TW201532113A - 一種氣體供應裝置及其等離子體反應裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種氣體供應裝置及其等離子體反應裝置，所述氣體供應裝置裝置在包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，優選的所述氣體流量控制裝置為CMOS感應氣體流量控制裝置，可以實現1s內高低氣體流量的切換，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連。採用本技術方案，不僅可以有效的過濾掉MFC頻繁切換導致的反應氣體激增和延遲，還能大大節約排放到排氣裝置20內的反應氣體，相比現有技術，節約了近一半的反應氣體，有效提高了刻蝕工藝的原材料利用率。

Description

一種氣體供應裝置及其等離子體反應裝置

本發明涉及等離子體處理技術領域，尤其涉及一種等離子體反應裝置的快速供氣技術領域。

等離子體反應裝置廣泛應用於積體電路的製造工藝中，如沉積、刻蝕等。其中，常用的等離子體反應裝置包括電容耦合型等離子體反應裝置CCP和電感耦合型等離子體裝置ICP，等離子體反應裝置的原理主要是使用射頻功率將輸入反應裝置中的反應氣體解離成等離子體，利用該等離子體對放置於其內部的基片進行等離子體刻蝕處理，不同刻蝕工藝需要的反應氣體不盡相同。

如在矽通孔刻蝕工藝中，由於需要刻蝕的矽通孔深度較大，為了能夠有效的進行刻蝕，常採用下述步驟進行刻蝕：第一，刻蝕步驟，在等離子體反應腔內通入刻蝕氣體，在矽基底表面進行通孔刻蝕；第二，聚合物沉積步驟，在等離子體反應腔內通入沉積氣體，所述沉積氣體在通孔側壁沉積形成側壁保護。刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，直至通孔刻蝕完成。採用該方法的特點是能夠刻蝕較深的矽孔，但是由於刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，會在側壁形成扇貝狀的粗糙表面，對矽孔的後續工藝產生不良影響，故為了保證矽孔刻蝕的合格率，需要矽孔側壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一種降低矽孔側壁扇貝狀粗糙表面的方 式是提高刻蝕步驟和沉積步驟的交替頻率，降低每一步刻蝕步驟和沉積步驟所需時間，然而，隨著所需時間的降低，等離子體反應裝置內各種參數的不穩定性和不確定性隨之產生。當刻蝕步驟和沉積步驟的時間間隔小於1s時，為等離子體反應裝置提供反應氣體的氣體流量控制閥MFC成為一個瓶頸，MFC無法達到如此快速的切換。如果需要刻蝕步驟和沉積步驟的交替時間小於0.5s，MFC將無法達到反應裝置的需求，使得整個刻蝕工藝出現不穩定狀況，工藝結果無法保證可重複和可控制。因此，不同反應氣體快速切換並及時輸送到等離子體處理裝置內是目前矽通孔刻蝕的急需解決的問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種氣體供應裝置，所述裝置包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連，所述流量控制裝置可以在小於1秒的時候內打開、閉合或者低氣體流量狀態和高氣體流量狀態的切換。

優選的，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別通過一控制閥門與所述氣體流量控制裝置相連。

優選的，所述每個氣體流量控制裝置相鄰兩次切換輸出的氣體流量不同。

優選的，所述每個氣體流量控制裝置後端連接的兩控制閥門交替打開、關閉，其交替頻率大於等於所述氣體流量控制裝置的切換頻率。

優選的，與所述真空反應腔連接的兩控制閥門打開時，流經氣體流量控制裝置的氣體流量大於與排氣裝置連接的兩控制閥門打開時流經氣體流量控制裝置的氣體流量。

優選的，所述氣體流量控制裝置為CMOS感應氣體流量控制裝置。

進一步的，本發明還公開了一種等離子體反應裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔內設置一放置基片的基座，所述基座連接一射頻功率源，所述真空反應腔外設置一氣體供應裝置，所述氣體供應裝置包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體在所述流量控制裝置的切換下交替注入所述真空反應腔，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體的交替時間小於1秒。

優選的，所述等離子體反應裝置內進行刻蝕工藝和沉積工藝，刻蝕工藝時與刻蝕氣體源連接的氣體流量控制裝置為高氣體流量狀態，與沉積氣體源連接的氣體流量控制裝置為低氣體流量狀態；沉積工藝時與沉積氣體源連接的氣體流量控制裝置為高氣體流量狀態，與刻蝕氣體源連接的氣體流量控制裝置為低氣體流量狀態。

優選的，所述低氣體流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體占高流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體的百分比可以小於等於5%。

優選的，所述等離子體反應裝置包括一排氣泵，所述排氣裝 置與所述排氣泵相連。

優選的，所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替時間小於等於0.5s。

本發明的優點在於：所述氣體供應裝置裝置在包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，優選的所述氣體流量控制裝置為CMOS感應氣體流量控制裝置，可以實現1s內高低氣體流量的切換，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連。採用本技術方案，不僅可以有效的過濾掉MFC頻繁切換導致的反應氣體激增和延遲，還能大大節約排放到排氣裝置20內的反應氣體，相比現有技術，節約了近一半的反應氣體，有效提高了刻蝕工藝的原材料利用率。

10‧‧‧氣體供應裝置

13-18‧‧‧控制閥門

20‧‧‧排氣裝置

100‧‧‧真空反應腔

105‧‧‧反應腔側壁

110‧‧‧基座

115‧‧‧靜電卡盤

120‧‧‧基片

125‧‧‧排氣泵

130‧‧‧絕緣視窗

140‧‧‧電感耦合線圈

145‧‧‧射頻功率源

150‧‧‧氣體噴入口

160‧‧‧等離子體

第1圖，為一種電感耦合型等離子體反應裝置結構示意圖。

第2圖，為本發明所述氣體供應裝置示意圖。

第3圖，為理想狀況下刻蝕氣體和沉積氣體進入真空反應腔的脈衝示意圖。

第4圖，為實際工作中MFC輸出刻蝕氣體和沉積氣體的脈衝示意圖。

本發明公開了一種氣體供應裝置及其所在的等離子體反應裝置，為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

第1圖示出一種電感耦合型等離子體反應裝置結構示意圖，電感耦合型等離子體反應裝置包括真空反應腔100，真空反應腔包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁105，反應腔側壁105上方設置一絕緣視窗130，絕緣視窗130上方設置電感耦合線圈140，電感耦合線圈140連接射頻功率源145。反應腔側壁105靠近絕緣視窗130的一端設置氣體噴入口150，氣體噴入口150連接氣體供應裝置10。氣體供應裝置10中的反應氣體經過氣體噴入口150進入真空反應腔100，射頻功率源145的射頻功率驅動電感耦合線圈140產生較強的高頻交變磁場，使得低壓的反應氣體被電離產生等離子體160。在真空反應腔100的下游位置設置一基座110，基座110上放置靜電卡盤115用於對基片120進行支撐和固定。等離子體160中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片的表面發生多種物理和化學反應，使得基片表面的形貌發生改變，即完成刻蝕過程。真空反應腔100的下方還設置一排氣泵125，用於將反應副產物排出真空反應腔內。

在第1圖所示的實施例中，基片120為矽材料，反應腔內進行的刻蝕工藝為矽通孔刻蝕工藝，又稱TSV刻蝕工藝。本刻蝕工藝的特點是，需要刻蝕的矽通孔深度較大，為了避免刻蝕過程中矽通孔的形貌發生彎曲，保證刻蝕的通孔符合要求，目前常用的一種刻蝕方法叫做博世工藝。博世工藝包括兩個步驟，第一，刻蝕步驟，在真空反應腔內通入刻蝕氣體，在矽基底表面進行通孔刻蝕；第二，聚合物沉積步驟，在真空反應腔內通入沉積氣體，所述沉積氣體在通孔側壁沉積形成側壁保護。刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，直至通孔刻蝕完成。採用該方法的特點是能夠刻蝕較深 的矽孔，但是由於刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，會在側壁的交替處形成扇貝狀的粗糙表面，對矽孔的後續工藝產生不良影響，故為了保證矽孔刻蝕的合格率，需要矽孔側壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一種降低矽孔側壁扇貝狀粗糙表面的方式是提高刻蝕步驟和沉積步驟的交替頻率，降低每一步刻蝕步驟和沉積步驟所需時間，然而，隨著所需時間的降低，等離子體反應裝置內各種參數的不穩定性和不確定性隨之產生。當刻蝕步驟和沉積步驟的時間間隔小於1s時，為真空反應腔提供反應氣體的氣體流量控制閥MFC成為一個瓶頸，傳統MFC無法達到快速的切換，因此在反應進程中，一直保持常開狀態，通過其後端連接的兩控制閥門控制反應氣體源中的氣體交替進入真空反應腔或者排氣裝置，採用本技術方案的最大缺點是反應氣體保持常開，有一半的刻蝕氣體和沉積氣體被排放到排氣裝置，浪費嚴重。

第2圖示出本發明所述的一種氣體供應裝置10，由於本發明的刻蝕工藝為TSV刻蝕工藝，因此氣體供應裝置10包括刻蝕氣體源5和沉積氣體源6，刻蝕氣體源5和沉積氣體源6分別通過一控制閥門17和控制閥門18連接一氣體流量控制裝置MFC11和MFC12，MFC11後端連接控制閥門13和控制閥門14，其中控制閥門13控制刻蝕氣體進入真空反應腔100，控制閥門14控制刻蝕氣體進入排氣裝置20；MFC12後端連接控制閥門15和控制閥門16，其中控制閥門16控制刻蝕氣體進入真空反應腔100，控制閥門15控制刻蝕氣體進入排氣裝置20。在本實施例中，MFC11和MFC12為CMOS感應流量控制裝置，其可以實現在1s內開、關或高流量、低流量的切換，然而，實際工作中發現，CMOS感應流量控制裝置的開、關或高 流量、低流量切換過程中不能產生如第3圖所示的理想脈衝氣體，而是在啟動瞬間氣體流量有一個激增，在斷開或降低氣體流量時氣體不能立即斷開，如第4圖所示，此種情況會導致刻蝕氣體和沉積氣體切換時，高於所需氣體的量進入真空反應腔，同時真空反應腔內混雜另一種反應氣體，造成TSV刻蝕工藝進程不可控，影響刻蝕工藝的順利進行。

本發明的重點在於在CMOS感應流量控制裝置後端設置兩個控制閥門，兩個控制閥門可以將氣體切換時的激增和延遲過濾，達到如第3圖所示理想狀況下的脈衝輸出。考慮到MFC打開和閉合的切換時氣體輸出極不穩定，本實施例採用將MFC在高流量氣體輸出和低流量氣體輸出間切換。具體工作原理為：在刻蝕步驟中，將MFC11切換到高氣體流量狀態，刻蝕氣體源5中的刻蝕氣體通過控制閥門17進入MFC11，MFC11能精確測量流經其中的刻蝕氣體流量，打開控制閥門13，關閉控制閥門14，刻蝕氣體經控制閥門13進入真空反應腔100，進行刻蝕反應步驟，此時，MFC12切換到低氣體流量狀態，MFC12後端的控制閥門15打開，控制閥門16關閉，此時低流量的沉積氣體經由控制閥門15進入排氣裝置20。刻蝕步驟結束後開始沉積步驟，此時，MFC12調節至高氣體流量狀態，控制閥門15關閉，控制閥門16打開，沉積氣體自沉積氣體源6通過控制閥門18進入MFC12，MFC12能精確測量流經其中的沉積氣體流量，沉積反應所需的沉積氣體經過控制閥門16進入真空反應腔100，完成沉積反應，此時，MFC11調節至低氣體流量狀態，控制閥門13關閉，控制閥門14打開，低流量的刻蝕氣體經控制閥門14進入排氣裝置20。在本實施例中，低流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體占高流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體的百分比可以小於等 於5%，採用本技術方案，不僅可以有效的過濾掉MFC頻繁切換導致的反應氣體激增和延遲，還能大大節約排放到排氣裝置20內的反應氣體，相比現有技術，節約了近一半的反應氣體，有效提高了刻蝕工藝的原材料利用率。

MFC後端的閥門能過濾MFC氣體激增和延遲的方法為，當MFC切換到高氣體流量狀態時，連接真空反應腔的控制閥門13和控制閥門16延遲一定時間打開，如延遲30ms，避過反應氣體的激增狀態；當MFC切換到低氣體流量狀態前，連接排氣裝置20的控制閥門14和控制閥門15提前一定時間打開，如30ms，將MFC延遲時間段的氣體排放到排氣裝置20內，避免不需要的反應氣體進入上一個反應步驟，影響刻蝕反應或者沉積反應的進行。排氣裝置20可以與真空反應腔的排氣泵125相連，與反應副產物一起進入後續廢氣處理裝置(圖中未示出)。

所述刻蝕氣體包括CF₄、O₂、SF6或Ar中的一種或多種，所述沉積氣體包括C₄F₈、氬氣和氦氣中的一種或多種。所述刻蝕氣體和所述沉積氣體交替時間小於等於1s。優選的，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體交替時間小於等於0.5s。通過採用本發明所述的氣體供應裝置，可以節約近一半的反應氣體，既節省了原材料降低了成本，同時還能減少了處理反應氣體的成本，避免了有害氣體進入空氣中，對環境造成污染。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為准。

10‧‧‧氣體供應裝置

100‧‧‧真空反應腔

105‧‧‧反應腔側壁

110‧‧‧基座

115‧‧‧靜電卡盤

120‧‧‧基片

125‧‧‧排氣泵

130‧‧‧絕緣視窗

140‧‧‧電感耦合線圈

145‧‧‧射頻功率源

150‧‧‧氣體噴入口

160‧‧‧等離子體

Claims (10)

1. 一種氣體供應裝置，其特徵在於，所述裝置包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連，所述流量控制裝置可以在小於1秒的時候內打開、閉合或者低氣體流量狀態和高氣體流量狀態的切換。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別通過一控制閥門與所述氣體流量控制裝置相連。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述每個氣體流量控制裝置相鄰兩次切換輸出的氣體流量不同。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述每個氣體流量控制裝置後端連接的兩控制閥門交替打開、關閉，其交替頻率大於等於所述氣體流量控制裝置的切換頻率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：與所述真空反應腔連接的兩控制閥門打開時，流經氣體流量控制裝置的氣體流量大於與排氣裝置連接的兩控制閥門打開時流經氣體流量控制裝置的氣體流量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述氣體流量控制裝置為CMOS感應氣體流量控制裝置。
7. 一種等離子體反應裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔內設置一 放置基片的基座，所述基座連接一射頻功率源，其特徵在於：所述真空反應腔外設置一氣體供應裝置，所述氣體供應裝置包括一刻蝕氣體源和一沉積氣體源，所述刻蝕氣體源和所述沉積氣體源後端分別連接一氣體流量控制裝置，所述氣體流量控制裝置後端分別連接兩個控制閥門，每個氣體流量控制裝置的一個控制閥門連接一排氣裝置，另一控制閥門與真空反應腔相連，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體在所述流量控制裝置的切換下交替注入所述真空反應腔，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體的交替時間小於1秒。
8. 如申請專利範圍第1項所述之等離子體反應裝置，其特徵在於：所述等離子體反應裝置內進行刻蝕工藝和沉積工藝，刻蝕工藝時與刻蝕氣體源連接的氣體流量控制裝置為高氣體流量狀態，與沉積氣體源連接的氣體流量控制裝置為低氣體流量狀態；沉積工藝時與沉積氣體源連接的氣體流量控制裝置為高氣體流量狀態，與刻蝕氣體源連接的氣體流量控制裝置為低氣體流量狀態。
9. 如申請專利範圍第8項所述之等離子體反應裝置，其特徵在於：所述低氣體流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體占高流量狀態的刻蝕氣體和沉積氣體的百分比可以小於等於5%。
10. 如申請專利範圍第1項所述之等離子體反應裝置，其特徵在於：所述等離子體反應裝置包括一排氣泵，所述排氣裝置與所述排氣泵相連。