TMAH硅雾化气相刻蚀系统的制作方法

本发明属于半导体制造领域，具体是一种基于tmah对硅的雾化气相刻蚀系统。

背景技术：

mems（microeiectro-mechanicalsystem，微电子机械系统）技术是在半导体制造技术上发展起来的一种可批量制造微传感器、微执行器、信号处理和控制电路等于一体的制造技术。mems技术主要包含光刻、刻蚀、键合、薄膜生长、liga、硅微加工、非硅加工等工艺过程。

硅表面刻蚀以及体硅刻蚀是mems技术中的关键工艺，目前常用的刻蚀方式可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀主要使用koh和tmah（tetramethylammoniumhydroxide）等碱性溶液与硅发生化学反应，从而实现对硅的各向异性刻蚀。koh具有较快的刻蚀速率、较好的刻蚀均匀性；不过在该溶液中sio2与硅的选择比较小，同时，其中含有的k+离子不能与cmos工艺兼容。tmah中不含有金属离子，可与cmos工艺兼容，同时对sio2具有较大的选择比，因而，近年来tmah正逐步取代其他碱性溶液成为mems工艺中的主要刻蚀液。干法刻蚀主要采用icp（inductivelycoupledplasma）、rie（reactiveionetching）、drie（deepreactiveionetching）等技术对硅进行物理化学刻蚀，主要包括反应离子轰击刻蚀表面以及反应气体与刻蚀表面物质反应。

干法刻蚀具有较好的线宽控制，很好的侧壁剖面控制；不过干法刻蚀存在对下层材料的刻蚀选择比较差、等离子体诱导损伤、成本较高等缺点。湿法刻蚀虽然成本较低，但是结构暴露于碱溶液中，存在各步工艺过程难以兼容的问题。尤其是在硅的深刻蚀过程中，以上两种刻蚀技术的缺点将进一步显现，同时还存在刻蚀表面质量较、均匀性较差的问题。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种tmah硅雾化气相刻蚀系统，该刻蚀系统采用一种介于湿法刻蚀和干法刻蚀之间的硅刻蚀技术，主要针对硅基mems器件的背腔深刻蚀工艺，可以实现低成本的同时能够很好的保证工艺的兼容性、良好的刻蚀表面质量、较高的刻蚀速率以及刻蚀均匀性，同时还实现了非刻蚀面结构的保护。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种tmah硅雾化气相刻蚀系统，包括雾化腔和刻蚀腔，所述刻蚀腔顶面放置晶元夹具、并通过背面保护腔盖合密封；所述雾化腔和刻蚀腔之间通过雾化液滴输送管连通，所述雾化液滴输送管上安装雾化流量阀；所述雾化腔内盛装tmah溶液、且其底面安装超声换能器和风动装置；所述刻蚀腔通过回流管与冷凝腔进口连接，所述回流管上安装回流阀，所述冷凝腔出口连接液体回流管，所述液体回流管伸入雾化腔并没入tmah溶液中，所述液体回流管上连接尾气处理接口；所述冷凝腔通过冷却水进水管路和冷却水回水管路连接水冷机。

所述刻蚀腔和背面保护腔内壁均设置有加热丝，所述背面保护腔内安装背面保护腔温度传感器；所述刻蚀腔内安装刻蚀腔温度传感器和刻蚀腔压力传感器；所述雾化腔内安装雾化器压力传感器。

所述雾化腔连接氮气管路ⅰ，所述氮气管路ⅰ上安装氮气流量阀ⅰ；所述刻蚀腔连接氮气管路ⅱ，所述氮气管路ⅱ上安装氮气流量阀ⅱ；所述氮气管路ⅰ和氮气管路ⅱ并接后连接氮气源。

雾化腔内装入浓度高于25%的tmah液体。打开背面保护腔，将晶元夹具放置在刻蚀腔顶面，然后将表面保护腔密封盖合在刻蚀腔内，夹具将背面保护腔和刻蚀腔分隔开。系统工作主要包括开机、初始化、送片、刻蚀、取片5个步骤。其中初始化主要完成检测该设备是否正常和各阀门、加热丝的开关；为下一步刻蚀提供条件。刻蚀过程可分为刻蚀初始化、送片、构建刻蚀条件、刻蚀、刻蚀终止和取片几个过程。刻蚀初始化主要完成开启水冷机，开启雾化系统和关闭各腔室阀门，其中开启雾化系统主要包括打开超声换能器、打开风动装置。构建刻蚀条件主要包括加热刻蚀腔以及背面保护腔，使其温度稳定在120℃左右。刻蚀时主要需调节连接雾化腔的氮气流量阀ⅰ、气体回流阀和加热丝加热功率，以达到稳定刻蚀腔压力和温度的目的以及构建雾化腔压力大于刻蚀腔压力的条件。当刻蚀时长达到预设刻蚀时间时，首先关闭雾化液滴输送管路上的雾化流量阀以及停止加热，接下来打开连接刻蚀腔的氮气管路ⅱ上面的氮气流量阀ⅱ通入氮气吹扫刻蚀腔室，待吹扫结束后执行取片程序。在开机升温阶段，使用较大的加热功率加热tmah溶液，并实时监测腔室内的温度和气压，通过判断实际温度与目标温度的差值调整加热功率，从而使温度稳定的升至目标温度；同时调节回流阀开度，使雾化腔温度气压维持在一个相对稳定的状态。刻蚀腔温度主要通过调节刻蚀腔和背面保护腔周围加热丝的加热功率来保证刻蚀所需温度（120℃）；刻蚀腔气压主要通过调节回流阀和雾化液滴输送管路上的雾化流量阀的开度以稳定刻蚀腔气压。刻蚀腔在此温度条件，雾化的tmah液滴很快汽化，从而实现气相刻蚀的目的。

系统稳定后，tmah雾化液通过雾化液滴输送管进入刻蚀腔，雾化后的tmah液滴进入温度高于tmah沸点的刻蚀腔后很快被汽化，实现对单晶硅的气相刻蚀。刻蚀腔设置有温度传感器和压力传感器，用于监测刻蚀腔的温度和气压，背面保护腔设置有温度传感器来检测硅片背面的温度；控制系统再结合雾化腔压力传感器的回传数据，调节刻蚀腔和背面保护腔加热丝的加热功率，同时调整雾化腔输送管路上的阀门，以达到为刻蚀过程提供相对稳定的刻蚀温度和气压。刻蚀腔内tmah气体通过回流管路，进入冷凝腔，经冷凝后流回雾化腔。水冷机控制冷却水温度约为20℃，并且提供动力使冷却水通过冷却水循环管路流经冷却腔外壁，以达到冷凝tmah气体的目的。冷凝后的tmah液体通过液体回流管回流至雾化腔，剩余的尾气（主要包含n2和反应生成h2）通过尾气处理管路输送至尾气处理装置。

本发明系统气相刻蚀采用tmah气体作为刻蚀剂，与通常的湿法刻蚀使用60℃至90℃温度区间不同，tmah气相刻蚀主要利用了高于其沸点（100℃-110℃，tmah沸点与浓度有关）低于其分解温度（130℃）的温度区间，通常使用110℃-125℃。在高于tmah沸点的温度区间内，刻蚀表面处于tmah气体环境中，硅与碱发生化学反应，从而对硅进行各向异性腐蚀。在使用tmah对<100>晶向单晶硅刻蚀时，在浓度为4%的tmah溶液中刻蚀速率最大（约为1μm/min），同时刻蚀表面粗糙度也较大（数百纳米）。在tmah浓度大于4%的条件下，硅的刻蚀速率随tmah浓度增大而减小，刻蚀表面粗糙度随浓度增加而减小。本发明主要使用浓度大于25%的tmah溶液经雾化后通入高于其沸点的环境中汽化成tmah气体与硅发生化学反应。通常，化学反应反应速率随温度呈指数增加；tmah气相刻蚀使用的刻蚀温度较常规湿法刻蚀高约30℃，速率比同浓度湿法刻蚀高4-8倍。实验研究证明，该系统实现了硅高速刻蚀（大于1.5μm/min），同时刻蚀表面较为光滑（粗糙度ra<10nm）。与此同时，该气相刻蚀系统可以通过增大刻蚀腔体的气压以进一步提高刻蚀速率。该刻蚀系统通过背面保护腔实现了硅片背面已完成结构与刻蚀面的分离，从而保证了该步硅刻蚀工艺与以完成工艺之间的兼容性。

附图说明

图1表示tmah雾化气相刻蚀系统框图。

图2表示基于tmah雾化气相刻蚀系统的刻蚀装置示意图。

图3表示系统工作流程图。

图4表示刻蚀系统送片工作流程图。

图5表示该刻蚀系统的取片流程图。

图6表示刻蚀过程工作流程图。

图7表示刻蚀腔温度气压控制示意图。

图中：1-控制面板，2-传送腔，3-晶元夹具，4-液压传动机构，5-背面保护腔，6-保温层，7-加热丝，8-背面保护腔温度传感器，9-液压泵，10-密封垫圈，11-刻蚀腔温度传感器，12-刻蚀腔，13-气体回流管，14-回流阀，15-冷凝腔，16a-冷却水进水管，16b-冷却水回水管，17-水冷机，18-尾气处理接口，19-雾化腔压力传感器，20-液体回流管，21-风动装置，22-超声换能器，23-tmah溶液，24-雾化腔，25-雾化腔液滴输送管，26-雾化流量阀，27-氮气管路ⅰ，28-氮气流量阀ⅰ，29-氮气流量阀ⅱ，30-氮气管路ⅱ，31-刻蚀腔压力传感器，32-喷淋装置，33-机械臂，34-步进电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种tmah硅雾化气相刻蚀系统，如图1所示，包括：控制系统、雾化系统、传送系统、刻蚀系统和水冷系统；其中，水冷系统用于冷凝tmah气体；刻蚀系统用于刻蚀单晶硅以及达到相关刻蚀条件，刻蚀硅片时刻蚀腔内使用的温度为高于tmah沸点，使tmah呈气态的状态下对硅进行刻蚀；传送系统用于传输以及清洗刻蚀硅片；雾化系统用于产生及输送tmah液滴至刻蚀腔，通过将tmah溶液雾化的方式，可以提供浓度更加稳定的tmah气体，进一步保证了刻蚀的稳定性；控制系统用于控制水冷系统、刻蚀系统、雾化系统以及传送系统的协调工作，即分别控制控制传送电机、液压泵以及雾化腔内超声振荡器和风动装置的工作，同时还通过调节加热丝的加热功率以及各阀门的开度以控制刻蚀系统的温度和压力。

具体连接关系如图2所示，一种基于上述雾化气相刻蚀系统的刻蚀装置。

雾化系统主要包含雾化腔、超声换能器、风动装置、tmah溶液、压力传感器组成。雾化腔24内盛装tmah溶液23、且其底面安装超声换能器22和风动装置21，tmah溶液没过超声换能器；雾化腔24内安装雾化器压力传感器19。雾化腔24和刻蚀腔12之间通过雾化液滴输送管25连通，雾化液滴输送管25上安装雾化流量阀26。通过超声换能器的高频震荡，使tmah液体表面发生隆起，在隆起的液体表面发生空化作用，从而使tmah液体雾化成小液滴；再通过风动装置使雾化的tmah液滴均匀的分散到雾化腔。雾化腔24连接氮气管路ⅰ27，所述氮气管路ⅰ27上安装氮气流量阀ⅰ28；所述刻蚀腔12连接氮气管路ⅱ30，所述氮气管路ⅱ30上安装氮气流量阀ⅱ29；所述氮气管路ⅰ27和氮气管路ⅱ30并接后连接氮气源。通过氮气管路通入氮气，使雾化腔保持正压，使雾化的tmah液滴进入刻蚀腔。根据雾化腔压力传感器和刻蚀腔压力传感器的实测压力来调节氮气流量，使得雾化腔和刻蚀腔保持相对稳定的压力差。雾化腔采用石英或聚四氟乙烯等耐腐蚀材料制成，雾化腔内的压力传感器、超声换能器和风动装置均有耐腐蚀材料制成或添加耐腐蚀涂层。

刻蚀系统主要包含刻蚀腔、加热丝、保温层、温度传感器、压力传感器组成。刻蚀腔12顶面放置晶元夹具3、并通过背面保护腔5盖合密封，刻蚀腔、夹具、背面保护腔之间设置有密封垫圈10；刻蚀腔12和背面保护腔5外表面均设置有保温层6。刻蚀腔12和背面保护腔5内壁均设置有加热丝7，背面保护腔5内安装背面保护腔温度传感器8；刻蚀腔12内安装刻蚀腔温度传感器11和刻蚀腔压力传感器31。刻蚀腔12通过回流管13与冷凝腔15进口连接，回流管13上安装回流阀14，冷凝腔15出口连接液体回流管20，液体回流管20伸入雾化腔24并没入tmah溶液23中，液体回流管20上连接尾气处理接口18。刻蚀腔通过雾化液滴输送管（石英管路）与雾化腔连接，同时该石英管路上还设置有雾化流量阀，通过阀门控制流入刻蚀腔的气体流量。刻蚀腔12内刻蚀温度为（高于tmah沸点的）

110℃-125℃，雾化后的tmah液滴进入温度高于tmah沸点的刻蚀腔后很快被汽化，实现对单晶硅的气相刻蚀。刻蚀腔设置有温度传感器和压力传感器，用于监测刻蚀腔的温度和气压，背面保护腔设置有温度传感器来检测硅片背面的温度；控制系统再结合雾化腔压力传感器的回传数据，调节刻蚀腔和背面保护腔加热丝的加热功率，同时调整雾化腔输送管路上的阀门，以达到为刻蚀过程提供相对稳定的刻蚀温度和气压。

水冷系统主要包含水冷机、冷却腔、冷却水进水和回水管路。冷凝腔15通过冷却水进水管路16a和冷却水回水管路16b连接水冷机17。水冷机控制冷却水温度约为20℃，并且提供动力使冷却水通过冷却水循环管路流经冷却腔外壁，以达到冷凝tmah气体的目的。冷凝后的tmah液体通过液体回流管回流至雾化腔，剩余的尾气（主要包含n2和反应生成h2）通过尾气处理管路输送至尾气处理装置。

传送系统主要包含电机、机械臂、喷淋装置、液压泵，液压传动机构。液压泵9通过液压传动机构4控制背面保护腔5的打开和密封盖合；步进电机34控制机械臂33实现晶元夹具3的放置和取出；所述机械臂33位于传送腔2内，传送腔2内设置喷淋装置32。当需要取出或放入待刻蚀硅片时，首先通过控制系统使液压泵工作，从而驱动刻蚀腔打开，接下来电机驱动机械臂将待刻蚀硅片连同晶元夹具传入刻蚀腔，最后收回机械臂，关闭刻蚀腔。喷淋装置主要用于清洗刻蚀后残留物的装置。特别地，夹具采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材质制成，用于夹持待刻蚀硅片，夹持硅片时待刻蚀表面向下放置；机械臂的运动可以使用齿轮-齿条机构实现传动；电机可采用步进电机实现精确平稳传动，从而保证传动系统的可靠运行。

控制系统主要包含控制面板和数据传输线，主要控制所刻蚀硅片传送和稳定刻蚀过程。传送硅片时，控制系统需完成控制液压泵工作、传送腔打开和传送电机工作。在刻蚀过程中，控制系统需实时监测背面保护腔温度传感器、刻蚀腔温度传感器、加热腔温度传感器、刻蚀腔压力传感器和加热腔压力传感器；根据实时监测数据，调节刻蚀腔、背面保护腔的加热丝加热功率以及回流阀和雾化管路上的阀门，以达到稳定刻蚀条件的目的。

具体实施时，连接刻蚀腔12和雾化腔24的各阀门（包括氮气流量阀ⅰ28、氮气流量阀ⅱ29、回流阀14、尾气处理接口18和连接雾化腔与刻蚀腔的雾化流量阀26均采用耐腐蚀电磁阀；气体回流管13、液体回流管20、氮气管路ⅰ27、氮气管路ⅱ30以及雾化液滴输送管25均采用耐高温防腐蚀的聚四氟乙烯（长期工作温度为-180℃至250℃）或石英等材料制成；刻蚀腔12、雾化腔24和背面保护腔5采用高纯石英制成；使用的各温度以及压力传感器均要通过防腐蚀处理；晶元夹具3采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料制成，同时分别针对3-8英寸硅片分别设计不同规格的夹具，以满足不同规格硅片的刻蚀；控制系统可采用labview等软件编写可视化控制系统，控制系统安装于pc上。

图3为系统工作流程图，该系统工作主要包括开机、初始化、送片、刻蚀、取片5个步骤。其中初始化主要完成检测该设备是否正常和各阀门、加热丝的开关；为下一步刻蚀提供条件。

如图4所示为该刻蚀系统的送片流程图，送片主要可分为将刻蚀硅片放入传送腔夹具3、打开传送腔2、打开刻蚀腔12、机械臂33传送硅片至刻蚀腔12、收回机械臂33、关闭刻蚀腔12和传送腔2这6个步骤。具体地，根据所刻蚀晶元规格选择合适的夹具3；控制系统驱动步进电机34工作，以齿轮齿条机构将待刻蚀硅片和夹具3送入刻蚀腔；然后收回机械臂33，关闭刻蚀腔12和传送腔2。

图5为该刻蚀系统的取片流程图，取片过程可分为打开刻蚀腔12、打开传送腔2、机械臂33取片、收回机械臂33、关闭刻蚀腔12和传送腔2、去离子水清洗硅片。具体地，刻蚀腔12使用液压传动的方式控制其开关，主要是为了保证能平稳的打开关闭刻蚀腔12。

图6所示为刻蚀过程工作流程图，刻蚀过程可分为刻蚀初始化、送片、构建刻蚀条件、刻蚀、刻蚀终止和取片等几个过程。刻蚀初始化主要完成开启水冷机17，开启雾化系统和关闭各腔室阀门，其中开启雾化系统主要包括打开超声换能器22、打开风动装置21。构建刻蚀条件主要包括加热刻蚀腔12以及背面保护腔5，使其温度稳定在110℃左右。刻蚀时主要需调节连接雾化腔24的氮气流量阀ⅰ28、气体回流阀14和加热丝7加热功率，以达到稳定刻蚀腔12压力和温度的目的以及构建雾化腔24压力大于刻蚀腔12压力的条件。当刻蚀时长达到预设刻蚀时间时，首先关闭雾化液滴输送管路25上的雾化流量阀26以及停止加热，接下来打开连接刻蚀腔12的氮气管路ⅱ30上面的流量阀ⅱ29，通入氮气吹扫刻蚀腔12，待吹扫结束后执行取片程序。

图7所示为刻蚀腔12温度气压控制示意图，刻蚀腔12温度主要通过调节刻蚀腔12和背面保护腔5周围加热丝7的加热功率来保证刻蚀所需温度（110℃-125℃）；刻蚀腔12气压主要通过调节回流阀14和雾化液滴输送管路25上的雾化流量阀26的开度以稳定刻蚀腔气压。刻蚀腔12在此温度条件，雾化的tmah液滴很快汽化，从而实现气相刻蚀的目的。

最后要说明的是，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本技术领域的普通技术人员也应当理解，在本发明的实质范围内所做的变化，改性，添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结

本发明公开一种TMAH硅雾化气相刻蚀系统，包括：水冷系统用于冷凝TMAH气体；刻蚀系统用于刻蚀单晶硅以及达到相关刻蚀条件，刻蚀硅片时刻蚀腔内使用的温度高于TMAH沸点，使TMAH呈气态的状态下对硅进行刻蚀；传送系统用于传输以及清洗刻蚀硅片；雾化系统用于产生及输送TMAH液滴至刻蚀腔，通过将TMAH溶液雾化方式，提供浓度更加稳定的TMAH气体，保证刻蚀稳定性；控制系统用于控制水冷系统、刻蚀系统、雾化系统及传送系统协调工作。该系统实现硅高速刻蚀，同时刻蚀表面较为光滑；气相刻蚀通过增大刻蚀腔体的气压以进一步提高刻蚀速率。该系统实现了对硅片非刻蚀面上结构实现了有效的保护，保证了硅刻蚀工艺与以完成工艺之间的兼容性。