CN115172134B - 原子层刻蚀装置及刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种原子层刻蚀装置及刻蚀方法，通过设置刻蚀空间，在刻蚀空间内设置环形穿梭路径，穿梭盘沿穿梭路径循环往复运行，每条穿梭路径上布置有偶数个内反应腔，穿梭盘在传动机构的驱动下依次穿过相应穿梭路径上的所有内反应腔，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次原子层刻蚀，控制穿梭盘沿穿梭路径运行的速度、圈数，就能在待刻蚀基片表面得到一定的刻蚀深度，控制穿梭盘的数量，就可以控制单位时间刻蚀的基片的数量，提升刻蚀速率和产能，而且，在两间隔设置的内反应腔之间的吹扫路径的上方设置吹扫件，对在吹扫路径上运行的基片进行吹扫，提高吹扫的效率，加快刻蚀的速率。

Description

原子层刻蚀装置及刻蚀方法
技术领域
本申请涉及半导体制造设备技术领域，具体涉及一种原子层刻蚀装置及刻蚀方法。
背景技术
刻蚀和沉积是半导体制造工艺中的重要步骤，以刻蚀为例，近几十年来，等离子刻蚀技术已取得了长足发展。利用等离子刻蚀技术，人们得以准确地雕刻器件结构，从而为晶体管尺寸的缩小以及性能的提升提供了保障。但是，当前的先进芯片关键尺寸更小，有些还具有三维结构（如FinFETs和3D NAND），这无疑对当前的等离子刻蚀技术提出了挑战。
原子层刻蚀 (ALE, atomic layer etching)以一种自限制（self-limiting）的方式，在原子尺度之内有序地逐层去除材料，它是一种能够精密控制被去除的材料量的先进技术。原子层刻蚀将刻蚀工艺分为两个半反应步骤：表面改性（半反应A）和表面去除（半反应B）。半反应A对衬底表面层进行改性处理，使其在半反应B中能够被轻易去除。每次循环只去除薄薄一层材料，可重复循环直至达到预期的刻蚀深度。然而，现有采用原子层刻蚀的装置，两个半反应在同一个腔体内完成，从输送前驱体到发生表面反应再到吹扫后切换到另一个半反应，效率低下；而且同一腔室内通入不同的前驱体，对腔室材质无法做出选择性，亦可能存在交叉污染，进而影响刻蚀品质。从而制约了半导体制造的刻蚀速率和产能要求。
发明内容
本申请实施例提供一种原子层刻蚀装置及刻蚀方法，可以解决现有采用原子层刻蚀存在的刻蚀效率低下以及刻蚀污染的问题。
本申请实施例提供的一种原子层刻蚀装置，包括：至少一层刻蚀空间，每层所述刻蚀空间内形成有至少一个同心布置的环形穿梭路径；偶数个内反应腔，所述偶数个内反应腔被布置为由至少一个内反应子集构成，每个所述内反应子集包括相邻设置的两个内反应腔，每条所述穿梭路径上布置有至少一个所述内反应子集；至少一个穿梭盘，每条所述穿梭路径上布置有至少一个所述穿梭盘；以及至少一传动机构，所述传动机构与所述至少一个穿梭盘传动连接；其中，每个所述穿梭盘承载有待刻蚀基片，所述传动机构驱动所述至少一个穿梭盘同步周期性转动；每条所述穿梭路径上的每个穿梭盘在所述传动机构驱动下依次穿过该穿梭路径上的所有内反应子集，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次原子层刻蚀。
可选的，所述至少一传动机构包括：同步带，形状为与所述穿梭路径相匹配的环形，所述同步带同心布置于所述穿梭路径内侧，每条所述穿梭路径对应一所述同步带，所述至少一个穿梭盘与所述同步带连接；至少一个主动轮和两个以上从动轮，所述至少一个主动轮和所述两个以上从动轮间隔排布并分别内接于所述同步带，以顶撑所述同步带形成与所述穿梭路径相匹配的环形；至少一电机，一所述主动轮对应一所述电机，所述电机布置为驱动所述主动轮带动所述同步带旋转并带动所述至少一个穿梭盘沿所述穿梭路径同步周期性转动。
可选的，还包括抽气管路，每个所述内反应腔对应一所述抽气管路，所述抽气管路布置成一端伸入所述内反应腔内侧以抽取所述内反应腔内侧的残留气体。
可选的，还包括喷嘴，每个所述内反应腔的相对两侧壁上分别开设有供所述穿梭盘穿梭的开口，每个所述开口对应一所述喷嘴，所述喷嘴布置成在所述开口处形成气帘以隔绝所述内反应腔内侧与所述内反应腔外侧。
可选的，每条所述穿梭路径上的所述内反应腔在所述穿梭盘的穿梭路径上两两间隔设置，以将所述穿梭路径分割成被内反应腔覆盖的刻蚀路径以及未被内反应腔覆盖的吹扫路径，每段所述吹扫路径的上方设置一吹扫件，所述吹扫件布置成对穿梭至该段吹扫路径上的穿梭盘上的待刻蚀基片的吹扫。
可选的，所述每个内反应子集中的所述两个内反应腔被布置为在所述穿梭盘的穿梭方向上游侧的第一内反应腔以及在穿梭方向下游侧的第二内反应腔，每个所述内反应腔内通入的反应气体的种类为一种，所述第一内反应腔和所述第二内反应器内通入的反应气体的种类相异。
可选的，还包括输气管路，每个所述内反应腔对应一所述输气管路，所述输气管路布置成向所述内反应腔内侧输送反应气体；所述输气管路上用以输出反应气体的端口为出气端，所述出气端的数量为两个，两出气端间隔设置于所述内反应腔内侧上部；所述两出气端的出气方向交叉。
可选的，两出气端分别连接有一出气件，所述出气件的出气面上间隔开设有多个出气口，所述多个出气口呈阵列排布。
可选的，还包括外反应腔，所述外反应腔用以容纳并密封所述至少一层刻蚀空间；当所述刻蚀空间的层数为两层或两层以上时，所述两层或两层以上刻蚀空间沿所述外反应腔的高度方向层叠设置于所述外反应腔内，相邻两层所述刻蚀空间之间通过层板分隔。
可选的，所述外反应腔具有沿所述外反应腔高度方向设置的贯穿所述外反应腔的腔道，所述腔道内接隔板以使所述腔道与所述刻蚀空间相隔离，所述刻蚀空间环绕所述腔道。
可选的，所述外反应腔的侧壁上设置有至少一抽真空管道，一层所述刻蚀空间对应所述至少一抽真空管道，所述抽真空管道布置成一端伸入所述刻蚀空间内侧以抽取所述刻蚀空间内的气体。
可选的，所述外反应腔的侧壁上设置有用以取出位于所述刻蚀空间内侧的基片的闸门。
同时，本申请实施例还提供一种原子层刻蚀方法，包括如下步骤：
配置至少一层刻蚀空间，并在每层所述刻蚀空间内布置至少一个同心设置环形穿梭路径；
配置偶数个内反应腔，所述偶数个内反应腔被布置为由至少一个内反应子集构成，每个所述内反应子集包括相邻设置的两个内反应腔，在每条所述穿梭路径上布置至少一个所述内反应子集；
配置至少一个穿梭盘，在每条所述穿梭路径上布置至少一个所述穿梭盘；
将每个所述穿梭盘放置于相应一个内反应子集的上游侧的穿梭路径上，每个所述内反应子集中的两个内反应腔被布置为在相应穿梭方向上游侧与下游侧的第一内反应腔与第二内反应腔；
同步驱动每个所述穿梭盘进入相应的所述第一内反应腔并滞留预设的第一反应时间；
向所述第一内反应腔内通入第一刻蚀反应气体，使得第一刻蚀反应气体与穿梭盘上的待刻蚀基片的表面发生原子层刻蚀反应中的第一半反应；
当所述第一半反应完成后，同步驱动每个所述穿梭盘进入相应的所述第二内反应腔并滞留预设的第二反应时间；
向所述第二内反应腔内通入第二刻蚀反应气体，使得第二刻蚀反应气体与穿梭盘上的待刻蚀基片的表面发生原子层刻蚀反应中的第二半反应；
驱使每条所述穿梭路径上的每个穿梭盘依次穿过该穿梭路径上的其余内反应子集，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片发生至少一次原子层刻蚀。
可选的，当所述穿梭盘停留在所述第一内反应腔内时，向所述第一内反应腔的开口处通入气封气体以在所述第一内反应腔的开口处形成气帘；当所述穿梭盘停留在所述第二内反应腔内时，向所述第二内反应腔的开口处通入气封气体以在所述第二内反应腔的开口处形成气帘。
可选的，当所述第一半反应完成后，抽取所述第一内反应腔室内的残留气体；当所述第二半反应完成后，抽取所述第二内反应腔室内的残留气体。
可选的，当所述穿梭盘在相邻的两个内反应腔之间的穿梭路径上运行时，向所述刻蚀空间内通入吹扫气体吹扫所述穿梭盘及其承载的所述待刻蚀基片。
本申请的有益效果在于，提供一种原子层刻蚀装置及刻蚀方法，通过设置至少一层层叠设置的刻蚀空间，在刻蚀空间内设置至少一个同心布置的环形穿梭路径，穿梭盘沿穿梭路径循环往复运行，每条穿梭路径上布置有偶数个内反应腔，每条穿梭路径上的每个穿梭盘在传动机构的驱动下依次穿过相应穿梭路径上的所有内反应腔，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次原子层刻蚀，控制穿梭盘沿穿梭路径运行的速度、圈数，就能在待刻蚀基片表面得到一定的刻蚀深度，控制穿梭盘的数量，就可以控制刻蚀的基片的数量，提升刻蚀速率和产能，而且，在两间隔设置的内反应腔之间的吹扫路径的上方设置吹扫件，可对在吹扫路径上运行的基片进行吹扫，不必在内反应腔内针对基片做特别吹扫，这样可以提高吹扫的效率，加快刻蚀的速率。此外，内反应腔可以根据特定的前驱体源选择材质，反应中只有单一的前驱体在内反应腔内参与刻蚀反应，可以杜绝交叉污染的状况发生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的原子层刻蚀装置的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2的A-A向剖视图；
图4是图1的侧视图；
图5是本申请一实施例提供的原子层刻蚀装置的部分结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的原子层刻蚀装置中反应件与支撑件的配合结构示意图；
图7是图6的正视图；
图8是图6的俯视图；
图9是图8的B-B向剖视图；
图10是图8的C-C向剖视图；
图11是图6的仰视图；
图12a是采用HF气体刻蚀Al2O3薄膜层的半反应A的示意图；
图12b是采用Al(CH3)3气体刻蚀Al2O3薄膜层的半反应B的示意图。
附图标记说明：
100、原子层刻蚀装置，110、环形轨道，120、穿梭盘，121、固定块，130a、第一内反应子集，130b、第二内反应子集，131、内反应腔，131a、第一内反应腔， 131b、第二内反应腔，131c、第三内反应腔，131d、第四内反应腔，132a、进口，132b、出口，140、传动机构，141、同步带，142、主动轮，143、从动轮，144、电机，150、输气管路，150a、第一出气端，151、出气件，151a、出气面，152、出气口，160、抽气管路，170、吹扫件，180、送气管路，180a、第三出气端，181、风刀，190、外反应腔，190a、刻蚀空间，191、腔道，192、隔板，193、抽真空管道，194、闸门；
200、基片。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”通常是指装置实际使用或工作状态下的上和下，具体为附图中的图面方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
本申请实施例提供的原子层刻蚀装置，通过设置至少一层层叠设置的刻蚀空间，在刻蚀空间内设置至少一个同心布置的环形穿梭路径，穿梭盘沿穿梭路径循环往复运行，每条穿梭路径上布置有偶数个内反应腔，每条穿梭路径上的每个穿梭盘在传动机构的驱动下依次穿过相应穿梭路径上的所有内反应腔，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次原子层刻蚀，控制穿梭盘沿穿梭路径运行的速度、圈数，就能在待刻蚀基片表面得到一定的刻蚀深度，控制穿梭盘的数量，就可以控制刻蚀的基片的数量，提升刻蚀速率和产能，而且，在两间隔设置的内反应腔之间的吹扫路径的上方设置吹扫件，可对在吹扫路径上运行的基片进行吹扫，不必在内反应腔内针对基片做特别吹扫，这样可以提高吹扫的效率，加快刻蚀的速率。作为典型应用，所述原子层刻蚀装置可用于对基片表面进行原子层刻蚀(ALE)，在其他应用中，所述原子层刻蚀装置可用于对基片表面进行等离子体原子层刻蚀(plasmaALE)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)和热原子层沉积(TALD)。
本申请一实施例中，参照图1~图11，所述原子层刻蚀装置100包括：刻蚀空间、穿梭路径、穿梭盘120、内反应子集和传动机构140。
其中，刻蚀空间的层数为至少一层，每层刻蚀空间内形成有至少一个同心布置的环形穿梭路径，每条穿梭路径上布置有至少一个内反应子集，每个内反应子集包括两个内反应腔，每条穿梭路径上布置由至少一个穿梭盘120，传动机构140用以驱动穿梭盘120沿穿梭路径运行，穿梭盘120在传动机构140的驱动下依次穿过穿梭路径上的所有内反应腔，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次刻蚀, 经受至少一个刻蚀周期。
具体地，参照图6~图11，穿梭路径以环形轨道110的形式设置于刻蚀空间内，刻蚀空间可以为密闭腔室，每层刻蚀空间中的环形轨道110的数量为至少一个，刻蚀空间的层数为至少一层。在本实施例中，刻蚀空间的层数为一层，每层刻蚀空间内环形轨道110的数量为一个，在其他实现方式中，刻蚀空间的层数为两层或两层以上，由上至下层叠排布，相邻两层刻蚀空间之间通过层板（图中未示出）分隔，相互独立，每层刻蚀空间内环形轨道110的数量可以为两个或者两个以上，呈同心布置，形成同心环结构，从而可有效提升刻蚀基片的数量，提升刻蚀效率。
此外，在图6~图11示出的实施例中，虽然仅示出了一个刻蚀空间，且该刻蚀空间仅布置有一条环形的穿梭路径，并且在该穿梭路径上布置了两个内反应子集，共四个呈十字形分布的内反应腔，但本发明并不限于此，还可以由更多组刻蚀空间层叠设置形成层叠结构，在这种实施方式下，层叠结构的每层刻蚀空间中均可以布置至少一个同心布置的穿梭路径，而且，每条穿梭路径上也可以布置有至少一个内反应子集。
穿梭盘120用以承载基片200，参照图7、图9、图10和图11，穿梭盘120设置于环形轨道110上，穿梭盘120可沿环形轨道110循环运行形成环形穿梭路径。在本实施例中，穿梭盘120通过固定块121架设于环形轨道110上，以保证穿梭盘120的稳定性，参照图6，内反应腔131设置于环形轨道110上，具体地，内反应腔131跨设于环形轨道110的内侧和外侧，即，内反应腔131在环形轨道110所在平面的正投影覆盖部分环形轨道110，具体地，内反应腔131朝向环形轨道110一面开设凹槽以形成供穿梭盘120停留的反应腔室，内反应腔131的相对两侧壁分别开设有与反应腔室内侧连通的开口，参照图6、图7和图11，两个开口中，一个开口为供穿梭盘120进入反应腔室内侧的进口132a，另一个开口为供穿梭盘120运行至内反应腔131外侧的出口132b。在本实施例中，参照图5，一条穿梭路径上的内反应子集的数量为两个，即，一条环形轨道110上内反应子集的数量为两个，包括第一内反应子集130a和第二内反应子集130b，相应地，内反应腔131的数量为四个，第一内反应子集130a包括第一内反应腔131a、第二内反应腔131b，第二内反应子集130b包括第三内反应腔131c和第四内反应腔131d，沿环形轨道110的周向呈十字型间隔排布，以原子层刻蚀（ALE）为例，穿梭盘120承载的基片200沿环形轨道110运行一周，即可完成两次完整的原子层刻蚀。在其他实现方式中，可根据实际需求设置内反应腔131的数量，保证每条环形轨道110上内反应腔131的数量为偶数个即可。
参照图5~图11，一条穿梭路径（即一条环形轨道110）对应一传动机构140，传动机构140包括同步带141、主动轮142、从动轮143和电机144。同步带141的形状为与穿梭路径相匹配的环形，在本实施例中，同步带141的形状与环形轨道110的形状相匹配，同步带141布置于环形轨道110内侧并与环形轨道110同心布置，主动轮142的数量为一个，从动轮143的数量为三个，一个主动轮142和三个从动轮143沿同步带141周向间隔内接于同步带141，一个主动轮142和三个从动轮143顶撑同步带141以使得同步带141具备与环形轨道110同心布置的环形形状，电机144布置于同步带141的下方，电机144的输出端与主动轮142传动连接，电机144驱动主动轮142旋转，主动轮142旋转带动同步带141以及三个从动轮143同步旋转，将穿梭盘120的一端与同步带141连接，同步带141旋转即可带动穿梭盘120沿环形轨道110循环运行形成环形穿梭路径，具体地，参照图9，固定块121的一端与同步带141连接，以使得穿梭盘120通过固定块121与同步带141稳定连接，同步带141通过固定块121带动其上的穿梭盘120沿环形轨道110同步周期性转动。参照图6~图11，每个内反应腔131对应设置有一输气管路150，输气管路150的进气端位于刻蚀空间外侧并连接第一气源（图中未示出），第一气源向输气管路150提供反应气体，输气管路150的出气端位于刻蚀空间内侧并伸入内反应腔131的反应腔室内侧以向内反应腔131内输送反应气体。在本实施例中，参照图9，输气管路150的出气端的数量为两个，即两个第一出气端150a，一个第一出气端150a伸入内反应腔131内侧上部一端，另一个第一出气端150a伸入内反应腔131内侧上部另一端，两第一出气端150a的出气方向交叉，可实现输送入内反应腔131内的反应气体与停留在内反应腔131内的穿梭盘120上的基片200远离穿梭盘120一面充分反应，提升反应效率和反应效果。
另外，位于内反应腔131内侧的两第一出气端150a分别连接有一出气件151，出气件151远离出气端一面为出气面151a，出气面151a上间隔开设有多个出气口152，多个出气口152呈阵列排布，阵列可以是单排阵列也可以是多排阵列，当穿梭盘120及承载的基片200停留在内反应腔131内时，出气面151a朝向所述基片200远离穿梭盘120一面。其中，参照图3和图9，出气面151a倾斜设置，与基片200所在平面成一定夹角，两第一出气端150a上的出气面151a呈镜像对称设置。
参照图2~图4以及图6~图11，每个内反应腔131对应设置有一抽气管路160的一端位于刻蚀空间外侧并连接抽气单元（图中未示出），抽气管路160的另一端插设于内反应腔131侧壁并与内反应腔131内侧连通，当输气管路150通入内反应腔131内的反应气体与基片200表面的反应完成时，抽气单元通过抽气管路160将内反应腔131内的反应产物和过量的反应气体抽出，保证内反应腔131内的清洁度。
另外，每条穿梭路径上的内反应腔131在穿梭方向上两两间隔设置，以将穿梭路径分割成被内反应腔131覆盖的刻蚀路径以及未被内反应腔131覆盖的吹扫路径，参照图1~图3以及图5，作为穿梭路径的环形轨道110被四个内反应腔131分割成四段吹扫路径，每段吹扫路径上方设置一吹扫件170，具体地，吹扫件170设置于相邻两内反应腔131之间的环形轨道110上方，具体地，吹扫件170的进气端位于刻蚀空间外侧并连接第二气源（图中未示出），第二气源向吹扫件170提供吹扫气体，在本实施例中，吹扫气体为惰性气体，吹扫件170的出气端伸入刻蚀空间内侧并朝向位于相邻两内反应腔131之间的环形轨道110的上方，以对运行至相邻两内反应腔131之间的环形轨道110上的穿梭盘120承载的基片200的表面进行吹扫，去除残留在基片200表面的反应气体或反应物，而不必在内反应腔131的反应腔室内针对基片200做特别吹扫，这样可以提高吹扫的效率，加快反应的速率。如图1和图2所示，本实施例中，内反应腔131的数量为4个，沿环形轨道110间隔排布，对应地，吹扫件170的数量为4个，设置于相邻两内反应腔131之间。
此外，所述原子层刻蚀装置100还包括喷嘴，每个内反应腔131对应设置两个喷嘴，一个开口对应一个喷嘴，即，进口132a对应设置一个喷嘴，出口132b对应设置一个喷嘴，喷嘴布置成在开口处形成气帘以隔绝内反应腔131内侧与内反应腔131外侧。具体地，参照图5、图6、图7、图8、图10和图11，一个内反应腔131对应设置一送气管路180，送气管路180的进气端位于刻蚀空间外侧并连接第三气源（图中未示出），第三气源向送气管路180提供气封气体，在本实例中，气封气体为惰性气体，送气管路180的出气端位于腔室内侧，具体地，送气管路180的出气端的数量为两个，即两个第三出气端180a，一第三出气端180a延伸至作为进口132a的内反应腔131的开口的上方，另一第三出气端180a延伸至作为出口132b的内反应腔131的开口的上方，两第三出气端180a的出气方向（或者说出风方向）朝向环形轨道110，具体地，一第三出气端180a的出气方向与开设进口132a的内反应腔131的侧壁所在平面平行，以在进口132a位置形成气帘，另一第三出气端180a的出气方向与开设出口132b的内反应腔131的侧壁所在平面平行，以在出口132b位置形成气帘，气帘的作用在于隔绝内反应腔131内侧与内反应腔131外侧的腔室，避免内反应腔131外侧的腔室内的气体进入内反应腔131内侧影响反应气体与基片200的反应。
另外，本实施例中，采用风刀181作为喷嘴，在其他实现方式中，可采用其他形式的喷气件作为喷嘴，只要在开口处形成气帘即可。具体地，两个第三出气端180a分别连接有一风刀181，风刀181设置于开设开口的内反应腔131的侧壁上，且风刀181位于开口上方，风刀181的长度大于或者等于开口的开口度，以确保在开口（进口132a和出口132b）位置形成封闭开口的气帘。
作为一种实现方式，所述原子层刻蚀装置100还包括外反应腔190，刻蚀空间设置于外反应腔190内，形成刻蚀空间190a，参照图1~图5，外反应腔190具有沿外反应腔190高度方向设置的贯穿外反应腔190的腔道191，具体地，外反应腔190的上表面开设有贯穿外反应腔190的腔道191，腔道191亦贯穿位于外反应腔190内侧的刻蚀空间190a，腔道191内接有隔板192，隔板192形状为管体，隔板192将腔道191与刻蚀空间190a相隔离，刻蚀空间190a环绕腔道191，输气管路150的出气端穿过隔板192以伸入刻蚀空间190a内侧并伸入内反应腔131内侧，输气管路150的进气端伸出至腔道191一端外侧以与第一气源连接，抽气管路160的一端为抽气端，该抽气端穿过隔板192以伸入刻蚀空间190a内侧并与内反应腔131内侧连通，抽气管路160的另一端伸出至腔道191一端外侧并连接抽气单元，吹扫件170的进气端伸出至腔道191一端外侧并连接第二气源，送气管路180的出气端穿过隔板192以伸入刻蚀空间190a内侧并伸入内反应腔131内侧，送气管路180的进气端伸出至腔道191一端外侧以连接第三气源。其中，在本实施例中，吹扫件170的出气端设置于外反应腔190的上表面，吹扫件170的出气端伸入刻蚀空间190a内侧。在其他实现方式中，外反应腔190可不开设腔道191，输气管路150的出气端、抽气管路160的抽气端以及送气管路180的出气端可由外反应腔190的侧壁伸入刻蚀空间190a内侧。
另外，外反应腔190的侧壁上设置有抽真空管道193，每层刻蚀空间190a对应至少一抽真空管道193，所述抽真空管道193的一端伸入所述刻蚀空间190a内侧，所述抽真空管道193的另一端位于所述外反应腔190外侧并连接有抽真空单元，抽真空管道193的设计，可抽出刻蚀空间190a内残留的反应生成物和过量的反应气体，保证刻蚀空间190a内的清洁度和真空度。
此外，外反应腔190的侧壁上设置有用以取出位于所述刻蚀空间190a内侧的基片200的闸门194。闸门194的设计，可在基片200完成反应后，开启闸门194以取出基片200，其中，闸门194为气动闸门。
刻蚀均匀性一直是刻蚀工艺的一大挑战，尤其当前的先进芯片的关键尺寸更小，有些还具有三维结构（如FinFETs和3D NAND）。关键器件结构尺寸的允许工艺误差一般约为其自身尺寸的10%。例如，宽度为 10nm 的晶体管栅极结构，其允许误差仅为 1nm，相当于3至4个原子层。随着结构尺寸的不断缩小，人们需要尽可能地降低由各种原因导致的工艺误差。不同尺寸的结构在刻蚀中的速率差异是误差产生的重要原因之一。这种深宽比相关刻蚀(ARDE)会导致高深宽比结构的刻蚀速率要比低深宽比结构的刻蚀速率低。另一项挑战则在于，刻蚀工艺需要在去除目标材料的同时，完好地保留下一层材料。例如，一个薄膜堆栈由多层材料组成，可能只要去除最上面的那层材料，而同时不能去除或损坏下层材料。两种材料的刻蚀速率比称为“选择比”，很多刻蚀工艺都要求具有极高的选择比。第三项挑战在于，当达到期望的深度之后，等离子体中的高能离子可能会导致硅片表面粗糙或底层损伤，这是需要极力避免的问题。
而原子层刻蚀 (ALE, atomic layer etching)以一种自限制的方式，在原子尺度之内有序地逐层去除材料，它是一种能够精密控制被去除的材料量的先进技术。ALE将刻蚀工艺分为两个步骤：改性和去除。第一步对衬底（基片）表面层进行改性处理，使其在第二步中能够被轻易去除。每次循环只去除薄薄一层材料，可重复循环直至达到预期的刻蚀深度。
热ALE利用一系列自限制反应进行薄膜刻蚀。与ALD（原子层沉积）逐层生长的概念类似，热ALE使得薄膜材料被逐层去除。反应包括表面改性（半反应A）和表面去除（半反应B）。对于ALE过程，半反应A是指通过前驱体蒸汽自限吸附在基片表面形成化学吸附层。表面去除B是指通过引入适当地前驱体，表面化学吸附层转化为挥发性刻蚀物，这一点与ALD不同。类比于ALD，每个热ALE循环也可以分为四个步骤：S1.表面吸附；S2.过量反应物的排出；S3.表面去除；S4.挥发性反应产物排出。其中，S1和S3是关键的表面自限制步骤。S2和S4是受速度限制的疏散步骤，取决于反应物和产物在反应室中的停留时间。同比于ALD的GPC（growth per cycle），由于自限制反应，ALE的EPC（etch per cycle）保持不变。当前驱体暴露时间或反应物压力达到一定临界值时，EPC不会随着刻蚀工艺参数而变化。ALE同样存在窗口的概念，多数ALE明显依赖于温度。对于热ALE的过程，分离的半反应有助于阻止表面改性和表面去除之间相互作用，控制表面反应的顺序，使得自限制反应成为可能，并产生ALE的窗口。“非连续”避免了连续等离子体刻蚀中形成厚厚的混合层以及由此产生的不受限制的反应性。
参照图1~图11，以氢氟酸HF和三甲基铝Al(CH3)3作为原子层刻蚀用前驱体，以氧化铝Al2O3作为基片200上的Al2O3薄膜层，对Al2O3薄膜层进行原子层刻蚀为例，对使用本申请实施例所提供的原子层刻蚀装置100进行原子层刻蚀的方法如下：
Al2O3薄膜层的腐蚀采用HF和三甲基铝(Al(CH3)3, trimethylaluminum, TMA)作为反应物。Al2O3薄膜层的腐蚀通过序列化、自限制的氟化、配体交换反应实现。
总反应式如下：
Al2O3 (s)＋6HF(g)＋4Al(CH3)3 (g)→6AlF(CH3)2 (g)＋3H2O (g)。
这个总反应式可以分成两个半反应：半反应A（参照图12a）和半反应B（参照图12b）:
半反应A:Al2O3(s) + 6HF (g)→2AlF3 (s)+3H2O (g)；
半反应B: 2AlF3 (s) +4Al(CH3)3(g)→6AlF(CH3)2(g)。
其中，s表示固体，g表示气体，半反应A（第一半反应）是通过第一刻蚀反应气体HF与Al2O3薄膜层发生半反应A，使得部分Al2O3薄膜层形成AlF3层，半反应B（第二半反应）是通过第二刻蚀反应气体Al(CH3)3与Al2O3薄膜层上的AlF3层发生半反应B，生成AlF(CH3)2气体以去除Al2O3薄膜层上的AlF3层，完成对Al2O3薄膜层的一次刻蚀。
具体地，原子层刻蚀方法包括：
在进行原子层刻蚀时，将带有Al2O3薄膜层的基片200放入穿梭盘120，开启闸门194，将穿梭盘120连带基片200放入环形轨道110上，例如，放置于位于第一内反应腔131a的进口132a外侧的环形轨道110上（即第一内反应腔131a的上游侧），穿梭盘120携带基片200沿环形轨道110，当穿梭盘120运行至第一内反应腔131a 内侧时停留，开启第一气源通过输气管路150向第一内反应腔131a内通入氢氟酸HF气体作为前驱体，与基片200上的Al2O3薄膜层发生半反应A（即第一半反应），Al2O3薄膜层远离基片200一面反应生成AlF3层，发生半反应A的同时，开启第三气源，通过送气管路180输出惰性气体形成气封，隔绝第一内反应腔131a内侧与第一内反应腔131a外侧，半反应A完成后，关闭第一气源，开启抽气单元，抽气单元通过抽气管路160抽取第一内反应腔131a内侧内经半反应A生成的H2O气体和过量的氢氟酸HF气体，关闭第三气源；
完成半反应A后，穿梭盘120携带基片200从第一内反应腔131a的出口132b驶出，开启第二气源，向位于第一内反应腔131a和第二内反应腔131b之间的环形轨道110上方的吹扫件170输送惰性气体，吹扫件170对穿梭盘120及其携带的基片200进行吹扫；
然后穿梭盘120及携带的基片200经由第二内反应腔131b的进口132a进入第二内反应腔131b内并停留，开启第一气源通过第二内反应腔131b上的输气管路150向第二内反应腔131b内通入Al(CH3)3气体作为前驱体，与基片200上的AlF3层发生半反应B（即第二半反应），去除AlF3层，完成对Al2O3薄膜层的一次原子层刻蚀，发生半反应B的同时，开启第三气源，通过送气管路180输出惰性气体形成气封，隔绝第二内反应腔131b内侧与第二内反应腔131b外侧，半反应B完成后，关闭第一气源，开启抽气单元，抽气单元通过抽气管路160抽取第二内反应腔131b内经半反应B生成的AlF(CH3)2气体和过量的Al(CH3)3气体，关闭第三气源；
完成半反应B后，穿梭盘120携带基片200从第二内反应腔131b的出口132b驶出，开启第二气源，向位于第二内反应腔131b和第三内反应腔131c之间的环形轨道110上方的吹扫件170输送惰性气体，吹扫件170对穿梭盘120及其携带的基片200进行吹扫；
然后穿梭盘120及携带的基片200经由第三内反应腔131c的进口132a进入第三内反应腔131c内并停留，开启第一气源通过输气管路150向第三内反应腔131c内通入氢氟酸HF气体作为前驱体，与基片200上的Al2O3薄膜层发生第二次半反应A，Al2O3薄膜层远离基片200一面反应生成AlF3层，发生半反应A的同时，开启第三气源，通过送气管路180输出惰性气体形成气封，隔绝第三内反应腔131c内侧与第三内反应腔131c外侧，半反应A完成后，关闭第一气源，开启抽气单元，抽气单元通过抽气管路160抽取第三内反应腔131c内经半反应A生成的H2O气体和过量的氢氟酸HF气体，关闭第三气源；
完成半反应A后，穿梭盘120携带基片200从第三内反应腔131c的出口132b驶出，开启第二气源，向位于第三内反应腔131c和第四内反应腔131d之间的环形轨道110上方的吹扫件170输送惰性气体，吹扫件170对穿梭盘120及其携带的基片200进行吹扫；
然后穿梭盘120及携带的基片200经由第四内反应腔131d的进口132a进入第四内反应腔131d内，开启第一气源通过输气管路150向第四内反应腔131d内通入Al(CH3)3气体作为前驱体，与基片200上的AlF3层发生第二次半反应B，去除AlF3层，完成对Al2O3薄膜层的第二次原子层刻蚀，发生半反应B的同时，开启第三气源，通过送气管路180输出惰性气体形成气封，隔绝第四内反应腔131d内侧与第四内反应腔131d外侧，半反应B完成后，关闭第一气源，开启抽气单元，抽气单元通过抽气管路160抽取第四内反应腔131d内经半反应B生成的AlF(CH3)2气体和过量的Al(CH3)3气体，关闭第三气源。
由此，穿梭盘120携带基片200沿环形轨道110运行一周，完成对基片200上的Al2O3薄膜层两次原子层刻蚀，抽真空管道193持续抽取刻蚀空间190a内的气体，开启闸门194，穿梭盘120及其携带的完成原子层刻蚀的基片200从闸门194运行至外反应腔190外侧。如此循环往复，进行偶数次的原子层刻蚀，即可完成相应设计要求的原子层刻蚀次数。
在本实施例中，每个内反应腔131内通入的反应气体的种类为一种，相邻两所述内反应腔131内通入的反应气体的种类相异，例如第一内反应腔131a内和第三内反应腔131c内分别通入的是进行半反应A的前驱体氢氟酸HF气体，第二内反应腔131b内和第四内反应腔131d内分别通入的是进行半反应B的前驱体三甲基铝Al(CH3)3气体，从而保证内反应腔131内的纯净度。内反应腔可以根据特定的前驱体源选择材质，反应中只有单一的前驱体在内反应腔内参与刻蚀反应，可以杜绝交叉污染的状况发生。
此外，本申请所提供的原子层刻蚀装置100还可进行等离子体原子层刻蚀(plasmaALE)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)和热原子层沉积(TALD)，内反应腔131内通入的反应气体可根据具体工艺进行选择。
以上对本申请实施例所提供的一种原子层刻蚀装置及刻蚀方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种原子层刻蚀装置，其特征在于，包括：
两层或两层以上刻蚀空间，每层所述刻蚀空间内形成有至少一个同心布置的环形穿梭路径；
偶数个内反应腔，所述偶数个内反应腔被布置为由至少一个内反应子集构成，每个所述内反应子集包括相邻设置的两个内反应腔，每条所述穿梭路径上布置有至少一个所述内反应子集；
至少一个穿梭盘，每条所述穿梭路径上布置有至少一个所述穿梭盘；以及
至少一传动机构，所述传动机构与所述至少一个穿梭盘传动连接；
其中，每个所述穿梭盘承载有待刻蚀基片，所述传动机构驱动所述至少一个穿梭盘同步周期性转动；每条所述穿梭路径上的每个穿梭盘在所述传动机构驱动下依次穿过该穿梭路径上的所有内反应子集，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片承受至少一次原子层刻蚀；
还包括外反应腔，所述外反应腔用以容纳并密封所述两层或两层以上刻蚀空间；
所述两层或两层以上刻蚀空间沿所述外反应腔的高度方向层叠设置于所述外反应腔内，相邻两层所述刻蚀空间之间通过层板分隔；
所述外反应腔具有沿所述外反应腔高度方向设置的贯穿所述外反应腔的腔道，所述腔道内接隔板以使所述腔道与所述刻蚀空间相隔离，所述刻蚀空间环绕所述腔道；
所述至少一传动机构包括：
同步带，形状为与所述穿梭路径相匹配的环形，所述同步带同心布置于所述穿梭路径内侧，每条所述穿梭路径对应一所述同步带，所述至少一个穿梭盘与所述同步带连接；
至少一个主动轮和两个以上从动轮，所述至少一个主动轮和所述两个以上从动轮间隔排布并分别内接于所述同步带，以顶撑所述同步带形成与所述穿梭路径相匹配的环形；
至少一电机，一所述主动轮对应一所述电机，所述电机布置为驱动所述主动轮带动所述同步带旋转并带动所述至少一个穿梭盘沿所述穿梭路径同步周期性转动。
2.如权利要求1所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，还包括抽气管路，每个所述内反应腔对应一所述抽气管路，所述抽气管路布置成一端伸入所述内反应腔内侧以抽取所述内反应腔内侧的残留气体。
3.如权利要求2所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，还包括喷嘴，每个所述内反应腔的相对两侧壁上分别开设有供所述穿梭盘穿梭的开口，每个所述开口对应一所述喷嘴，所述喷嘴布置成在所述开口处形成气帘以隔绝所述内反应腔内侧与所述内反应腔外侧。
4.如权利要求3所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，每条所述穿梭路径上的所述内反应腔在所述穿梭盘的穿梭路径上两两间隔设置，以将所述穿梭路径分割成被内反应腔覆盖的刻蚀路径以及未被内反应腔覆盖的吹扫路径，每段所述吹扫路径的上方设置一吹扫件，所述吹扫件布置成对穿梭至该段吹扫路径上的穿梭盘上的待刻蚀基片的吹扫。
5.如权利要求4所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，所述每个内反应子集中的所述两个内反应腔被布置为在所述穿梭盘的穿梭方向上游侧的第一内反应腔以及在穿梭方向下游侧的第二内反应腔，每个所述内反应腔内通入的反应气体的种类为一种，所述第一内反应腔和所述第二内反应腔内通入的反应气体的种类相异。
6.如权利要求5所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，还包括输气管路，每个所述内反应腔对应一所述输气管路，所述输气管路布置成向所述内反应腔内侧输送反应气体；所述输气管路上用以输出反应气体的端口为出气端，所述出气端的数量为两个，两出气端间隔设置于所述内反应腔内侧上部；所述两出气端的出气方向交叉。
7.如权利要求6所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，两出气端分别连接有一出气件，所述出气件的出气面上间隔开设有多个出气口，所述多个出气口呈阵列排布。
8.如权利要求1所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，所述外反应腔的侧壁上设置有至少一抽真空管道，一层所述刻蚀空间对应所述至少一抽真空管道，所述抽真空管道布置成一端伸入所述刻蚀空间内侧以抽取所述刻蚀空间内的气体。
9.如权利要求8所述的原子层刻蚀装置，其特征在于，所述外反应腔的侧壁上设置有用以取出位于所述刻蚀空间内侧的基片的闸门。
10.一种如权利要求1~9任一项所述的原子层刻蚀装置的刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置至少一层刻蚀空间，并在每层所述刻蚀空间内布置至少一个同心设置环形穿梭路径；
配置偶数个内反应腔，所述偶数个内反应腔被布置为由至少一个内反应子集构成，每个所述内反应子集包括相邻设置的两个内反应腔，在每条所述穿梭路径上布置至少一个所述内反应子集；
配置至少一个穿梭盘，在每条所述穿梭路径上布置至少一个所述穿梭盘；
将每个所述穿梭盘放置于相应一个内反应子集的上游侧的穿梭路径上，每个所述内反应子集中的两个内反应腔被布置为在相应穿梭方向上游侧与下游侧的第一内反应腔与第二内反应腔；
同步驱动每个所述穿梭盘进入相应的所述第一内反应腔并滞留预设的第一反应时间；
向所述第一内反应腔内通入第一刻蚀反应气体，使得第一刻蚀反应气体与穿梭盘上的待刻蚀基片的表面发生原子层刻蚀反应中的第一半反应；
当所述第一半反应完成后，同步驱动每个所述穿梭盘进入相应的所述第二内反应腔并滞留预设的第二反应时间；
向所述第二内反应腔内通入第二刻蚀反应气体，使得第二刻蚀反应气体与穿梭盘上的待刻蚀基片的表面发生原子层刻蚀反应中的第二半反应；
驱使每条所述穿梭路径上的每个穿梭盘依次穿过该穿梭路径上的其余内反应子集，使得每个穿梭盘每转过一周其上承载的待刻蚀基片发生至少一次原子层刻蚀。
11.如权利要求10所述的原子层刻蚀方法，其特征在于，当所述穿梭盘停留在所述第一内反应腔内时，向所述第一内反应腔的开口处通入气封气体以在所述第一内反应腔的开口处形成气帘；
当所述穿梭盘停留在所述第二内反应腔内时，向所述第二内反应腔的开口处通入气封气体以在所述第二内反应腔的开口处形成气帘。
12.如权利要求10所述的原子层刻蚀方法，其特征在于，当所述第一半反应完成后，抽取所述第一内反应腔室内的残留气体；
当所述第二半反应完成后，抽取所述第二内反应腔室内的残留气体。
13.如权利要求10所述的原子层刻蚀方法，其特征在于，当所述穿梭盘在相邻的两个内反应腔之间的穿梭路径上运行时，向所述刻蚀空间内通入吹扫气体吹扫所述穿梭盘及其承载的所述待刻蚀基片。
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