干法刻蚀装置和方法与流程

1.本发明涉及刻蚀领域，具体而言，涉及一种干法刻蚀装置和方法。


背景技术：

2.干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。当气体以等离子体形式存在时，等离子体中的气体活性自由基化学活性比常态下的气体时要强很多，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的；还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。
3.现有的反应离子刻蚀rie设备刻蚀面积增大后(直径500mm以上)，面临刻蚀气体分布不均、稳定性一致性差等难题，难以实现大面积微纳结构图形的均匀刻蚀传递。而在大腔体下由于气体扩散延迟效应影响，导致刻蚀残留反应气体滞留刻蚀区域内，难以形成动态平衡的大面积均匀气体组分，造成基片边缘与中心的刻蚀速率相差很大，所以缩小刻蚀设备腔体体积有助于基片的均匀刻蚀。
4.对于大口径的工件，现有技术中存在等离子体激发源和工件之间发生相对移动以便对工件进行分区刻蚀的刻蚀装置，但该装置也存在如下问题：若等离子体激发源固定工件移动，则需要刻蚀腔的体积比较大，刻蚀腔的覆盖面积至少是工件的两倍；若工件不动等离子体激发源移动，由于等离子激发源组成部件相对复杂，移动过程中还需要保证刻蚀腔的密封性，增加了刻蚀设备的加工难度，提高了加工成本。
5.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的包括，例如，提供了一种干法刻蚀装置和方法，其能够减小刻蚀装置的体积，尤其方便一些大口径工件的加工。
7.本发明的实施例可以这样实现：
8.第一方面，本发明提供一种干法刻蚀装置，包括真空反应腔室，真空反应腔室内设置有由转动组件带动的工件盘、刻蚀区和向刻蚀区发射等离子体的等离子体激发源，刻蚀区覆盖工件盘的轴心且位于轴心的一侧，等离子体激发源和刻蚀区之间设置有等离子体密度修正系统。
9.在可选的实施方式中，等离子体密度修正系统包括修正栅网和带动修正栅网转动和移动的运动组件；
10.优选地，沿远离工件盘轴线的方向，修正栅网的网孔覆盖率逐渐减小；
11.优选地，修正栅网和工件盘之间的夹角为0～75
°
；
12.优选地，修正栅网为金属材质或高分子材料。
13.在可选的实施方式中，真空反应腔室内设置有压力监测装置和真空获得设备；
14.优选地，还设置有用于根据压力监测装置监测到的压力控制真空获得设备阀门开
启口径的压力控制器；
15.优选地，压力控制器为pid控制器；
16.优选地，真空获得设备有四台以上，四台以上真空获得设备均匀分布在等离子体激发源四周。
17.在可选的实施方式中，真空泵的出气口上连接有尾气处理装置，尾气处理装置内设置有过滤器，过滤器与尾气接触的位置设置有防腐涂层；
18.优选地，防腐涂层为聚四氟乙烯涂层。
19.在可选的实施方式中，真空反应腔室内设置有温度监测装置和换热器；
20.优选地，还设置有用于根据温度监测装置监测到的温度控制换热器开关的温度控制器；
21.优选地，温度控制器为pid控制器。
22.在可选的实施方式中，等离子体激发源上设置有能够带动等离子体激发源在x、y、z三个方向移动的移动组件；
23.等离子体激发源中与蚀刻气体或等离子体接触的部件均为双相不锈钢材质；
24.等离子体激发源和刻蚀区在z轴方向上的距离在20～100cm之间。
25.在可选的实施方式中，转动组件包括电机、与电机动力输出轴连接的转轴，工件盘安装在转轴上；
26.优选地，电机位于真空反应腔室，真空反应腔室上设置有用于转轴穿出的避让孔，避让孔和转轴之间设置有密封结构。
27.在可选的实施方式中，还包括吹扫装置，吹扫装置包括气源、与气源连接的气管和连接在气管上的吹扫口，吹扫口朝向工件盘设置。
28.第二方面，本发明提供一种利用前述实施方式装置的干法刻蚀方法，将待刻蚀基片置于工件盘上，驱动工件盘，充入刻蚀气体，启动等离子体激发源，对基片进行刻蚀微纳加工；刻蚀前或刻蚀中调整等离子体密度修正系统对等离子体激发源发射的等离子体密度进行修正。
29.在可选的实施方式中，启动等离子体激发源后，在气压和等离子体辉光稳定后，逐渐加大等离子体激发源的功率至指定范围，对基片进行刻蚀微纳加工；
30.优选地，充入刻蚀气体之前，先充入惰性气体对真空反应腔室内的流动气氛进行置换，置换完成后停止充入惰性气体；
31.真空反应腔室压力为3
×
10-2
～3
×
10-1
pa；
32.优选地，真空反应腔室内温度为80-120℃；
33.优选地，工件盘转速0～50r/min；
34.优选地，刻蚀完成后，开启吹扫装置，吹扫气体的流量为0～1scm/h。
35.本发明实施例的有益效果包括，例如：
36.刻蚀时转动工件盘，使得工件围绕工件盘的圆心转动使得工件上个位置依次经过刻蚀区进行刻蚀，本实施例中刻蚀区不需要覆盖整个工件，仅仅覆盖工件的部分即可对工件进行分区刻蚀，相对于传统干法刻蚀系统可以大大降低装置的体积，尤其对于大口径工件，可以显著降低装置的体积。但是同时，本技术的装置和方法也可以用于小口径工件的加工，适用范围更广。
37.本技术利用等离子体激发源的均匀区对转动到刻蚀区内的工件进行刻蚀，但是对于工件而言，单位面积经过离子源均匀区的时间随着与工件盘轴线距离的增加而减小，因此会造成工件刻蚀的不均匀性，因此在等离子体激发源和刻蚀区之间设置有等离子体密度修正系统，可同时修正等离子体激发源的等离子密度和旋转工件不同位置的等离子密度，进而调控大口径基片的刻蚀均匀性。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
39.图1为本技术中干法刻蚀装置的结构示意图。
40.图标：100-干法刻蚀装置；110-真空反应腔室；120-工件盘；121-转动组件；130-等离子体激发源；131-气体储罐；140-修正栅网140；150-压力监测装置；151-真空获得设备；152-尾气处理装置；160-温度监测装置；161-换热器；170-吹扫装置。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
47.请参考图1，本实施例提供了一种干法刻蚀装置100，包括真空反应腔室110，真空反应腔室110内设置有由转动组件121带动的工件盘120、刻蚀区和向刻蚀区发射等离子体的等离子体激发源130，刻蚀区覆盖工件盘120的轴心且位于轴心的一侧，等离子体激发源130和刻蚀区之间设置有等离子体密度修正系统。
48.本实施例提供的干法刻蚀装置100使用时，首先对工件盘120和等离子体激发源
130的位置进行调整，然后调整等离子体密度修正系统，对等离子体激发源130发射的等离子体的密度进行调整。装置调整完毕后，将工件固定在工件盘120上，然后开启等离子体激发源130进行刻蚀。
49.工件安装在工件盘120圆心位置，刻蚀时转动工件盘120，使得工件围绕工件盘120的圆心转动使得工件上个位置依次经过刻蚀区进行刻蚀，本实施例中刻蚀区不需要覆盖整个工件，仅仅覆盖工件的部分即可对工件进行分区刻蚀，相对于传统干法刻蚀系统可以大大降低装置的体积。
50.等离子体激发源130产生的等离子体在一定范围内可以看做是均匀的，本实施例主要是利用等离子体激发源130的均匀区对转动到刻蚀区内的工件进行刻蚀，但是对于工件而言，单位面积经过离子源均匀区的时间随着与工件盘120轴线距离的增加而减小，因此会造成工件刻蚀的不均匀性，因此在等离子体激发源130和刻蚀区之间设置有等离子体密度修正系统。
51.进一步地，等离子体密度修正系统包括修正栅网140和带动修正栅网140转动和移动的运动组件；
52.优选地，沿远离工件盘120轴线的方向，修正栅网140的网孔覆盖率逐渐减小；
53.优选地，修正栅网140和工件盘120之间的夹角为0～75
°
；
54.优选地，修正栅网140为金属材质或高分子材料。
55.本实施例中的等离子体密度修正系统包括修正栅网140，修正栅网140上设置有网孔，等离子体撞击在修正栅网140上即可被拦截，透过网孔即可继续向前移动至刻蚀区对工件进行刻蚀，通过调整网孔的尺寸和排布，可以调整穿过修正栅网140的等离子体的密度，为了能够有效拦截等离子体，修正栅网140优选金属材质或高分子材料，优选的为不锈钢材质。
56.等离子体激发源130产生的等离子体的运行轨迹进行调整，将修正栅网140设置成可转动的，一方面可以调整等离子体的运行轨迹，另一方面可以调整刻蚀速度。
57.运动组件本领域技术人员可以在现有技术中进行选择，具体的，可以在真空反应腔室110内设置转轴，转轴一侧设置有能够推动修正栅网沿转轴转动的推杆即可，其中推杆可以是电动或气动伸缩杆，通过控制伸缩杆长度、从而控制修正栅网140的角度；另外，转轴和推杆均可以设置在一个底座上，底座通过了涡轮蜗杆等传动结构在真空反应腔室内移动即可，但需注意保持真空反应腔室的密封。
58.如前，单位面积经过离子源均匀区的时间随着与工件盘120轴线距离的增加而减小，为了修正这种位置带来的不均匀性，修正栅板上不同位置的网孔覆盖率也有所不同，具体可以根据离散数学进行计算。
59.另外，需要考虑的是，等离子体激发源130产生的等离子体，由于受线圈产生的磁场强度的非均匀性、刻蚀气体扩散的影响，产生的等离子体密度分布并不均匀，通常，这样的不均匀体现在其等离子体浓度在源中心最高，并沿该中心径向减少，因此前述的离子源均匀区实际上是一种近似的均匀，若考虑到离子源的不均匀性，则修正栅板需要根据等离子体激发源130的实际情况“量身定做”。
60.刻蚀过程中，需要选择不同的气体以适应不同材料的工件，所以等离子体激发源130可以配置有多个气体储罐131，气体储罐131内气体的流量由气体质量流量控制器mfc控
制。
61.进一步地，真空反应腔室110内设置有压力监测装置150和真空获得设备151；
62.优选地，还设置有用于根据压力监测装置150监测到的压力控制真空获得设备151阀门开启口径的压力控制器；
63.优选地，压力控制器为pid控制器；
64.优选地，真空获得设备151有四台以上，四台以上真空获得设备151均匀分布在等离子体激发源130四周。
65.为保证真空反应腔室110内的真空度，设置压力监测装置150和真空获得设备151，当压力监测装置150监测到真空反应腔室110内压力过高，则开启真空获得设备151，本实施例中的压力监测装置150和真空获得设备151只要能够满足设备需要即可，本领域技术人员可以在现有技术中合理选择。
66.真空获得设备151的开启口径可以由操作人员手动控制，但是考虑到设备可能需要长时间工作，为了降低操作者的负荷，节约人力，设置压力控制器，当真空反应腔室110内监测到压力超过预定值时，压力控制器控制真空获得设备151口径增加以增加抽真空速率；当真空反应腔室110内监测到压力在预设值范围内时，压力控制器控制真空获得设备151减小口径。本实施例中的压力控制器可以在现有技术中进行选择，仅需要具有简单的判断压力监测装置150传输的压力是否在设定范围内并根据判断结果增加或减小真空获得设备151抽真空的速率即可。具体地，本实施例中可以采用pid控制器，在控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力方面均具有优势；真空获得设备可以选择合适规格的真空泵。
67.为了减少真空获得设备151抽真空时对反应腔室内气流的扰动，真空获得设备151可以尽量均匀分布在分布在等离子体激发源130四周。
68.进一步地，真空获得设备151的出气口上连接有尾气处理装置152，尾气处理装置152内设置有过滤器，过滤器与尾气接触的位置设置有防腐涂层；
69.优选地，防腐涂层为聚四氟乙烯涂层。
70.刻蚀过程中，需要选择不同的气体以适应不同材料的工件，这些气体由真空获得设备151抽出真空反应腔室110，气体在真空反应腔室110内经过一些列反应后有些形成了有毒有害气体或微小粒子，为了降低对环境的污染设置尾气处理装置152。
71.尾气处理装置152内设置有过滤器，对微小粒子进行过滤，为了提高过滤器的使用寿命，设置防腐涂层。
72.进一步地，真空反应腔室110内设置有温度监测装置160和换热器161；
73.优选地，还设置有用于根据温度监测装置160监测到的温度控制换热器161开关的温度控制器；
74.优选地，温度控制器为pid控制器。
75.为保证真空反应腔室110内的温度在指定范围内，设置温度监测装置160和换热器161，当温度监测装置160监测到真空反应腔室110内温度过高，则开启换热器161进行降温；当温度监测装置160监测到真空反应腔室110内温度过低，则开启换热器161进行加热。本实施例中的温度监测装置160和换热器161只要能够满足设备需要即可，本领域技术人员可以在现有技术中合理选择。具体的，换热装置可以为加热棒。
76.换热器161的开启和关闭可以由操作人员手动控制，但是考虑到设备可能需要长
时间工作，为了降低操作者的负荷，节约人力，设置温度控制器，当真空反应腔室110内监测到温度超过预定值时，温度控制器控制换热器161开启制冷功能降低温度；当真空反应腔室110内监测到温度在预设值范围内时，温度控制器控制换热器161关闭或减小功率。本实施例中的温度控制器可以在现有技术中进行选择，仅需要具有简单的判断温度监测装置160传输的温度是否在设定范围内并根据判断结果开启、增加功率、减小功率或关闭换热器161即可。
77.具体地，本实施例中可以采用pid控制器，在控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力方面均具有优势。
78.进一步地，等离子体激发源130上设置有能够带动等离子体激发源130在x、y、z三个方向移动的移动组件；
79.等离子体激发源130中与蚀刻气体或等离子体接触的部件均为双相不锈钢材质；
80.等离子体激发源130和刻蚀区在z轴方向上的距离在20～100cm之间。
81.进行刻蚀时，需要根据工件情况对等离子体激发源130和工件盘120之间的距离进行调整，因此设置移动组件，带动等离子体激发源130移动。
82.本实施例中的移动组件只要能够带动离子体激发源在三维空间内移动即可，具体实施方式可以在现有技术中选择，可以参考导轨丝杠结构，但是由于真空反应腔室110内需要保持一定的真空度，因此需要注意密封。
83.进一步地，转动组件121包括电机、与电机动力输出轴连接的转轴，工件盘120安装在转轴上；
84.优选地，电机位于真空反应腔室110，真空反应腔室110上设置有用于转轴穿出的避让孔，避让孔和转轴之间设置有密封结构。
85.具体工作时，电机带动转轴转动，从而带动工件盘120进行转动，为了方便控制电机的开关，将电机设置在真空反应腔室110外，由于真空反应腔室110内需要保持一定的真空度，因此在避让孔和转轴之间设置有密封结构。
86.本实施例中的密封结构可以在现有技术中选择，例如可以选择密封轴承。
87.为了方便调整工件盘120和等离子体激发源130之间的距离，可以将工件盘120设置成高度可调的，具体的转轴和工件盘120之间可以设置电动伸缩杆。进一步地，还包括吹扫装置170，吹扫装置170包括气源、与气源连接的气管和连接在气管上的吹扫口，吹扫口朝向工件盘120设置。
88.刻蚀结束后，开启吹扫装置170对工件盘120上的工件进行吹到，实现工件的清洗和降温。
89.吹扫装置170的吹扫区和刻蚀区可以重叠也可以分开，但均需避免吹扫装置170和等离子体激发源130之间相互干扰。
90.本技术的另一个实施例提供了一种利用前述实施方式装置的干法刻蚀方法，将待刻蚀基片置于工件盘120上，驱动工件盘120，充入刻蚀气体，启动等离子体激发源130，对基片进行刻蚀微纳加工；刻蚀前或刻蚀中调整等离子体密度修正系统对等离子体激发源发射的等离子体密度进行修正。
91.进一步地，启动等离子体激发源130后，在气压和等离子体辉光稳定后，逐渐加大等离子体激发源的功率至指定范围，对基片进行刻蚀微纳加工；
92.优选地，充入刻蚀气体之前，先充入惰性气体对真空反应腔室内的流动气氛进行置换，置换完成后停止充入惰性气体；
93.真空反应腔室110压力为3
×
10-2
～3
×
10-1
pa；
94.优选地，真空反应腔室110内温度为80-120℃；
95.优选地，工件盘120转速0～50r/min；
96.优选地，刻蚀完成后，开启吹扫装置170，吹扫气体的流量为0～1scm/h。
97.本实施例中，将大口径工件置于工件盘120上过圆心处，通过工件盘120的转动使得大口径工件分区域逐渐经过刻蚀区，对大口径工件进行分区刻蚀，通过等离子体密度修正系统调整等离子体密度，减轻工件不同位置经过离子源均匀区的时间不同造成的不均匀性。
98.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。