CN116959947B - 一种等离子体刻蚀装置及一种刻蚀碳膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体刻蚀装置及一种刻蚀碳膜的方法，所述等离子刻蚀装置在刻蚀仓内部设置有加热盘、射频线圈以及位于两者之间的且具有贯穿上下表面的孔的多孔挡板；所述装置通过使等离子体穿过多孔挡板再轰击到待刻蚀物上，来调整并优化等离子的刻蚀强度和作用，平衡刻蚀中心与刻蚀边缘的刻蚀效果，使刻蚀更加平稳而均匀，进而可以精准控制刻蚀过程，在有效去除刻蚀目标的同时，防止过度刻蚀，有效保护衬底。进一步地，本发明通过配有翻转机构和/或伸缩机构来控制多孔挡板，实现其对等离子体阻挡作用的打开或关闭，进而可以选择性地使用多孔挡板或不使用多孔挡板来进行刻蚀，以形成更加灵活且具有针对性的刻蚀工艺过程。

Description

一种等离子体刻蚀装置及一种刻蚀碳膜的方法
技术领域
本发明属于半导体器件制造领域，涉及一种膜的加工设备和加工工艺，尤其涉及一种等离子体刻蚀装置及一种刻蚀碳膜的方法。
背景技术
化学机械抛光是一种常见的去除碳膜的衬底表面处理方法，其是在大气环境下，将待抛光衬底在一定的压力及抛光液（由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液）的下，相对于一个抛光垫作旋转运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对衬底表面碳膜的去除，并获得光洁衬底表面。该方法需要强氧化性物质及酸碱溶液，因而具有环保的问题，且不可避免地会对衬底出现过去除，甚至会造成衬底表面均匀性变差。
气相化学反应，是另外一种常见去除碳膜的衬底表面处理方法，其是将待去除碳膜的衬底放置在加热装置上，借助氧气与碳膜在高温下的反应来完成对衬底表面碳膜的去除。该方法所需温度较高（通常500℃以上），不符合绿色生产的要求，且去除速率较慢（仅200Å/min），生产效率低下。
电感耦合反应等离子体被证明具有刻蚀作用，且该方法不仅避免能源过度浪费还能避免出现污染物而实现高效去除。电感耦合反应等离子体蚀刻的基本原理是，在一定真空环境下，将覆盖碳膜的衬底置于含氧等离子体氛围中，利用氧等离子体与碳膜发生反应，生成气体化合物，如化学式为C+O2→CO2+2e，e为被离子化丢失的电子，进而将碳膜去除。
CN101058894A公开了一种去除类金刚石碳膜的方法，该方法先以氧等离子体轰击工件表明的含氢类金刚石碳膜，使其局部脱落，再将工件作为阳极在酸性溶液中进行电解直至所述类金刚石碳膜完全脱落。该发明是在等离子体刻蚀的基础上额外进行电解才能去除碳膜，而并不是单纯使用等离子体刻蚀工艺。
CN115679330A公开了一种红外类碳膜底板褪膜处理方法，将镀过膜的底板放入类金刚石镀膜机内，抽真空后，将膜机功率设置为600～800W，通入氧气，打开射频电源进行褪膜处理，需要工作1000~1200s后完成褪膜处理。该方案较为基础，碳膜去除速率较慢，且射频产生的等离子体对碳膜底板长时间的直接轰击，易造成底板损伤。
因此，尚需要开发一种新的等离子体刻蚀方案，以便于能快速去除碳膜的同时，避免衬底被轰击破坏，提升刻蚀质量与刻蚀效率。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种等离子体刻蚀装置及一种刻蚀碳膜的方法，所述等离子刻蚀装置在刻蚀仓内部设置有加热盘、射频线圈以及位于两者之间的且具有贯穿上下表面的孔的多孔挡板；通过设置所述多孔挡板，使得等离子体通过多孔挡板再轰击到待刻蚀物上，从而调整并优化等离子的刻蚀强度和作用，平衡刻蚀中心与刻蚀边缘的刻蚀效果，使刻蚀更加平稳而均匀，进而使用所述装置进行刻蚀时，可以精准控制刻蚀过程，有效去除刻蚀目标的同时，防止过度刻蚀，有效保护衬底。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种等离子体刻蚀装置，所述等离子体刻蚀装置包括：
刻蚀仓，具有可形成真空的内腔以及连通内腔的进气口及出气口；
加热盘，设置于内腔的底部，用于承载待刻蚀物，并对其进行加热；
射频线圈，设置于内腔的上部，所述加热盘的上方；
多孔挡板，具有贯穿上下表面的孔，设置于所述加热盘与所述射频线圈之间。
使用未设置所述多孔挡板的现有等离子发生/刻蚀装置时，如图13所示，当装置内将刻蚀气变为等离子体进行刻蚀时，在刻蚀气压强的作用下，其作用于待刻蚀物中心位置的等离子体浓度偏高（图中中心箭头），且从中心向边缘浓度逐渐减低（图中两侧箭头），使得等离子体的物理和化学作用随空间位置的不同而不同，导致刻蚀速率和效果不均匀，容易造成中心位置过度刻蚀而损伤衬底，但边缘位置仍未刻蚀完全的问题。
而本发明通过设置所述多孔挡板，使得等离子体通过多孔挡板再轰击到待刻蚀物上，由于多孔挡板上非孔区域的遮挡，等离子体的碰撞次数增加，在碰撞中失去了大量的能量，再透过多孔挡板上的孔轰击到加热盘的待刻蚀物时，可以降低等离子体的物理作用。即，通过设置多孔挡板调整并优化等离子体的刻蚀强度和作用，平衡待刻蚀中心与待刻蚀边缘的刻蚀效果，使刻蚀更加平稳而均匀，因此，使用所述装置进行刻蚀时，可以精准控制刻蚀过程，在有效去除刻蚀目标的同时，能防止过度刻蚀，有效保护衬底。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述多孔挡板的外轮廓与所述刻蚀仓的外轮廓形状相同。
优选地，所述多孔挡板的外轮廓为圆形。
优选地，所述多孔挡板在所述加热盘上的正投影的尺寸大于等于待刻蚀物的尺寸。
优选地，所述待刻蚀物的外轮廓的外接圆的直径为2~12英寸，例如2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、7英寸、8英寸、9英寸、10英寸、11英寸或12英寸等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述孔的形状包括圆形。
优选地，所述孔的密度为8~100个/英寸，例如8个/英寸、10个/英寸、15个/英寸、20个/英寸、25个/英寸、30个/英寸、35个/英寸、40个/英寸、45个/英寸、50个/英寸、55个/英寸、60个/英寸、65个/英寸、70个/英寸、75个/英寸、80个/英寸、85个/英寸、90个/英寸、95个/英寸或100个/英寸等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述孔的外接圆的直径为1~50mm，例如1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，沿着所述多孔挡板的中心至边缘的方向，所述孔的外接圆的直径逐渐增大。
优选地，沿着所述多孔挡板的中心至边缘的方向，所述孔的外接圆的直径记为Rn，Rn=R0+k*D，其中n≥1且为整数，R0为最小设计直径，k为增量系数，D为对应的孔的外接圆的圆心与多孔挡板的中心的直线距离。
需要说明的是，直径Rn的增大是根据对应孔的位置，由多孔挡板的内部向外部线性增加，Rn、R0及D的单位优选为“mm”进行计算。
优选地，所述多孔挡板的孔的总面积占所述多孔挡板的总面积的20%~80%，例如20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%或80%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
多孔挡板的孔密度及孔径大小会影响等离子体对碳膜的物理作用，当孔密度较小或孔径较小时，等离子体的物理作用能力较弱，当增加孔的密度或数量或增加孔径时，等离子体的物理作用能力会有所提升；孔密度及孔径参数应要保证多孔挡板对等离子体具有削弱作用，但也应保证透过多孔挡板的等离子体仍然具有良好的刻蚀能力和效果。本发明不限定多孔挡板上孔的形状，孔形状对等离子体无明显影响。
进一步地，可以依据等离子体在待刻蚀中心浓度偏高，待刻蚀边缘浓度偏低的分布特点进行调整，对多孔挡板上的孔径大小做出对应的调整，设置越靠近中心的孔的孔径越小，越远离中心越靠近边缘的孔的孔径越大；当等离子体的浓度变化沿半径向边缘线性变化时，孔径的变化也优选为由中心向边缘线性增加，从而使得多孔挡板对等离子体刻蚀效果的改善作用更加均匀。
作为本发明优选的技术方案，所述刻蚀仓内设有高度调节装置，所述高度调节装置用于调整所述多孔挡板与所述待刻蚀物之间的相对距离。
优选地，所述多孔挡板与所述加热盘上表面的垂直距离占所述射频线圈与所述加热盘上表面之间的垂直距离的1%~10%，例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述加热盘上表面是指更靠近所述多孔挡板的表面。
射频线圈与碳膜距离越近时，直接作用于碳膜的等离子体份额越多，也可以通过调整多孔挡板的高度，来间接调节等离子体的物理作用衰减的时机，进而更加精细地控制加热盘与射频线圈之间的空间开合所产生的不同的等离子体刻蚀效果。
作为本发明优选的技术方案，所述内腔中设置至少两层所述多孔挡板，相邻两层多孔挡板平行放置；
优选地，相邻两层多孔挡板之间的垂直距离为1~50mm，例如1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，相邻两层多孔挡板的孔在加热盘上的垂直正投影不重合。
本发明通过设置至少两层平行的多孔挡板，进一步减弱通过多层多孔挡板后的等离子体的物理作用，并进一步实现其浓度的均匀分布；此时，优选相邻两层的多孔挡板的孔位置不重合，从而增加路径的复杂程度，增加等离子体的碰撞次数；在相同的释放压力下，相邻两层多孔挡板之间的间距越大，空间的复杂程度越大，在间距空间中扩散混合均匀所需的时间越长，因此，相邻两层多孔挡板之间的间距应尽量较小。
作为本发明优选的技术方案，所述多孔挡板且具有翻转机构和/或伸缩机构，用于调整多孔挡板自身的姿态从而控制加热盘与射频线圈之间的空间的开合。
需要说明的是，通过多孔挡板对等离子体的刻蚀效果进行优化时，其刻蚀速率相比于不设置多孔挡板有所降低，而为了满足更复杂的工艺加工要求，本发明通过设置具有翻转机构和/或伸缩机构多孔挡板，来调整多孔挡板的翻转与伸缩，从而控制加热盘与射频线圈之间的空间的开合，进而可以选择性地使用多孔挡板或不使用多孔挡板，以形成更加灵活且具有针对性的刻蚀工艺过程。
当多孔挡板翻转或收缩时，加热盘与射频线圈之间的空间的打开，射频线圈产生的等离子体直接轰击在加热盘上的碳膜表面；当多孔挡板落回或伸出时，加热盘与射频线圈之间的空间的闭合，射频线圈产生的等离子体需要穿过多孔挡板再轰击到加热盘上的碳膜的表面，此时物理刻蚀作用减弱，但在加热盘的辅助下，仍能以较高的刻蚀速率进行。
优选地，每层所述多孔挡板由至少两块子板拼接构成，拼接形成的多孔挡板具有一个最靠近中心部位的拼接重合点。
优选地，所述多孔挡板为圆形板，由四块等分的扇形子板构成，所述拼接重合点为圆心。
优选地，所述子板中靠近所述拼接重合点的端部设置有提拉线，所述提拉线的另一端与驱动机构相连，构成翻转机构，所述提拉线用于控制所述子板沿提拉线的运动方向翻转或回落，使所述加热盘与所述射频线圈之间的空间打开或闭合。
优选地，所述子板具有固定部和伸缩部，所述固定部远离所述拼接重合点，所述固定部的内部具有容纳空间，所述容纳空间内设置有移动件，所述移动件上设置有伸缩部，构成伸缩机构，所述伸缩部通过所述移动件朝向所述拼接重合点伸出或远离所述拼接重合点缩回，使得所述加热盘与所述射频线圈之间的空间闭合或打开。
本发明不具体限定翻转机构及伸缩机构的具体形式，只要所述翻转机构及伸缩机构具有能控制所述多孔挡板的打开或关闭的功能，而可以选择地使射频线圈产生的等离子体直接作用在刻蚀目标或需要穿过多孔挡板后再作用于刻蚀目标上都适用于本方案。
作为本发明优选的技术方案，所述刻蚀仓包括石英刻蚀仓。
优选地，所述石英刻蚀仓的外轮廓为圆形。
优选地，所述进气口连接刻蚀气源。
优选地，所述进气口还连接保护气源。
优选地，所述出气口连接抽气泵。
优选地，所述射频线圈包括电感线圈。
第二方面，本发明提供了一种刻蚀碳膜的方法，所述方法使用第一方面所述的等离子体刻蚀装置进行，所述方法包括如下步骤：
将带有待刻蚀碳膜的衬底置于加热盘上，待刻蚀碳膜朝向射频线圈放置，加热至目标温度并抽真空至目标真空度，从进气口通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体并通过所述多孔挡板的孔对待刻蚀碳膜进行刻蚀。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括：
当待刻蚀碳膜的初始厚度≥预设薄厚临界值时，利用翻转机构和/或伸缩机构控制多孔挡板，使加热盘与射频线圈之间的空间打开，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，进行第一刻蚀，去除部分碳膜，再控制多孔挡板使加热盘与射频线圈之间的空间闭合，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，并通过所述多孔挡板的孔进行第二刻蚀，去除剩余部分的碳膜；
或，当待刻蚀碳膜的初始厚度＜预设薄厚临界值时，利用翻转机构和/或伸缩机构控制多孔挡板，使加热盘与射频线圈之间的空间闭合，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，并通过所述多孔挡板的孔进行第二刻蚀，去除所有碳膜；
所述预设薄厚临界值取自1000~2000Å，例如可以使1000Å、1100Å、1200Å、1300Å、1400Å、1500Å、1600Å、1700Å、1800Å、1900Å或2000Å等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
即，本发明根据待刻蚀碳膜的厚度进行不同的刻蚀过程：
当待刻蚀碳膜较厚时，可以先不使用多孔挡板，目的在于以较快的刻蚀速率快速去除大部分碳膜，以缩短刻蚀时间；具体地，此时所述方法可以分为两步进行：第一步，翻转（收缩）多孔挡板，等离子体以较强的物理及化学作用直接轰击于碳膜表面，在加热盘的辅助加热下，该步可实现较高的刻蚀速率（去除碳膜速率≥1500Å/min），该步去除量应保证碳膜有少量剩余，尤其是要在待刻蚀中心保留剩余碳膜，以防衬底过早暴露；第二步，落回（伸出）多孔挡板，氧等离子体需要穿过多孔挡板，效降低等离子轰击覆盖碳膜衬底表面的物理作用，此时以较弱的物理及较强的化学作用于碳膜表面，在加热盘的辅助加热下，该步亦可实现较高的刻蚀速率（去除碳膜速率≥1000Å/min），本发明分利用多孔挡板分为两步刻蚀的策略，不仅能快速去除碳膜，还能有效避免衬底被轰击破坏，避免物理损伤；
当待刻蚀碳膜较薄时，可以直接使用多孔挡板进行刻蚀，在加热盘的辅助下，同样能实现较高的刻蚀速率（去除碳膜速率≥1000Å/min），且由于多孔挡板的优化效果，可以保证刻蚀均匀，从而有效去除完整的碳膜，且不损伤衬底。
当待刻蚀碳膜的初始厚度不均匀时，优选以碳膜中心的厚度值为准。
作为本发明优选的技术方案，所述第一刻蚀的刻蚀速率≥1500Å/min，例如可以是1500Å/min、1550Å/min、1600Å/min、1650Å/min、1700Å/min、1750Å/min、1800Å/min、1850Å/min、1900Å/min、1950Å/min或2000Å/min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二刻蚀的刻蚀速率≤1000Å/min，例如1000Å/min、950Å/min、900Å/min、850Å/min、800Å/min、750Å/min、700Å/min、650Å/min、600Å/min、550Å/min、500Å/min、450Å/min、400Å/min、350Å/min、300Å/min、250Å/min、200Å/min、150Å/min或100Å/min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一刻蚀结束后，所述第二刻蚀进行前，待刻蚀碳膜的中心位置的厚度≥30Å，例如30Å、35Å、40Å、45Å、50Å、55Å、60Å、65Å、70Å、75Å或80Å等。优选为30~40Å，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
需要说明的是，当待刻蚀碳膜较厚时，第一刻蚀的结束后要保留一定量的碳膜，但是本发明不对具体的保留量加以限制，以上优选的厚度≥30Å是因为厚度检测仪器的检测下限通常在30~40Å，更薄的膜层无法测得其真实值，误差较大。因此，第一刻蚀的过程中或结束后可以通过检测中心膜厚是否≥30Å，来调整第一刻蚀的具体刻蚀时间；
如图14所示，由于第一刻蚀对中心部位的刻蚀速度较快，保证中心部位留有一定量的碳膜，则可以保证边缘部位也存在一定量的碳膜，因此，第一刻蚀的时间以中心部位的膜厚度变化来计算，设碳膜中心位置的初始膜厚为A，第一刻蚀结束后中心部位的碳膜厚度为X，边缘部位的碳膜厚度为Y，第一阶段的刻蚀速度为RRa，第一刻蚀的时间为ta，则第一刻蚀满足以下关系：A-RRa*ta=X＞0，根据该公式，可以通过中心部位的膜厚达到目标值，来确定第一刻蚀的时间ta，进而通过公式计算出第一刻蚀的刻蚀速率RRa；
当第一刻蚀结束后，进行第二刻蚀时，此时的碳膜边缘最厚，第二刻蚀的目标在于去除全部碳膜，因此在第二刻蚀的过程中，中心部位的碳膜已刻蚀完毕时，边缘部位的碳膜仍有余量，继续保持第二刻蚀直至边缘部位的碳膜完全去除时，中心部位的衬底将暴露于等离子体中，即第二刻蚀的时间以边缘部位的膜厚度变化进行计算，其相对于中心部位的膜是过量的，但是，本发明中的第二刻蚀的过程经过了多孔挡板的优化，所以过量的第二刻蚀过程并不会对衬底造成严重影响和破坏。设第二刻蚀的时间为tb，第二刻蚀的刻蚀速率为RRb，则第二刻蚀满足以下关系Y=RRb*tb。
如图15所示，当待刻蚀碳膜较薄时，不采用第一刻蚀而直接进行第二刻蚀，考虑到第二刻蚀在多孔挡板的作用下更加均匀可控且对衬底无损伤，因此，此时的第二刻蚀的刻蚀时间直接以碳膜的初始厚度A进行计算，即满足A=RRb*tb。
作为本发明优选的技术方案，所述衬底的外轮廓为圆形，直径为2~12英寸，例如2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、7英寸、8英寸、9英寸、10英寸、11英寸或12英寸等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述衬底包括SiC、Si、SiO2、Ge、GaAs、InP、GaN、铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）、Ga2O3或石英中的任意一种或至少两种的组合，例如SiC与Si的组合、SiC与SiO2的组合、SiC与Ge的组合、SiC与GaAs的组合、SiC与InP的组合、SiC与GaN的组合、SiC与Ga2O3的组合、SiC与石英的组合、Si与SiO2的组合、Si与Ge的组合、Si与GaAs的组合、Si与InP的组合、Si与GaN的组合、Si与Ga2O3的组合、Si与石英的组合、Ge与石英的组合、GaAs与石英的组合、InP与石英的组合、GaN与石英的组合或Ga2O3与石英的组合。
优选地，所述目标温度为120~300℃，例如120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述目标真空度为10~10000mtorr，例如10mtorr、50mtorr、100mtorr、200mtorr、500mtorr、800mtorr、1000mtorr、1500mtorr、2000mtorr、2500mtorr、3000mtorr、3500mtorr、4000mtorr、4500mtorr、5000mtorr、5500mtorr、6000mtorr、6500mtorr、7000mtorr、7500mtorr、8000mtorr、8500mtorr、9000mtorr、9500mtorr或10000mtorr等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述刻蚀气包括氧气。
优选地，所述刻蚀气的流速独立地选自400~2000sccm，例如400sccm、500sccm、600sccm、700sccm、800sccm、900sccm、1000sccm、1100sccm、1200sccm、1300sccm、1400sccm、1500sccm、1600sccm、1700sccm、1800sccm、1900sccm或2000sccm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，开启射频前，维持刻蚀气通入10~100s，例如10s、20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s或100s等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
开启射频前，提前通入刻蚀气并维持一定时间，有利于稳定刻蚀气的流速，进而稳定化生成刻蚀气等离子体。
优选地，所述射频的频率为12~14MHz，例如12MHz、12.2MHz、12.4MHz、12.6MHz、12.8MHz、13MHz、13.2MHz、13.4MHz、13.6MHz、13.8MHz或14MHz，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述射频的功率独立地选自200~2000W，例如200W、300W、400W、500W、600W、700W、800W、900W、1000W、1100W、1200W、1300W、1400W、1500W、1600W、1700W、1800W、1900W或2000W等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述待刻蚀碳膜刻蚀完毕后，关闭射频，通入氮气，恢复气压后，取出刻蚀完毕的衬底。
优选地，所述保护气包括氮气。
优选地，通过所述出气口排出刻蚀产物。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
（1）本发明通过设置所述多孔挡板，使得等离子体通过多孔挡板再轰击到待刻蚀物上，从而调整并优化等离子的刻蚀强度和作用，平衡刻蚀中心与刻蚀边缘的刻蚀效果，使刻蚀更加平稳而均匀，进而使用所述装置进行刻蚀时，可以精准控制刻蚀过程，有效去除刻蚀目标的同时，防止过度刻蚀，有效保护衬底；
（2）本发明进一步通过设置具有翻转机构和/或伸缩机构的多孔挡板，调整多孔挡板的翻转与伸缩来控制加热盘与射频线圈之间的空间的开合，可以选择性地使用多孔挡板或不使用多孔挡板，以针对不同厚度的待刻蚀物形成更加灵活且具有针对性的刻蚀工艺过程；
（3）本发明所述方法在碳膜较厚时，先使等离子体直接对碳膜进行部分刻蚀，缩短刻蚀整体工艺时间，再通过多孔挡板的阻隔，对剩余碳膜进行第二次刻蚀，保证刻蚀均匀，实现碳膜的有效去除且不损伤衬底；当碳膜较薄时，直接通过多孔挡板进行刻蚀，在加热盘进行辅助加热下，能以较高的刻蚀速率进行均匀刻蚀，实现碳膜的有效去除且不损伤衬底；所述方法具备优异的单一性，保证了工艺重复性及稳定性，且无需电解额外的步骤，有利于节省成本，提高生产效率，便于实现大规模生产及应用。
附图说明
图1是实施例1的等离子体刻蚀装置的示意图；
图2是图1中的多孔挡板的孔分布示意图；
图3是实施例2的等离子体刻蚀装置的示意图；
图4是图3中的多孔挡板的孔分布示意图；
图5是实施例3的等离子体刻蚀装置的示意图；
图6是实施例3中靠近射频线圈的多孔挡板的孔分布示意图；
图7是实施例3中靠近加热盘的多孔挡板的孔分布示意图；
图8是实施例3中两层多孔挡板的透视图；
图9是实施例4的等离子体刻蚀装置的示意图；
图10是实施例4中靠近射频线圈的多孔挡板的孔分布示意图；
图11是实施例4中靠近加热盘的多孔挡板的孔分布示意图；
图12是实施例4中两层多孔挡板的透视图；
图13为不使用多孔挡板时装置内等离子体运动及浓度分布示意图；
图14为当待刻蚀碳膜较厚时，第一刻蚀与第二刻蚀对碳膜的刻蚀过程示意图；
图15为当刻蚀碳膜较薄时，第二刻蚀对碳膜的刻蚀过程示意图；
图16为碳膜厚度量测点位示意图；
图中：1-进气口、2-射频线圈、3-刻蚀仓、4-多孔挡板、5-带有碳膜的衬底、6-出气口、7-加热盘。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，如图1所示，所述等离子刻蚀装置包括：
刻蚀仓3，由外轮廓为圆形的石英制成，具有内腔以及连通内腔的进气口1及出气口6，所述出气口6连接抽气泵；所述进气口1连接氧气气源及氮气气源；所述出气口6用于刻蚀尾气排出；
加热盘7，设置于内腔的底部，用于放置带有碳膜的衬底5，并对其进行加热；
射频线圈2，为电感线圈，设置于内腔的上部，所述加热盘7的上方；
多孔挡板4，如图2所示，外轮廓为圆形，尺寸为6英寸，其上设置有600个横纵均匀分布的孔构成的孔阵列，所述孔贯穿多孔挡板4的上下表面，孔的形状为圆形，直径为6mm；孔的总面积占多孔挡板4的面积的54%；
高度调节支架，所述多孔挡板4设置于所述高度调节支架上，使得所述多孔挡板4位于内腔中所述加热盘7与所述射频线圈2之间的空间中，所述高度调节装置用于调整所述多孔挡板4与待刻蚀物（带有碳膜的衬底5）之间的相对距离，使所述多孔挡板4与加热盘7的上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间的垂直距离的5%；
所述多孔挡板4由四块等分的扇形子板拼接构成，拼接形成的多孔挡板4的圆心为拼接重合点；所述子板中靠近所述拼接重合点的端部设置有提拉线，所述提拉线的另一端与高度调节支架中的驱动机构相连，构成翻转机构，所述提拉线用于控制所述子板沿提拉线的运动方向翻转或回落（运动方向如图1中的双向箭头所示），使所述加热盘7与所述射频线圈2之间的空间打开或闭合。
实施例2
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，如图3所示，所述等离子刻蚀装置包括：
刻蚀仓3，由外轮廓为圆形的石英制成，具有内腔以及连通内腔的进气口1及出气口6，所述出气口6连接抽气泵；所述进气口1连接氧气气源及氮气气源；所述出气口6用于刻蚀尾气排出；
加热盘7，设置于内腔的底部，用于放置带有碳膜的衬底5，并对其进行加热；
射频线圈2，为电感线圈，设置于内腔的上部，所述加热盘7的上方；
多孔挡板4，如图4所示，外轮廓为圆形，尺寸为6英寸，其上设置有600个横纵均匀分布的孔构成的孔阵列，所述孔贯穿多孔挡板4的上下表面，孔的形状为圆形，直径为6mm；孔的总面积占多孔挡板4的面积的54%；
高度调节支架，所述多孔挡板4设置于所述高度调节支架上，使得所述多孔挡板4位于内腔中所述加热盘7与所述射频线圈2之间的空间中，所述高度调节装置用于调整所述多孔挡板4与待刻蚀物（带有碳膜的衬底5）之间的相对距离，使所述多孔挡板4与加热盘7上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间垂直距离的5%；
所述多孔挡板4由四块等分的扇形子板拼接构成，拼接形成的多孔挡板4的圆心为拼接重合点；所述子板具有固定部（图4中实线框的以外远离圆心的部分）和伸缩部（图4中实线框的以内靠近圆心的部分），所述固定部远离所述拼接重合点，所述固定部的内部具有容纳空间，所述容纳空间内设置有移动件，所述移动件上设置有伸缩部，构成伸缩机构，所述伸缩部通过所述移动件朝向所述拼接重合点伸出或远离所述拼接重合点缩回（伸缩方向如图4中的双向箭头所示），使得所述加热盘7与所述射频线圈2之间的空间的闭合或打开。
实施例3
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，如图5所示，所述等离子体刻蚀装置中设置有两层上下平行放置的所述多孔挡板4，且两层多孔挡板4之间的垂直距离为25mm，图6所示为靠近射频线圈2的多孔挡板4的孔分布示意图，图7所示为靠近加热盘7的多孔挡板4的孔分布示意图，图8为两层多孔挡板4的透视图，两层所述多孔挡板4上的孔的位置不重合，除以上外，其他条件与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，如图9所示，所述等离子体刻蚀装置中设置有两层上下平行放置的所述多孔挡板4，且两层多孔挡板4之间的垂直距离为25mm，图10所示为靠近射频线圈2的多孔挡板4的孔分布示意图，图11所示为靠近加热盘7的多孔挡板4的孔分布示意图，图12为两层多孔挡板4的透视图，两层所述多孔挡板4上的孔的位置不重合，双向箭头所示为伸缩方向，除以上外，其他条件与实施例2完全相同。
实施例5
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，与实施例3所提供的装置相比，本实施例中将两层多孔挡板4之间的垂直距离由25mm调整为1mm，除此之外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例6
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，与实施例3所提供的装置相比，本实施例中将两层多孔挡板4之间的垂直距离由25mm调整为50mm，除此之外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例7
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，与实施例3所提供的装置相比，本实施例中将两层多孔挡板4之间的垂直距离由25mm调整为0.5mm，除此之外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例8
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，与实施例3所提供的装置相比，本实施例中将两层多孔挡板4之间的垂直距离由25mm调整为55mm，除此之外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例9
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，所述等离子刻蚀装置将多孔挡板4与加热盘7上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间的垂直距离由5%变为1%外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例10
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，所述等离子刻蚀装置将多孔挡板4与加热盘7上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间的垂直距离由5%变为10%外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例11
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，所述等离子刻蚀装置将多孔挡板4与加热盘7上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间的垂直距离由5%变为0.5%外，其他条件与实施例3完全相同。
实施例12
本实施例提供了一种等离子体刻蚀装置，所述等离子刻蚀装置将多孔挡板4与加热盘7上表面之间的垂直距离占所述射频线圈2与加热盘7上表面之间的垂直距离由5%变为12.0%外，其他条件与实施例3完全相同。
以下应用例及对比应用例使用两种带有碳膜的衬底A及B，均为碳膜覆盖的SiC衬底，衬底A的碳膜的初始厚度为2600Å，衬底B的碳膜的初始厚度为900Å。
应用例1
本应用例提供了一种刻蚀碳膜的方法，分别使用实施例1-12的等离子刻蚀装置进行如下步骤：
将加热盘升温至目标温度150℃并稳定的状态下，将带有碳膜的衬底A或衬底B以碳膜朝向射频线圈的方向放置于加热盘上，关闭内腔，抽真空至目标真空度50mtorr；
对于衬底A：利用翻转机构或伸缩机构，控制多孔挡板翻转或收缩，使加热盘与射频线圈之间的空间打开，以2000sccm的流速从进气口通入20s的氧气，设定射频的频率为13.56MHz，功率独立地选自1000W，开启射频，保持氧气的通入及通入流速，将氧气等离子体化，使氧等离子直接对衬底表面的碳膜进行第一蚀刻，保证碳膜有少量剩余；利用翻转机构和/或伸缩机构，控制多孔挡板落回或伸出，使加热盘与射频线圈之间的空间闭合，维持氧气的流速、射频的频率及功率不变，使氧等离子体通过多孔挡板后对衬底表面的碳膜进行第二蚀刻，去除剩余质量份的碳膜，刻蚀结束后，将氮气通入石英内腔，使内腔恢复至大气压，打开内腔，取出已蚀刻完毕碳膜的衬底；
对于衬底B：利用翻转机构和/或伸缩机构，控制多孔挡板落回或伸出，使加热盘与射频线圈之间的空间闭合，以2000sccm的流速从进气口通入15s的氧气，设定射频的频率为13.56MHz，功率独立地选自1000W，开启射频，保持氧气的通入及通入流速，将氧气等离子体化，使氧等离子体通过多孔挡板后对衬底表面的碳膜进行第二蚀刻，去全部的碳膜，刻蚀结束后，将氮气通入石英内腔，使内腔恢复至大气压，打开内腔，取出已蚀刻完毕碳膜的衬底。
对比应用例1
本对比应用例提供了一种刻蚀碳膜的方法，使用实施例3的等离子刻蚀装置，所述方法在刻蚀衬底A或衬底B时，不进行多孔挡板的落回或伸出，使得加热盘与射频线圈之间的空间始终处于打开的状态，即，在第一刻蚀的条件下完成碳膜的整个刻蚀过程，除此之外，其他条件与应用例1完全相同。
对比应用例2
本对比应用例提供了一种刻蚀碳膜的方法，使用实施例3的等离子刻蚀装置，所述方法不对加热盘进行加热，即在将目标温度由150℃调整为室温25℃，除此之外，其他条件与应用例1完全相同。
表1记录了应用例1及对比应用例1中对衬底A或衬底B进行刻蚀的相关结果：
（1）碳膜厚度由显微分光膜厚仪量测，量测位点如图16所示，图中阿拉伯数字1~9代表9个测试位点；
（2）记录应用例及对比应用例刻蚀所用时间，第一刻蚀时间记为“ta”，第一刻蚀的平均刻蚀速率记为“RRa”，第二刻蚀时间记为“tb”；第二刻蚀的平均刻蚀速率记为“RRb”；第二刻蚀结束后，记9个位点中的厚度最大值为MAX（RRb），厚度最小值为Min（RRb），第二刻蚀的刻蚀速率均匀性记为“U”，单位：%，则U=(MAX（RRb）- Min（RRb）)/2/ RRb；当不进行第一刻蚀或第二刻蚀时，对应时间及刻蚀速率记为“/”；
（3）表示衬底表面粗糙度的Ra通过原子力显微镜进行量测，量测点位与显微分光膜厚仪量测位点一致，设9个位点的Ra平均值在镀碳膜前及刻蚀后的差值为R，R越小则表示物理损伤越小，相反越大。
由表1可以看出：
对比实施例1和2，因为仅所用多孔挡板驱动方式不同，所以刻蚀速率及其均匀性、粗糙度差值数值大小接近；
对比实施例1与实施例3，及实施例2与实施例4，实施例3及4所用多孔挡板为双层挡板，虽然出现了少量刻蚀速率下降的情况，但是其具有较高的刻蚀速率均匀性且几乎不存在对底部衬底造成的物理伤害；
相比于实施例3，实施例5由于双层多孔挡板间距的减小，出现刻蚀速率加快及其均匀性变差但物理作用效果增强的情况；相比于实施例3，实施例6由于双层多孔挡板间距的增大，出现刻蚀速率减慢，均匀性及物理作用效果不变的情况；相比于实施例3，实施例7由于双层多孔挡板之间的间距较小，刻蚀速率明显增大及其均匀性变差且物理作用效果明显增强；相比于实施例3，实施例8由于双层多孔挡板之间的间距较大，出现刻蚀速率明显降低及其均匀性不变、物理作用效果不变的情况；
相比于实施例3，实施例9由于多孔挡板与加热盘之间的垂直距离占所述射频线圈与加热盘之间的垂直距离变小，出现刻蚀速率增大及其均匀性几乎不变但物理作用效果增大的情况；相比于实施例3，实施例10由于多孔挡板与加热盘之间的垂直距离占所述射频线圈与加热盘之间的垂直距离变大，出现刻蚀速率减小及其均匀性变差、物理作用效果几乎不变的情况；相比于实施例3，实施11由于多孔挡板与加热盘之间的垂直距离占所述射频线圈与加热盘之间的垂直距离明显变小，出现刻蚀速率明显增大及其均匀性几乎一致、物理作用效果明显增大的情况；相比于实施例3，实施例12由于多孔挡板与加热盘之间的垂直距离占所述射频线圈与加热盘之间的垂直距离明显变大，出现刻蚀速率明显减小及其均匀性明显变差、物理作用效果不变的情况；
相比于实施例3，对比应用例1由于未使用挡板，离子体直接作用于覆盖碳膜的衬底，相当于全程进行第一刻蚀，此时U(%)如下进行计算：第一刻蚀结束后，记9个位点中的厚度最大值为MAX（RRa），厚度最小值为Min（RRa），第一刻蚀的刻蚀速率均匀性记为“U”，单位：%，则U=(MAX（RRa）- Min（RRa）)/2/ RRa；从表1可见，虽然对比应用例1全程可实现较高的刻蚀速率，但其均匀性极差，且物理作用效果极强，造成衬底严重的物理破坏；
相比于实施例3，对比应用例2由于未使用加热盘，导致第一刻蚀仅有物理作用，且刻蚀速率较慢，以化学作用为主的第二刻蚀几乎未发生，因此表1中对比应用例2的“U”列代表无法计算得到。
综上，合理设置装置双层多孔挡板刻蚀机台的参数及工艺参数可实现较高的刻蚀速率及其均匀性，且能避免氧等离子体对衬底造成的物理破坏。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种等离子体刻蚀装置，其特征在于，包括：
刻蚀仓，具有可形成真空的内腔，所述内腔连通有进气口及出气口；
加热盘，设置于内腔的底部，用于承载待刻蚀物，并对其进行加热；
射频线圈，设置于内腔的上部，所述加热盘的上方；
多孔挡板，具有贯穿上下表面的孔，设置于所述加热盘与所述射频线圈之间；所述多孔挡板具有翻转机构和/或伸缩机构，用于调整多孔挡板自身的姿态从而控制所述加热盘与所述射频线圈之间的空间的开合；每层所述多孔挡板由至少两块子板拼接构成，拼接形成的多孔挡板具有一个最靠近中心部位的拼接重合点；所述多孔挡板为圆形板，由四块等分的扇形子板构成，所述拼接重合点为圆心；所述子板中靠近所述拼接重合点的端部设置有提拉线，所述提拉线的另一端与驱动机构相连，构成翻转机构，所述提拉线用于控制所述子板沿提拉线的运动方向翻转或回落，使所述加热盘与所述射频线圈之间的空间打开或闭合；所述子板具有固定部和伸缩部，所述固定部远离所述拼接重合点，所述固定部的内部具有容纳空间，所述容纳空间内设置有移动件，所述移动件上设置有伸缩部，构成伸缩机构，所述伸缩部通过所述移动件朝向所述拼接重合点伸出或远离所述拼接重合点缩回，使得所述加热盘与所述射频线圈之间的空间闭合或打开。
2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述多孔挡板在所述加热盘上的正投影的尺寸大于等于待刻蚀物的尺寸；
所述待刻蚀物的外轮廓的外接圆的直径为2~12英寸；
所述孔的密度为8~100个/英寸；
所述孔的外接圆的直径为1~50mm；
沿着所述多孔挡板的中心至边缘的方向，所述孔的外接圆的直径逐渐增大；
所述多孔挡板的孔的总面积占所述多孔挡板的总面积的20%~80%。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀仓内设有高度调节装置，所述高度调节装置用于调整所述多孔挡板与所述待刻蚀物之间的相对距离；
所述多孔挡板与所述加热盘上表面的垂直距离占所述射频线圈与所述加热盘上表面垂直距离的1%~10%。
4.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述内腔中设置至少两层所述多孔挡板，相邻两层多孔挡板平行放置；
相邻两层多孔挡板之间的垂直距离为1~50mm；
相邻两层多孔挡板的孔在加热盘上的垂直正投影不重合。
5.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述进气口连接刻蚀气源；
所述进气口还连接保护气源；
所述出气口连接抽气泵。
6.一种刻蚀碳膜的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-5任意一项所述的等离子体刻蚀装置进行，所述方法包括：
将带有待刻蚀碳膜的衬底置于加热盘上，待刻蚀碳膜朝向射频线圈放置，加热至目标温度并抽真空至目标真空度，从进气口通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体并通过所述多孔挡板的孔对待刻蚀碳膜进行刻蚀。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
当待刻蚀碳膜的初始厚度≥预设薄厚临界值时，利用翻转机构和/或伸缩机构控制多孔挡板，使加热盘与射频线圈之间的空间打开，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，进行第一刻蚀，去除部分碳膜，再控制多孔挡板使加热盘与射频线圈之间的空间闭合，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，并通过所述多孔挡板的孔进行第二刻蚀，去除剩余部分的碳膜；
或，当待刻蚀碳膜的初始厚度＜预设薄厚临界值时，利用翻转机构和/或伸缩机构控制多孔挡板，使所述加热盘与射频线圈之间的空间闭合，通入刻蚀气，开启射频，使刻蚀气变为等离子体，并通过所述多孔挡板的孔进行第二刻蚀，去除所有碳膜；
所述预设薄厚临界值取自1000~2000Å。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一刻蚀的刻蚀速率≥1500Å/min；
所述第二刻蚀的刻蚀速率≤1000Å/min；
所述第一刻蚀结束后，所述第二刻蚀进行前，待刻蚀碳膜的中心位置的厚度≥30Å。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述衬底的外轮廓为圆形，直径为2~12英寸；
所述衬底包括SiC、Si、SiO2、Ge、GaAs、InP、GaN、Ga2O3、铌酸锂、钽酸锂或石英中的任意一种或至少两种的组合；
所述目标温度为120~300℃；
所述目标真空度为10~10000mtorr；
所述刻蚀气包括氧气；
所述刻蚀气的流速独立地选自400~2000sccm；
开启射频前，维持刻蚀气通入10~100s；
所述射频的频率为12~14MHz；
所述射频的功率独立地选自200~2000W；
所述待刻蚀碳膜刻蚀完毕后，关闭射频，通入保护气，恢复气压后，取出刻蚀完毕的衬底。
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