CN104715995A - 一种气体供应装置及其等离子体反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体供应装置及其等离子体反应装置，所述气体供应装置装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体输送到真空反应腔内。采用体积固定的气体存储器，通过对其内部压强的监测可以方便、精确的控制气体进入反应腔的流量，同时，使用控制阀门可以快速的实现气体存储器的充气和放气，改善了传统技术中由于采用流量控制装置MFC导致的气体切换速率达不到要求导致的硅通孔侧壁上的扇贝状粗糙面严重，以及在射频功率为脉冲输出时反应气体的浪费等问题。

Description

一种气体供应装置及其等离子体反应装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，尤其涉及一种等离子体反应装置的快速供气技术领域。

背景技术

等离子体反应装置广泛应用于集成电路的制造工艺中，如沉积、刻蚀等。其中，常用的等离子体反应装置包括电容耦合型等离子体反应装置CCP和电感耦合型等离子体装置ICP，等离子体反应装置的原理主要是使用射频功率将输入反应装置中的反应气体解离成等离子体，利用该等离子体对放置于其内部的基片进行等离子体刻蚀处理，不同刻蚀工艺需要的反应气体不尽相同。

如在硅通孔刻蚀工艺中，由于需要刻蚀的硅通孔深度较大，为了能够有效的进行刻蚀，常采用下述步骤进行刻蚀：第一，刻蚀步骤，在等离子体反应腔内通入刻蚀气体，在硅基底表面进行通孔刻蚀；第二，聚合物沉积步骤，在等离子体反应腔内通入沉积气体，所述沉积气体在通孔侧壁沉积形成侧壁保护。刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，直至通孔刻蚀完成。采用该方法的特点是能够刻蚀较深的硅孔，但是由于刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，会在侧壁形成扇贝状的粗糙表面，对硅孔的后续工艺产生不良影响，故为了保证硅孔刻蚀的合格率，需要硅孔侧壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一种降低硅孔侧壁扇贝状粗糙表面的方式是提高刻蚀步骤和沉积步骤的交替频率，降低每一步刻蚀步骤和沉积步骤所需时间，然而，随着所需时间的降低，等离子体反应装置内各种参数的不稳定性和不确定性随之产生。当刻蚀步骤和沉积步骤的时间间隔小于1s时，为等离子体反应装置提供反应气体的气体流量控制阀MFC成为一个瓶颈，MFC无法达到如此快速的切换。如果需要刻蚀步骤和沉积步骤的交替时间小于0.5s，MFC将无法达到反应装置的需求，使得整个刻蚀工艺出现不稳定状况，工艺结果无法保证可重复和可控制。因此，不同反应气体快速切换并及时输送到等离子体处理装置内是目前硅通孔刻蚀的急需解决的问题。

在另外的应用中，为了保证刻蚀工艺的顺利进行，需要将射频功率设置为脉冲输出，即将射频功率设置为高电平输出和低电平输出（可以为0），为了避免反应气体的浪费，所述反应气体可以仅在射频功率为高电平输出时输入反应腔，由于射频功率的脉冲频率较大，需要较快的装置对反应气体进行关闭和输送。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体供应装置，所述装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体输送到真空反应腔内。

优选的，所述气体存储器的出口处设置一流速控制装置，所述流速控制装置控制所述气体存储器中的气体进入所述真空反应腔内的流速。

优选的，所述气体存储器通过第三控制阀门连接一出气孔，用于调节气体存储器内的压力。

优选的，所述反应气体源和所述第一控制阀门之间设置一第四控制阀门，所述第四控制阀门通过输气管道连接一抽气泵。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体反应装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一放置基片的基座，所述基座连接一射频功率源，所述真空反应腔外设置一气体供应装置，所述气体供应装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体不连续的输送到真空反应腔内。

优选的，所述射频功率源的输出为脉冲输出，所述脉冲输出包括高电平输出和低电平输出两种状态，所述反应气体在所述脉冲输出为高电平时输入所述真空反应腔，所述脉冲输出为低电平时停止输入所述真空反应腔。

优选的，所述射频功率源的输出为低电平时，所述低电平可以为0。

优选的，所述真空反应腔可以连接两组或两组以上的气体供应装置。

优选的，所述反应腔外设置两组气体供应装置，所述一组气体供应装置的反应气体源向其气体存储器输送刻蚀反应气体，所述另一组气体供应装置的反应气体源向其对应的气体存储器输送沉积反应气体，所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替注入所述真空反应腔内。

优选的，所述刻蚀反应气体包括CF4、O2、SF6或Ar中的一种或多种，所述沉积反应气体包括C4F8、氩气和氦气中的一种或多种。

优选的，所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替时间小于等于1s。

优选的，所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替时间小于等于0.4s。

本发明的优点在于：所述气体供应装置装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体输送到真空反应腔内。采用体积固定的气体存储器，通过对其内部压强的监测可以方便、精确的控制气体进入反应腔的流量，同时，使用控制阀门可以快速的实现气体存储器的充气和放气，改善了传统技术中由于采用流量控制装置MFC导致的气体切换速率达不到要求导致的硅通孔侧壁上的扇贝状粗糙面严重，以及在射频功率为脉冲输出时反应气体的浪费等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。

图1示出一种电感耦合型等离子体反应装置结构示意图；

图2示出本发明所述气体供应装置示意图；

图3示出另一实施例的所述气体供应装置示意图；

图4示出一种电容耦合型等离子体反应装置结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种气体供应装置及其所在的等离子体反应装置，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出一种电感耦合型等离子体反应装置结构示意图，电感耦合型等离子体反应装置包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁105，反应腔侧壁105上方设置一绝缘窗口130，绝缘窗口130上方设置电感耦合线圈140，电感耦合线圈140连接射频功率源145。反应腔侧壁105靠近绝缘窗口130的一端设置气体喷入口150，气体喷入口150连接气体供应装置10。气体供应装置10中的反应气体经过气体喷入口150进入真空反应腔100，射频功率源145的射频功率驱动电感耦合线圈140产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体160。在真空反应腔100的下游位置设置一基座110，基座110上放置静电卡盘115用于对基片120进行支撑和固定。等离子体160中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵125，用于将反应副产物排出真空反应腔内。

在图1所示的实施例中，基片120为硅材料，反应腔内进行的刻蚀工艺为硅通孔刻蚀工艺，又称TSV刻蚀工艺。本刻蚀工艺的特点是，需要刻蚀的硅通孔深度较大，为了避免刻蚀过程中硅通孔的形貌发生弯曲，保证刻蚀的通孔符合要求，目前常用的一种刻蚀方法叫做博世工艺。博世工艺包括两个步骤，第一，刻蚀步骤，在真空反应腔内通入刻蚀气体，在硅基底表面进行通孔刻蚀；第二，聚合物沉积步骤，在真空反应腔内通入沉积气体，所述沉积气体在通孔侧壁沉积形成侧壁保护。刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，直至通孔刻蚀完成。采用该方法的特点是能够刻蚀较深的硅孔，但是由于刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，会在侧壁的交替处形成扇贝状的粗糙表面，对硅孔的后续工艺产生不良影响，故为了保证硅孔刻蚀的合格率，需要硅孔侧壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一种降低硅孔侧壁扇贝状粗糙表面的方式是提高刻蚀步骤和沉积步骤的交替频率，降低每一步刻蚀步骤和沉积步骤所需时间，然而，随着所需时间的降低，等离子体反应装置内各种参数的不稳定性和不确定性随之产生。当刻蚀步骤和沉积步骤的时间间隔小于1s时，为真空反应腔提供反应气体的气体流量控制阀MFC成为一个瓶颈，MFC无法达到如此快速的切换。如果需要刻蚀步骤和沉积步骤的交替时间小于0.5s，MFC将无法达到反应装置的需求，使得整个刻蚀工艺出现不稳定状况，工艺结果无法保证可重复和可控制。为此，本发明采用图2所示的气体供应装置10。

图2示出本发明所述的一种气体供应装置10，包括一反应气体源20，反应气体源内储存反应所需的一种或多种反应气体，反应气体源20通过第一控制阀门11连接一气体存储器50，所述气体存储器50的容量固定，气体存储器50连接一压力测量装置40，压力测量装置40可以根据测得的压力计算气体存储器50内的气体体积，当气体存储器50内的气体达到预设的容量时，气体存储器50通过第二控制阀门12将反应气体输送到等离子体反应装置的真空反应腔100内。本实施例的气体供应装置的工作原理依据是气体状态方程PV=nRT，其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为气体常量，T为温度。在气体种类确定的前提下，n和R为固定值，因此，气体存储器50内气体体积V可以根据气体存储器50内的测量压强进行计算得出，当反应气体源20中的气体通过第一控制阀门11将反应气体输送到气体存储器50中时，压力测量装置40会对对气体存储器中的压强进行监测，达到预设压强时关闭第一控制阀门11，停止反应气体向气体存储器50的输送，此时，气体存储器50内存储有预定体积的反应气体。

气体存储器50中的体积可以根据真空反应腔的需要设定。在本实施例所述的电感耦合型等离子体反应腔中，由于需要刻蚀气体和沉积气体的交替注入，因此本实施例的真空反应腔100至少连接两组图2所示的气体供应装置。对应的反应气体源20中分别储存刻蚀反应所需的刻蚀气体和沉积反应所需的沉积气体。为描述方便，在本实施例中，选择设置第一组气体供应装置和第二组气体供应装置，分别提供刻蚀气体和沉积气体。具体工作过程为，先打开第一组气体供应装置的第一控制阀门11对气体存储器50进行刻蚀气体的充气，刻蚀气体达到预设体积后，关闭第一控制阀门11，开启第二控制阀门12将刻蚀气体注入真空反应腔进行刻蚀反应步骤；与此同时，第二组气体供应装置对气体存储器50进行沉积气体的充气，当刻蚀步骤结束后关闭第一组气体供应装置的控制阀门12，打开第一控制阀门11进行再次充气，同时开启第二组气体供应装置的控制阀门12将沉积气体注入到真空反应腔100内进行沉积反应步骤，如此进行交替。所述刻蚀气体包括CF4、O2、SF6或Ar中的一种或多种，所述沉积气体包括C4F8、氩气和氦气中的一种或多种。所述刻蚀气体和所述沉积气体交替时间小于等于1s。优选的，所述刻蚀气体和所述沉积气体交替时间小于等于0.4s。

由于本发明采用体积固定的气体存储器50，通过对其内部压强的监测可以方便、精确的控制气体进入真空反应腔的流量，同时，使用控制阀门可以快速的实现气体存储器50的充气和放气，改善了传统技术中由于采用流量控制装置MFC导致的气体切换速率达不到要求导致的硅通孔侧壁上的扇贝状粗糙面严重等问题。为了更好地控制气体储存器50内的气体进入真空反应腔100的流速，可以在气体存储器50的出口处设置一流速控制装置55，所述流速控制装置55能保证气体存储器50中的气体根据反应腔内工艺的需求均匀或按照一定规律进入真空反应腔，有利于实现所述刻蚀工艺的顺利进行。

图3示出一种优化的气体供应装置的结构示意图，考虑到气体存储器所在的环境中温度可能发生变化，根据气体状态方程：PV=nRT，温度的改变可能导致气体存储器中气体压强和气体体积的比例发生变化，故为了平衡气体存储器中的压力和气体体积，可以在气体存储器50上设置一出气孔30，出气孔30通过第三控制阀门13连接气体存储器50，用于调节气体存储器内的压力。出气孔30可以连接一抽气泵60。在某些实施例中，同一组反应气体供应装置10可以输送若干种不同的气体或气体组合，为了保证上一次输送的气体不对下一次的气体造成污染和干扰，可以在反应气体源20和第一控制阀门11之间设置一第四控制阀门14，第四控制阀门14通过输气管道连接一抽气泵60。当上一次气体输送完成后，打开第一控制阀门11和第四控制阀门14，将气体供应装置的输送管道和气体存储器50中的残余气体通过抽气泵迅速排出气体供应装置，然后关闭第四控制阀门14，进行下一次气体的输送。

图4示出本发明一种电容耦合型等离子体反应装置结构示意图，包括真空反应腔200，真空反应腔内设置一基座220，基座上方设置静电卡盘215用于对其上方的基片220进行支撑和固定，基片上方对应设置一气体喷淋头250用于将气体供应装,10中的反应气体均匀注入真空反应腔200内。基座220和气体喷淋头250同时作为等离子体处理装置的下电极和上电极，基座220连接射频功率源245，射频功率作用于基座220，在上下电极的作用下反应气体被解离生成等离子体260，等离子体260对基片220进行作用，完成刻蚀过程。真空反应腔200下方设置一排气泵225，用于将真空反应腔中的反应副产物排出。本实施例所述的电容耦合型等离子体反应装置中，反应气体通常为连续的注入真空反应腔内。在另外的一些应用中，为了保证刻蚀效果，射频功率源245的输出为脉冲输出，所述脉冲输出可以为高电平和低电平交替的输出，也可以为开和关交替的输出，通常如果射频功率源的输出为低电平或关断时，反应腔内通常不对反应气体进行等离子体解离，此时，若反应气体源源不断的注入等离子体反应腔内，会直接被排气泵225排出等离子体反应腔。因此气体喷淋头可连接本发明所述的气体供应装置10。

本发明的气体供应装置10在图2和图3中都进行了详细描述，可以参见上文描述，在此不再予以赘述。当射频功率源的输出为脉冲输出时，气体供应装置10配合射频功率的脉冲输出，只在射频输出为高电平时提供反应气体，在射频输出为低电平或关断状态时不向真空反应腔200内提供反应气体。通过采用本发明所述的气体供应装置，可以节约近一半的反应气体，即节省了原材料降低了成本，同时还能减少了处理反应气体的成本，避免了有害气体进入空气中，对环境造成污染。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种气体供应装置，其特征在于，所述装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体输送到真空反应腔内。

2.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于：所述气体存储器的出口处设置一流速控制装置，所述流速控制装置控制所述气体存储器中的气体进入所述真空反应腔内的流速。

3.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于：所述气体存储器通过第三控制阀门连接一出气孔，用于调节气体存储器内的压力。

4.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于：所述反应气体源和所述第一控制阀门之间设置一第四控制阀门，所述第四控制阀门通过输气管道连接一抽气泵。

5.一种等离子体反应装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一放置基片的基座，所述基座连接一射频功率源，其特征在于：所述真空反应腔外设置一气体供应装置，所述气体供应装置包括一反应气体源，所述反应气体源通过第一控制阀门连接一气体存储器，所述气体存储器连接一压力测量装置，所述气体存储器通过第二控制阀门将反应气体不连续的输送到真空反应腔内。

6.根据权利要求5所述的一种等离子体反应装置，其特征在于：所述射频功率源的输出为脉冲输出，所述脉冲输出包括高电平输出和低电平输出两种状态，所述反应气体在所述脉冲输出为高电平时输入所述真空反应腔，所述脉冲输出为低电平时停止输入所述真空反应腔。

7.根据权利要求6所述的一种等离子体反应装置，其特征在于：所述射频功率源的输出为低电平时，所述低电平可以为0。

8.根据权利要求5-7任一项所述的等离子体反应装置，其特征在于：所述真空反应腔可以连接两组或两组以上的气体供应装置。

9.根据权利要求5所述的一种等离子体反应装置，其特征在于：所述反应腔外设置两组气体供应装置，所述一组气体供应装置的反应气体源向其气体存储器输送刻蚀反应气体，所述另一组气体供应装置的反应气体源向其对应的气体存储器输送沉积反应气体，所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替注入所述真空反应腔内。

10.根据权利要求9所述的一种等离子体反应装置，其特征在于：所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替时间小于等于1s。

11.根据权利要求9所述的一种等离子体反应装置，其特征在于：所述刻蚀反应气体和所述沉积反应气体交替时间小于等于0.4s。