：当打开刻蚀反应腔体的顶盖时，打开所述可控阀门，向与所述刻蚀反应腔体相连通的气体供应装置内通入惰性气体，以防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道；在关闭所述刻蚀反应腔体的顶盖进行等离子刻蚀时，关闭所述可控阀门，使得刻蚀气体通入所述气体供应装置。
上述的等离子反应器运行方法，其中，所述惰性气体在通入前先进行预热，和/或在通入惰性气体的同时对所述刻蚀气体供应管道进行加热，以将吸附在刻蚀气体供应管道内壁中的水汽解吸附出来。
上述的等离子反应器运行方法，其中，所述惰性气体为氮气。
本发明还提供了一种采用上述方法实现的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其包括惰性气体源和与其连通的惰性气体供应管道；所述惰性气体供应管道与刻蚀气体供应管道连通，用以通入惰性气体。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，所述惰性气体供应管道具有限流阀，用于限制惰性气体流量。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，该系统还包括用于对所述刻蚀气体供应管道进行加热的第一加热装置，和/或设置在惰性气体供应管道上，用于对所述惰性气体进行加热的第二加热装置。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，所述第一加热装置为加热带。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，所述加热带的外侧包裹有保温层。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，所述第二加热装置为加热器。
上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其中，所述加热器为电加热器或换热器。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
在现有的等离子体刻蚀工艺中，采用本发明所提供的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法，可以有效防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道，进而从根本上避免了水汽遇到腐蚀性气体后腐蚀刻蚀气体供应管道的问题，从而确保基片不会出现因供应管道腐蚀而导致的金属污染。该方法及系统简单易行，既无需更换刻蚀气体供应管道，也无需更换材质更为昂贵的哈氏合金不锈钢，适用于各种刻蚀气体，大幅延长了刻蚀气体供应管道的使用周期，便于技术改造施工。
附图说明
图1为现有的刻蚀反应腔体及其气体供应装置的结构示意图；
图2为包含有本发明防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统的刻蚀反应腔体及其气体供应装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为刻蚀反应腔体6及其气体供应装置一现有实施例的结构示意图。用于输送刻蚀气体的第一气体供应管道1经分流器4分流后得到第二气体供应管道2及第三气体供应管道3，最后再进而与刻蚀反应腔体6内部连通。第一气体供应管道1、第二气体供应管道2及第三气体供应管道3共同组成了本现有实施例的刻蚀气体供应管道。用于输送调谐气体的调谐气体供应管道5同时与第二气体供应管道2和第三气体供应管道3连接，以将调谐气体混入刻蚀气体中，再进而输送至刻蚀反应腔体6内。目前大多数的刻蚀气体供应管道的材质往往采用方便易得，价格低廉的SST316L不锈钢等易被腐蚀的管材，但是这样的设计也带来了以下问题：当每次打开刻蚀反应腔体6的顶盖后，与刻蚀反应腔体6直接相连的刻蚀气体供应管道将直接暴露在空气中。空气中的水汽会停留在图1所示的第一气体供应管道1、第二气体供应管道2及第三气体供应管道3中并很难挥发掉，水汽遇到刻蚀气体中的腐蚀性气体便会腐蚀刻蚀气体供应管道。现有的解决办法是及时更换第一气体供应管道1、第二气体供应管道2及第三气体供应管道3，或者是将刻蚀气体供应管道的材质换成更耐腐蚀的哈氏合金不锈钢，以延长供应管道的使用寿命。但目前的做法都存在大幅增加成本的问题，且哈氏合金不锈钢无法适用于刻蚀气体中存在CO等气体的情况。
针对上述现有实施例的问题，本发明提供了一种等离子反应器运行方法，其中，所述等离子反应器包括：
一个刻蚀反应腔体6，刻蚀反应腔体6内包括用于支撑待处理基片9的基座，刻蚀反应腔体6顶部包括顶盖，所述顶盖上设置有进气装置；
一气体供应装置用于向所述进气装置供应反应气体，所述气体供应装置包括：刻蚀气体供应管道，用于连通到刻蚀气体源，一惰性气体供应管道，用于连通到惰性气体源，所述惰性气体供应管道上还包括一可控阀门14，所述刻蚀气体供应管道和惰性气体供应管道均连通到所述进气装置；
所述运行方法包括以下步骤：当打开刻蚀反应腔体6的顶盖时，打开所述可控阀门14，向与所述刻蚀反应腔体6相连通的气体供应装置内通入惰性气体，以使惰性气体充满第一气体供应管道1、第二气体供应管道2及第三气体供应管道3，防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道，进而从根本上避免了水汽遇到腐蚀性气体后腐蚀刻蚀气体供应管道的问题，从而确保基片9不会出线因供应管道腐蚀而导致的金属污染；在关闭所述刻蚀反应腔体6的顶盖进行等离子刻蚀时，关闭所述可控阀门14，使得刻蚀气体通入所述气体供应装置。惰性气体可以选择低价常见的氮气，可以将生产现场现有的氮气管网中引出，不会造成额外的成本负担。该方法简单易行，既无需更换刻蚀气体供应管道，也无需更换材质更为昂贵的哈氏合金不锈钢，大幅延长了刻蚀气体供应管道的使用周期，便于技术改造施工。
在上述的发明实施例中，极其少量的水汽仍然有可能会吸附在刻蚀气体供应管道的内壁上。为了彻底根除这一问题，可以在上述方法的基础上再进一步进行改进。例如所述惰性气体在通入前先进行预热，即惰性气体预热成一定温度后再通入刻蚀气体供应管道中，或者在向刻蚀气体供应管道中通入惰性气体的同时对所述刻蚀气体供应管道进行加热，或者同时对惰性气体和刻蚀气体供应管道进行加热操作，以将吸附在刻蚀气体供应管道内壁中的水汽解吸附出来。可以根据具体的现场情况及实施结果选择上述方式中最合适的方案实现最佳的防腐蚀效果。
在一具体的实施方案中，将打开刻蚀反应腔体6时会暴露在大气的SST316L刻蚀气体供应管道进行加热，使用加热的氮气通入刻蚀气体供应管道中进行吹扫。当打开刻蚀反应腔体6时，加热的刻蚀气体供应管道和加热的氮气在吹扫的时候更容易将水汽从刻蚀气体供应管道的内壁中解吸附出来。当刻蚀反应腔体6抽真空到100mtorr时，刻蚀气体供应管道中的压力大概为10torr，此时水的蒸气压所对应的温度为12℃，加热的刻蚀气体供应管道和加热的氮气更容易将水汽带离刻蚀气体供应管道进入刻蚀反应腔体6，最后被抽走。在该实施例中，对氮气及刻蚀气体供应管道的加热温度的选择没有特别限制，可以在考虑效果和成本的基础上确定合适的加热温度。
为了将上述方法进行工业实际应用，本发明还提供了一种采用上述方法实现的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，该系统包括惰性气体源和与其连通的惰性气体供应管道；所述惰性气体供应管道与刻蚀气体供应管道连通，用以通入惰性气体，进而使惰性气体充满刻蚀气体供应管道，可以有效避免由于刻蚀反应腔体6打开而造成的水汽进入刻蚀气体供应管道的问题。在本实施例中，惰性气体源可以使用氮气储罐，也可以就近采用生产现场的氮气管网。例如仅需要将现有的氮气管网中引出氮气供应管道并与刻蚀气体供应管道进行焊接连接即可。该系统结构极其简单，仅需要SST316L不锈钢管作为惰性气体供应管道即可，方便易行，改造成本低廉，便于大规模推广应用。
如图2所示，为针对图1所示的现有的刻蚀反应腔体6及其气体供应装置的改进后的结构示意图，以解决水汽遇到腐蚀性气体后腐蚀刻蚀气体供应管道的问题。将氮气管网中的高纯氮气供应管道12与第一气体供应管道1通过焊接连接，以将高纯氮气通入第一气体供应管道1，再经第二气体供应管道2及第三气体供应管道3进入刻蚀反应腔体6中。刻蚀反应腔体6由绝缘窗体7、腔体侧壁、腔体底壁等组成，内设静电卡盘8，静电卡盘8上可放置基片9。排气口(图中未示出)与真空装置连接，将刻蚀反应腔体6制造成真空环境，绝缘窗体7上方的线圈10通以射频能量，通过绝缘窗体7耦合，在刻蚀反应腔体6中形成等离子体，对静电卡盘8上的基片9进行刻蚀。刻蚀反应腔体6的侧壁上设置有侧壁内衬11，使得腔室侧壁不再直接接触等离子体，免受等离子体的轰击，并且使清洗和更换更为方便。在该实施例中，当打开刻蚀反应腔体6后，通过所设置的氮气供应管道向刻蚀反应腔体6内进行氮气吹扫，有效避免了由于刻蚀气体供应管道腐蚀造成的基片9金属污染，提高了产品的质量。
其中惰性气体供应管道12，除了连接到如图2所示的分流器4上游，也可以连接到分流器4的下游两根供应管道，只是需要设置两根惰性气体供应管道分别连接到第二、第三气体供应管道，或者也可以直接连接到进气装置，如图2中，绝缘窗体7中心的气体喷嘴13。
在上述实施例中，为了对惰性气体的通入进行有效地控制，可以在惰性气体供应管道上设置可控阀门14，用于对惰性气体流量进行调节。更进一步地，可以将可控阀门14并入现有的DCS控制系统中，以实现更为方便的操作和监测。为了对惰性气体流量的控制，也可以在惰性气体供应管道的本体上进行改造，例如在惰性气体供应管道上设置限流阀15，用于限制惰性气体流量。该限流阀15也可以替换为异径管，该异径管具体可以是同心大小头或偏心大小头，可以通过冲压成形获得，以实现固定的流量限制。
为了更有效地使吸附在刻蚀气体供应管道内壁上的水汽解吸附出来，上述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统还可以进一步包括用于对所述刻蚀气体供应管道进行加热的第一加热装置，或者设置在惰性气体供应管道上，用于对所述惰性气体进行加热的第二加热装置，或者同时设置第一加热装置和第二加热装置。
通过第一加热装置和第二加热装置对刻蚀气体供应管道和惰性气体的加热，在避免水汽进入刻蚀气体供应管道的基础上还能够有效地将吸附在刻蚀气体供应管道内壁中的水汽解析出来，进而在刻蚀气体反应腔体6抽真空时通过抽气装置抽走，防止吸附在刻蚀气体供应管道内壁中的水汽对刻蚀气体供应管道的腐蚀，进而防止对基片9造成金属污染，且该系统可以兼容各种刻蚀气体，包括哈氏合金不锈钢无法兼容的CO气体等。
在一些具体的实施例中，上述的第一加热装置可以选择价格便宜的加热带，仅需将加热带包覆在刻蚀气体供应管道的外壁即可，无需进行动火作业即可实现技术改造。更进一步地，加热带的外侧可以再包裹一层保温层，以实现更好地加热效果。保温层可以选择聚氨酯保温层、保温棉或者聚乳酸发泡材料等。另外，第二加热装置可以选择为电加热器，该电加热器可以根据气体介质选择市场上各种能够对该惰性气体气体进行加热的电加热器。该气体加热器也可以通过选择换热器实现，同时还可以进一步将生产现场中现有的余热加以回收利用，节省能源的同时实现对惰性气体的加热。
本发明除了可以应用于电感耦合等离子处理器(ICP)，也可以应用于电容耦合型等离子处理器(CCP)。在电容耦合型等离子处理器中，顶盖从绝缘窗体7替换为一个上电极，进气装置也从一个位于中心的气体喷嘴13替换为圆盘形的气体喷淋头。只要存在开腔的维修过程，电容耦合型等离子处理器也会存在水汽进入气体管道的风险，所以也需要在刻蚀气体供应管道中添加本发明特有的惰性气体供应管道，在开腔时供应惰性气体到进气装置，使得进气装置出口的气压大于大气压，防止带有水汽的空气倒流如气体供应管道。
综上所述，在现有的等离子体刻蚀工艺中，采用本发明所提供的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统及等离子反应器运行方法，可以有效防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道，进而从根本上避免了水汽遇到腐蚀性气体后腐蚀刻蚀气体供应管道的问题，从而确保基片不会出线因供应管道腐蚀而导致的金属污染。该方法及系统简单易行，既无需更换刻蚀气体供应管道，也无需更换材质更为昂贵的哈氏合金不锈钢，适用于各种刻蚀气体，大幅延长了刻蚀气体供应管道的使用周期，便于技术改造施工。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种等离子反应器运行方法，其特征在于，所述等离子反应器包括：
一个刻蚀反应腔体，刻蚀反应腔体内包括用于支撑待处理基片的基座，刻蚀反应腔体顶部包括顶盖，所述顶盖上设置有进气装置；
一气体供应装置用于向所述进气装置供应反应气体，所述气体供应装置包括：刻蚀气体供应管道，用于连通到刻蚀气体源，一惰性气体供应管道，用于连通到惰性气体源，所述惰性气体供应管道上还包括一可控阀门，所述惰性气体供应管道通过所述刻蚀气体供应管道与所述进气装置连通；
所述运行方法包括以下步骤：当打开刻蚀反应腔体的顶盖时，打开所述可控阀门，向与所述刻蚀反应腔体相连通的气体供应装置内通入惰性气体，以防止空气中的水汽进入刻蚀气体供应管道；在关闭所述刻蚀反应腔体的顶盖进行等离子刻蚀时，关闭所述可控阀门，使得刻蚀气体通入所述气体供应装置。
2.如权利要求1所述的等离子反应器运行方法，其特征在于，所述惰性气体在通入前先进行预热，和/或在通入惰性气体的同时对所述刻蚀气体供应管道进行加热，以将吸附在刻蚀气体供应管道内壁中的水汽解吸附出来。
3.如权利要求1所述的等离子反应器运行方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
4.一种采用如权利要求1所述的方法实现的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，包括惰性气体源和与其连通的惰性气体供应管道；所述惰性气体供应管道与刻蚀气体供应管道连通，用以通入惰性气体。
5.如权利要求4所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，所述惰性气体供应管道具有限流阀，用于限制惰性气体流量。
6.如权利要求4所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，该系统还包括用于对所述刻蚀气体供应管道进行加热的第一加热装置，和/或设置在惰性气体供应管道上，用于对所述惰性气体进行加热的第二加热装置。
7.如权利要求6所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，所述第一加热装置为加热带。
8.如权利要求7所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，所述加热带的外侧包裹有保温层。
9.如权利要求6所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，所述第二加热装置为加热器。
10.如权利要求9所述的防刻蚀气体供应管道腐蚀的系统，其特征在于，所述加热器为电加热器或换热器。
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