TWI602238B - 氣相蝕刻反應裝置與氣相蝕刻方法 - Google Patents

Description

氣相蝕刻反應裝置與氣相蝕刻方法

本發明是有關於一種氣相蝕刻設備，且特別是有關於一種氣相蝕刻反應裝置與氣相蝕刻方法。

半導體產業近年來在高科技產業發展政策導向下蓬勃發展，歷經各種製造技術之提昇與生產規模之擴大，已經成為發展快速的新興主流產業。半導體的製程大都是在潔淨室之密閉空間進行，因此常被誤認為是一種乾淨無污染的工業。事實上半導體的製程中使用的化學物質高達上百種（例如：反應性氣體、酸鹼溶液、有機溶劑及感光性的聚合物、金屬等），且其中部分危害物質的曝露經常超過法定容許濃度，因此半導體產業被歸類為危險性工作場所。

在半導體的製造流程中，蝕刻反應所使用的化學物質通常具有毒性，如具有強反應性的氫氟酸。然而傳統氣相蝕刻裝置是以加熱的方式形成蒸氣霧，藉由蒸氣均勻分布達到穩定控制，所以經常損壞加熱裝置。

本發明提供一種氣相蝕刻反應裝置，能避免高毒性蝕刻劑外洩。

本發明提供一種氣相蝕刻方法，能引導氣場流動方向，避免高毒性蝕刻劑外洩，確保工作環境安全。

本發明的氣相蝕刻反應裝置，包括一槽體，其具有一隔離腔、一造霧腔及設於隔離腔與造霧腔之間的一反應腔。在造霧腔與反應腔之間有一狹縫，供霧化的反應氣體進入反應腔。在隔離腔與反應腔之間則有一出口相對狹縫設置，供尾氣排出反應腔。在隔離腔內還有一隔板，用以將隔離腔分隔成與出口相連的一排氣道以及遠離出口的一非反應氣體供氣道，且隔板具有相對出口設置的一入風口，以提供非反應氣體通過而產生隔離上述尾氣的一氣幕。

本發明的氣相蝕刻反應裝置的操作方法是先提供如上所述的氣相蝕刻反應裝置，再提供非反應氣體通過所述非反應氣體供氣道而於入風口產生一氣幕。然後，從動於所述氣幕而自造霧腔供應霧化的反應氣體通過狹縫進入反應腔，以進行氣相蝕刻並產生尾氣。利用非反應氣體供氣道與反應腔之間的壓力差，使尾氣通過所述出口排出反應腔並從排氣道排出並以所述氣幕防止尾氣逸散。

基於上述，本發明的裝置與方法整合從動控制方式隔絕反應氣體的氣霧洩漏問題，並可搭配常溫霧化的裝置，來調節氣霧裝置的效率與耐用程度。

為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明的第一實施例的一種氣相蝕刻反應裝置的立體示意圖。請參照圖1，第一實施例的氣相蝕刻反應裝置包括一槽體100，槽體100具有一隔離腔102、一造霧腔104及設於隔離腔102與造霧腔104之間的一反應腔106。在造霧腔104與反應腔106之間有一狹縫108。在隔離腔102與反應腔106之間則有一出口110相對狹縫108設置。另外，在隔離腔102內還有一隔板112，用以將隔離腔102分隔成與出口110相連的一排氣道114以及遠離出口110的一非反應氣體供氣道116，且隔板112具有相對出口110設置的一入風口118。此外，槽體100還可具有一開口120，其與隔離腔102相連並相對入風口118設置，所以能搭配如托盤122的裝置，從開口120、入風口118以及出口110進出反應腔106，待處理的晶片124可放置於托盤122上。

圖2是圖1的氣相蝕刻反應裝置沿氣體流向之剖面示意圖。請參照圖2，當非反應氣體200通過非反應氣體供氣道116，會在入風口118產生一氣幕202，請同時參見圖1，其中出口110的尺寸如小於入風口118的尺寸並搭配排氣道114的動作，則有助於氣幕202的隔離作用。因此，當霧化的反應氣體204通過狹縫108進入反應腔106，並與晶片124或其表面的膜層(未繪示)反應後，包含未反應的剩餘反應氣體204以及經過反應形成的其他氣體的尾氣206可從隔離腔102與反應腔106之間的出口110被排出反應腔106，且經由氣幕202隔離；舉例來說，如使用HF為反應氣體204對氧化矽(SiO ₂)進行蝕刻，則尾氣206可能包含未反應的HF和反應形成的SiF ₄。之後，尾氣206與非反應氣體200會一起經由排氣道114排出槽體100，並可傳送至尾氣處理設備(未繪示)。上述霧化的反應氣體204例如是藉由從動於氣幕202的一氣霧裝置(未繪示)提供，詳細將記載於下文中。非反應氣體200例如壓縮乾燥空氣(clean dry air, CDA)、高壓氮氣或高壓氬氣等，所以非反應氣體供氣道116呈高壓狀態。反應氣體204例如選自氫氟酸、硝酸、硫酸、鹽酸、草酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、有機溶劑或其組合。

圖3是圖1的氣相蝕刻反應裝置之造霧腔的側視圖。請參照圖3，第一實施例中的造霧腔104為流體迴旋空間，只有粒徑小的反應性懸浮微霧(如在10µm以下的霧滴)才會從其中的狹縫108漂流到反應腔106(如圖1)，而狹縫108是設置在較接近造霧腔104的底部104b的位置，但本發明並不限於此。由於狹縫108的位置直接影響反應氣體204(如圖2)的流動方向與範圍，因此，可以視需要，如根據晶片124(如圖1)擺放在反應腔106內的位置來設定狹縫108的位置。至於狹縫108的尺寸(或寬度)也可作變更，例如延伸至造霧腔104的兩側邊104c和104d。

圖4A、圖4B與圖4C是圖2中的隔離腔102之其他實施例的剖面示意圖。請先參照圖4A，於隔離腔102的排氣道114內可具有另一隔板400將其分隔成內層排氣道402與外層排氣道404所構成的雙層構造，以增加氣幕202所造成的氣流阻力，能使氣幕202隔離氣體的能力更加穩定，透過內層排氣道402控制反應尾氣通過出口406的流動量。另外，請參照圖4B，其與圖4A的差別是，於隔離腔102的非反應氣體供氣道116的最外側槽體100還有朝向外層排氣道404延伸的一延伸部408，而成為剖面呈L型的構造，以增加氣幕202所造成的氣流阻力，能使氣幕202隔離氣體的能力更加穩定，減少從開口120外洩到隔離腔102外。另外，請參照圖4C，其與圖4A的差別是，托盤410為階梯狀結構，其中較低的平面可承載晶片(如圖1的124)、較高的平面可以在托盤410進入隔離腔102之後，擋住甚至封閉出口406和開口120，因此同樣可增加反應腔的氣密性。

以下將針對本發明的氣相蝕刻反應裝置中不同種類的氣霧裝置進行介紹。

圖5是依照本發明的第二實施例的一種氣相蝕刻反應裝置沿氣體流向之剖面示意圖，其中使用與第一實施例中相同的元件符號來代表相同或相似的構件。圖6是圖5的氣相蝕刻反應裝置之造霧腔的側視圖。

請同時參照圖5和圖6。第二實施例的氣相蝕刻反應裝置是使用加熱霧化裝置500作為氣霧裝置，其包括位於造霧腔104內的一液體容置區502以及一加熱元件504，用以加熱液體容置區502的液體，其中液體容置區502內可容置單一液體或者混合液體；當混合液體包括一種以上之藥劑。加熱元件504的表面可具有防腐蝕的保護層，如石墨層。另外，加熱霧化裝置500中還可設置從動的攪拌裝置(未繪示)，如攪拌棒或者氣動(氣泡)攪拌器，以提升溶液加熱均勻性，甚至將加熱元件504結合攪拌功能。由於加熱霧化裝置500會使造霧腔104內的溫度高於反應腔106的溫度，因而產生溫度差。一旦霧化的反應氣體從高溫的造霧腔104進入低溫的反應腔106可能會冷凝而對晶片124的處理有不良影響，因此於反應腔106內可加設一保溫裝置506，用以保持晶片124的溫度在一預定溫度以上，以防止冷凝現象發生。另外，反應腔106還可設計成具有向造霧區104傾斜的底部508，並在造霧腔104與反應腔106之間設置通孔510，以使尾氣冷凝後由底面508流經通孔510而流入液體容置區502，重複回收使用。

第二實施例中的保溫裝置506和能回收冷凝尾氣的設計，除了適用於加熱霧化裝置500，也可根據蝕刻製程所產生的反應物來配置；舉例來說，如使用HF蝕刻SiO ₂會生成H ₂O，因此能使用保溫裝置506來能去除蝕刻期間所產生的H ₂O，並回收冷凝的水。

圖7是依照本發明的第三實施例的一種氣霧裝置之示意圖，其中使用與第一實施例中相同的元件符號來代表相同或相似的構件。請參照圖7，第三實施例是使用氣動霧化裝置700作為常溫的氣霧裝置，其包括一文氏管702和一供液管704，其中文氏管702是設於造霧腔104外並與造霧腔104連接，且氣動霧化裝置700例如是從造霧腔104的側邊104c或104d送入氣體，以得到較長的氣體流場(請見造霧腔104中的箭號)。文氏管702的尺寸可依需求設計，譬如隘口部位706的口徑為0.1mm~3mm、兩端的口徑為10mm左右，但本發明並不限於此。造霧腔104為流體迴旋空間，只有粒徑小的反應性懸浮微霧(例如10µm以下的霧滴)才會從其中的狹縫108漂流到反應腔。而供液管704是連至文氏管702的隘口部位706，因此當空氣710進入文氏管702會在隘口部位706產生負壓，而將液體槽708內的液體712(如高反應性蝕刻劑)經由供液管704分裂成微液滴懸浮的流體送入造霧腔104。上述空氣710的供應可採用與非反應氣體(圖2的200)相同的供應源，但本發明並不限於此。由於第三實施例以文氏管702氣動霧化的方式將高反應性蝕刻劑氣霧化，所以高反應性蝕刻劑並非以高壓管路驅動，因此可以避免輸液管路意外鬆動導致危害性藥劑外洩噴灑的問題。

圖8A與圖8B依照本發明的第四實施例的兩種氣霧裝置之示意圖，其中使用與第一實施例中相同的元件符號來代表相同或相似的構件。請先參照圖8A，第四實施例是使用氣動霧化裝置800作為常溫的氣霧裝置，其包括一液體槽802以及一載氣源804，其中液體槽802是設於造霧腔104外，載氣源804與造霧腔104連接並經由一供液管806連通至液體槽802，以使載氣源804將液體槽802中的液體808所產生的反應氣體，經由供液管806吹入造霧腔104。液體槽802內的液體808可為單一液體或者混合液體，其中混合液體如包括兩種藥劑(例如其中一種為反應藥劑)。上述載氣源804可採用與非反應氣體(圖2的200)相同的供應源，但本發明並不限於此。

請參照圖8B，第四實施例還可具有其它氣動霧化裝置810，包括另一液體槽802以及載氣源804。氣動霧化裝置810的液體槽802內的液體812可不同於液體808。因為蝕刻過程有不同條件需求時，可以藉由不同的氣動霧化裝置810提供動態調整蝕刻液的配比，特別是兩個液體槽802中的兩種液體808和812不會互相影響，可以獨立控制。舉例來說，如果要使用兩種不同的酸性或鹼性液體，若是傳統加熱霧化裝置不但無法承受混和酸液的侵蝕，特別是有機溶劑混和強酸或強鹼加熱甚至有連鎖反應導致爆炸的風險；而在操作控制上，不同液體會有不同的蒸氣分壓，導致不易控制反應氣體成分比重，而增加調整蝕刻特性的困難度。此外，上述氣動霧化裝置810的液體槽802內也可以裝入溶劑、載體(carrier gas)或氧化劑等。所述溶劑可避免反應氣體凝結；載體可產生輸送反應原料；所述氧化劑則可幫助晶片的待處理表面氧化，然後搭配能移除氧化物的酸(如HF)，即可進行蝕刻處理，但本發明並不限於此。

圖9A與圖9B是依照本發明的第五實施例的兩種氣霧裝置之示意圖。請先參照圖9A，第五實施例是使用設於造霧腔外與造霧腔連接的壓電霧化裝置900作為常溫的氣霧裝置，其包括壓電塊902以及與壓電塊902接觸的震盪片904，因此可藉由壓電震盪，使液體906霧化並進入造霧腔。在圖9B中是另一種壓電霧化裝置908，其包括壓電塊910以及與壓電塊910接觸的震盪片912，因此可藉由壓電震盪，使液體906經由震盪片912的微孔霧化而進入造霧腔。

在本發明的氣相蝕刻反應裝置中，可單獨使用第二實施例至第五實施例中任一種氣霧裝置，也可依據需求設計組合相同或不同類型的氣霧裝置。

圖10A至圖10C是依照本發明的第六實施例的一種氣相蝕刻流程示意圖，其中使用與第一實施例中相同的元件符號來代表相同或相似的構件。

請先參照圖10A，提供一氣相蝕刻反應裝置，其與圖1的裝置相同，包括一槽體100，槽體100內有隔離腔102、造霧腔104以及反應腔102，其中狹縫108、出口110和入風口118彼此的位置相對，且晶片124已被置入反應腔106中。然後，提供非反應氣體1000通過非反應氣體供氣道116而於入風口118產生氣幕1002。非反應氣體1000例如壓縮乾燥空氣(CDA)、高壓氮氣或高壓氬氣等。此時，非反應氣體供氣道116內為較高壓的狀態。

隨後，請參照圖10B。經確認氣幕1002已產生後，再從造霧腔104供應霧化的反應氣體1004通過狹縫108進入反應腔106而進行氣相蝕刻。上述反應氣體1004例如選自氫氟酸、硝酸、硫酸、鹽酸、草酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、有機溶劑或其組合。此時，反應腔106內為較低壓的狀態。供應霧化的反應氣體1004的方法可參照第二實施例至第五實施例中任一種造霧方法，故不再贅述。另外，若是採用加熱霧化的方式，由於造霧腔104內的溫度高於反應腔106的溫度，所以為避免霧化的反應氣體1004從高溫的造霧腔104進入低溫的反應腔106而冷凝，所以可提高反應腔106內的溫度。另外，反應氣體1004如為含氧氣體，則可搭配金屬觸媒微粒產生局部氧化再局部蝕刻形成微小孔洞的特殊結構。

接著，請參照圖10C。由於非反應氣體供氣道116與反應腔106之間的壓力差，會在反應腔106形成負壓引力，引導反應過的尾氣1006通過出口110排出反應腔106並從排氣道114排出並以氣幕1002防止尾氣1006逸散，其中非反應氣體供氣道116須高於反應腔106內的壓力，避免尾氣1006外洩，譬如非反應氣體供氣道116內的壓力為5atm，則反應腔106內的壓力約為0.5atm；此時，排氣道114內的壓力約為-0.5atm。

綜上所述，本發明的氣相蝕刻反應裝置與方法整合從動控制方式隔絕反應氣體的氣霧洩漏問題，並可搭配常溫霧化的裝置，來降低加熱裝置的耗損。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧槽體
102‧‧‧隔離腔
104‧‧‧造霧腔
104a‧‧‧頂部
104b、508‧‧‧底部
104c、104d‧‧‧側邊
106‧‧‧反應腔
108‧‧‧狹縫
110、406‧‧‧出口
112、400‧‧‧隔板
114‧‧‧排氣道
116‧‧‧非反應氣體供氣道
118‧‧‧入風口
120‧‧‧開口
122、410‧‧‧托盤
124‧‧‧晶片
200、1000‧‧‧非反應氣體
202、1002‧‧‧氣幕
204、1004‧‧‧反應氣體
206、1006‧‧‧尾氣
402‧‧‧內層排氣道
404‧‧‧外層排氣道
408‧‧‧延伸部
500‧‧‧加熱霧化裝置
502‧‧‧液體容置區
504‧‧‧加熱元件
506‧‧‧保溫裝置
510‧‧‧通孔
700、800、810‧‧‧氣動霧化裝置
702‧‧‧文氏管
704、806‧‧‧供液管
706‧‧‧隘口部位
708、802‧‧‧液體槽
710‧‧‧空氣
712、808、812、906‧‧‧液體
804‧‧‧載氣源
900、908‧‧‧壓電霧化裝置
902、910‧‧‧壓電塊
904、912‧‧‧震盪片

圖1是依照本發明的第一實施例的一種氣相蝕刻反應裝置的立體示意圖。 圖2是圖1的氣相蝕刻反應裝置沿氣體流向之剖面示意圖。 圖3是圖1的氣相蝕刻反應裝置之造霧腔的側視圖。 圖4A是圖2中的隔離腔之另一實施例的剖面示意圖。 圖4B是圖2中的隔離腔之又一實施例的剖面示意圖。 圖4C是圖2中的隔離腔之再一實施例的剖面示意圖。 圖5是依照本發明的第二實施例的一種氣相蝕刻反應裝置沿氣體流向之剖面示意圖。 圖6是圖5的氣相蝕刻反應裝置之造霧腔的側視圖。 圖7是依照本發明的第三實施例的一種氣霧裝置之示意圖。 圖8A是依照本發明的第四實施例的一種氣霧裝置之示意圖。 圖8B是依照本發明的第四實施例的另一種氣霧裝置之示意圖。 圖9A是依照本發明的第五實施例的一種氣霧裝置之示意圖。 圖9B是依照本發明的第五實施例的另一種氣霧裝置之示意圖。 圖10A至圖10C是依照本發明的第六實施例的一種氣相蝕刻流程示意圖。

100‧‧‧槽體

102‧‧‧隔離腔

104‧‧‧造霧腔

106‧‧‧反應腔

108‧‧‧狹縫

110‧‧‧出口

112‧‧‧隔板

114‧‧‧排氣道

116‧‧‧非反應氣體供氣道

118‧‧‧入風口

120‧‧‧開口

122‧‧‧托盤

124‧‧‧晶片

Claims (25)

1. 一種氣相蝕刻反應裝置，包括： 一槽體，具有一隔離腔、一造霧腔以及設於該隔離腔與該造霧腔之間的一反應腔，其中 該造霧腔與該反應腔之間有一狹縫，供霧化的反應氣體進入該反應腔； 該隔離腔與該反應腔之間有一出口相對該狹縫設置，供尾氣排出該反應腔；以及 一隔板，設置於該隔離腔內，用以將該隔離腔分隔成與該出口相連的一排氣道以及遠離該出口的一非反應氣體供氣道，且該隔板具有相對該出口設置的一入風口，以提供非反應氣體通過而產生隔離該尾氣的一氣幕。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該槽體具有一開口，該開口與該隔離腔相連並相對該入風口設置。
3. 如申請專利範圍第2項所述的氣相蝕刻反應裝置，更包括一托盤，可經該開口、該入風口以及該出口進出該反應腔。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該出口的尺寸小於該入風口的尺寸。
5. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該排氣道是由一內層排氣道與一外層排氣道所構成的雙層構造。
6. 如申請專利範圍第5項所述的氣相蝕刻反應裝置，更包括一延伸部，自該非反應氣體供氣道最外側朝向該外層排氣道延伸，以增加該氣幕所造成的氣流阻力。
7. 如申請專利範圍第5項所述的氣相蝕刻反應裝置，更包括一托盤，可經該開口、該入風口以及該出口進出該反應腔，該托盤為階梯狀結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，更包括從動於該氣幕的一氣霧裝置，位於該造霧腔內或設於該造霧腔外與該造霧腔連接，以霧化該反應氣體。
9. 如申請專利範圍第8項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該氣霧裝置包括加熱霧化裝置、氣動霧化裝置、壓電霧化裝置或其組合。
10. 如申請專利範圍第9項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該加熱霧化裝置包括：一液體容置區，位於該造霧腔內；以及一加熱元件，用以加熱該液體容置區的液體。
11. 如申請專利範圍第9項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該氣動霧化裝置包括：一文氏管，設於該造霧腔外與該造霧腔連接；以及一供液管，連至該文氏管的隘口部位。
12. 如申請專利範圍第9項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該氣動霧化裝置包括：一液體槽，設於該造霧腔外；以及一載氣源，連通至該造霧腔，且該載氣源經由一供液管連通至該液體槽，將該液體槽中所產生的該反應氣體吹入該造霧腔。
13. 如申請專利範圍第9項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該壓電霧化裝置設於該造霧腔外與該造霧腔連接，並包括壓電塊以及與該壓電塊接觸的震盪片。
14. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，更包括一保溫裝置，設置於該反應腔內。
15. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該反應腔具有向該造霧區傾斜的底部，且在該造霧腔與該反應腔之間更包括至少一通孔，以使冷凝的該尾氣由該底面流經該至少一通孔而流入該液體容置區。
16. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該反應氣體選自氫氟酸、硝酸、硫酸、鹽酸、草酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、有機溶劑或其組合。
17. 如申請專利範圍第1項所述的氣相蝕刻反應裝置，其中該非反應氣體包括壓縮乾燥空氣(CDA)、高壓氮氣或高壓氬氣。
18. 一種氣相蝕刻方法，包括： 提供一氣相蝕刻反應裝置，其包括一槽體，該槽體具有一隔離腔、一造霧腔以及設於該隔離腔與該造霧腔之間的一反應腔，其中該造霧腔與該反應腔之間有一狹縫；該隔離腔與該反應腔之間有一出口相對該狹縫設置；以及於該隔離腔內設置有一隔板，以將該隔離腔分隔成與該出口相連的一排氣道以及遠離該出口的一非反應氣體供氣道，且該隔板具有相對該出口設置的一入風口； 提供非反應氣體通過該非反應氣體供氣道而於該入風口產生一氣幕； 從動於該氣幕而自該造霧腔供應霧化的反應氣體通過該狹縫進入該反應腔，以進行氣相蝕刻並產生尾氣；以及 利用該非反應氣體供氣道與該反應腔之間的壓力差，使該尾氣通過該出口排出該反應腔並從該排氣道排出並以該氣幕防止該尾氣逸散。
19. 如申請專利範圍第18項所述的氣相蝕刻方法，其中供應霧化的該反應氣體的方法包括加熱霧化、氣動霧化、壓電霧化或其組合。
20. 如申請專利範圍第19項所述的氣相蝕刻方法，其中該氣動霧化的方法包括利用一文氏管在常溫進行霧化。
21. 如申請專利範圍第19項所述的氣相蝕刻方法，其中該氣動霧化的方法包括利用一載氣源將該反應氣體自外部的一氣體槽送入該造霧腔。
22. 如申請專利範圍第18項所述的氣相蝕刻方法，更包括提高該反應腔內的溫度。
23. 如申請專利範圍第18項所述的氣相蝕刻方法，其中該反應氣體選自氫氟酸、硝酸、硫酸、鹽酸、草酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、有機溶劑或其組合。
24. 如申請專利範圍第18項所述的氣相蝕刻方法，其中該非反應氣體包括壓縮乾燥空氣(CDA)、高壓氮氣或高壓氬氣。
25. 如申請專利範圍第18項所述的氣相蝕刻方法，其中該非反應氣體供氣道的壓力大於該反應腔的壓力。