CN104860259A - 低压气相刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种低压气相刻蚀方法，包括：以液态氢氟酸作为原料输送至汽化装置；液态氢氟酸经汽化后成为氟化氢气体和水汽的混合气体；将混合气体经过脱水处理后分离出氟化氢气体；氟化氢气体通入工艺腔内；氟化氢气体作为刻蚀剂在工艺腔内进行气相刻蚀反应，并使工艺腔内保持低压状态以使反应生成的水以气态形式存在；气相刻蚀反应结束。本发明将液态的氢氟酸作为反应物原料，能够降低工艺成本，且更安全，此外，供应至工艺腔内的气体及刻蚀反应的生成物均以气态的形式存在于工艺腔中，避免发生粘连。
Description
技术领域
本发明涉及微结构制造技术，尤其涉及一种气相刻蚀方法。
背景技术
微电子机械***（MEMS）领域是当今科技界的热门研究领域之一。通常，加工一个MEMS器件需要经过在衬底上生长结构层、牺牲层、掩膜层等多步工序。MEMS器件由多种材料构成，且每种材料在MEMS中发挥不可替代的作用，其中，二氧化硅常用作牺牲层材料。为了形成悬空和活动结构，在MEMS器件制备的最后工艺中需要刻蚀、释放牺牲层。
目前，刻蚀二氧化硅牺牲层多采用氟化氢气体，氟化氢气体作为腐蚀性气体与二氧化硅反应生成气态的SiF4和液态水，为了防止液态水在MEMS牺牲层释放工艺中造成MEMS结构粘连，较为常见的做法是在氟化氢气体中混合乙醇气体，乙醇气体既作为催化剂又作为干燥剂，催化氟化氢与二氧化硅的反应并带走反应生成的液态水。然而，直接供给气态的氟化氢与二氧化硅反应，会造成工艺成本较高，而且安全性较差。此外，氟化氢与乙醇的混合气体刻蚀二氧化硅的反应速率仍较慢，导致MEMS器件制备工艺周期较长，降低了MEMS器件的产率。
发明内容
本发明的目的是提供一种低压气相刻蚀方法，能够降低工艺成本、更安全高效。
为实现上述目的，本发明提出的低压气相刻蚀方法，包括：以液态氢氟酸作为原料输送至汽化装置；液态氢氟酸经汽化后成为氟化氢气体和水汽的混合气体；将混合气体经过脱水处理后分离出氟化氢气体；氟化氢气体通入工艺腔内；氟化氢气体作为刻蚀剂在工艺腔内进行气相刻蚀反应，并使工艺腔内保持低压状态以使反应生成的水以气态形式存在；气相刻蚀反应结束。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，是通过氮气将液态氢氟酸吹至汽化装置。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，通过真空***对工艺腔抽真空，以使工艺腔保持所需的低压状态。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，通过自动压力控制器来控制真空***抽真空的程度。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，真空***控制工艺腔内的气压低于50torr。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，对混合气体的脱水处理通过对混合气体进行冷凝处理，使得其中的水汽冷凝析出变为液体，分离出氟化氢气体。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，在向工艺腔供应氟化氢气体之前和气相刻蚀工艺结束之后，通过向工艺腔充入氮气再对工艺腔抽真空，如此反复数次以净化工艺腔。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，在将氟化氢气体通入工艺腔内之前，先向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸，工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，在将氟化氢气体通入工艺腔内的同时，向工艺腔内输入催化性气体，工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入催化性气体。
根据本发明的低压气相刻蚀方法的一实施例，催化性气体为水蒸汽或酒精气体。
与现有技术相比，本发明提出的低压气相刻蚀方法具有以下优点：
1、由于传统方法中是直接采用氟化氢气体作为反应物原料，而氟化氢气体属于剧毒气体。本发明将液态的氢氟酸作为反应物原料，并通过物理方法将其转变成氟化氢气体和水蒸气的混合气体，以供刻蚀反应，与直接采用氟化氢气体（HF气体）作为反应物原料的传统方法相比，所需成本更低，且更安全。
2、本发明通过真空***将工艺腔内的气压保持在较低的设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体与反应生成物水均以气态形式存在于工艺腔中，不会发生粘连。
3、本发明在气相刻蚀的初始阶段向工艺腔通入氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，水蒸汽作为催化剂，能够促使氟化氢与二氧化硅的快速反应，提高反应速率。
4、本发明的气相刻蚀反应是在气态下进行的，反应物是以分子态进行化学反应，因此，可以对更微细的结构进行刻蚀，例如NEMS或者纳米级的IC线路制作等。
5、本发明刻蚀同等量的SiO2所需氢氟酸价格相比所需HF低。
附图说明
图1示出了本发明的低压气相刻蚀方法的较佳实施例的流程图。
图2示出了本发明的低压气相刻蚀方法的原理图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
图1示出了本发明的低压气相刻蚀方法的较佳实施例的流程。图2示出了低压气相刻蚀方法的原理。请同时参见图1和图2，下面是对本实施例的低压气相刻蚀方法的各个实施步骤的详细描述。
步骤S1：以液态氢氟酸作为原料输送至汽化装置。
请参见图2，液态氢氟酸（例如浓度为50%的氢氟酸）可以储存在氢氟酸储存罐中，汽化装置的输入端通过管道和氢氟酸储存罐连接。通过氮气将液态氢氟酸吹至汽化装置。
步骤S2：液态氢氟酸经汽化后成为氟化氢气体和水汽的混合气体。
请参见图2，汽化装置汽化氢氟酸，使液态的氢氟酸转变成气态的氢氟酸（氟化氢气体与水蒸气的混合气体）。
步骤S3：将混合气体经过脱水处理后分离出氟化氢气体。
请参见图2，脱水装置的输入端通过管道连接汽化装置的输出端，氟化氢气体与水蒸气的混合气体进入到脱水装置中。
较佳的一种脱水处理是冷凝处理，例如脱水装置是冷却器，混合气体进入冷却器中，典型的冷凝条件是压强101325Pa，温度为30℃，由于水的沸点较高而氟化氢的沸点较低，因此水冷凝析出变为液体，氟化氢气体则被分离出来。本领域技术人员可以理解的是，冷却器的数量并不仅限于一个，为了降低气态的氢氟酸中水蒸气的含量，可以设置两个或两个以上的冷却器，使气态的氢氟酸依次通过各冷却器，以降低气态的氢氟酸中水蒸气的含量。
步骤S4：氟化氢气体通入工艺腔内。
工艺腔的输入端通过管道连接脱水装置的输出端，脱水处理后的氟化氢气体输送到工艺腔内。
步骤S5：氟化氢气体作为刻蚀剂在工艺腔内进行气相刻蚀反应，并使工艺腔内保持低压状态以使反应生成的水以气态形式存在。
如图2所示，真空***连接工艺腔，在向工艺腔输入氟化氢气体之前，真空***对工艺腔抽真空，通过一自动压力控制器（未图示）控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在较低的设定值（一般低于50torr），在该设定值，供应至工艺腔的气体以及氟化氢气体与二氧化硅反应的生成物水均以气态的形式存在于工艺腔中，避免发生粘连。
在一个实施例中，在气相刻蚀的初始阶段，也就是在将氟化氢气体通入工艺腔内之前，先向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸（氟化氢气体和水蒸汽的混合气体），气态的氢氟酸中含有的一定量的水蒸汽以及氟化氢气体与二氧化硅反应生成的水（以气态的形式存在于工艺腔中）作为氟化氢气体与二氧化硅反应的催化剂，能够促进氟化氢气体（HF气体）与二氧化硅快速反应。工艺腔104内发生的化学反应（刻蚀反应）如下：
4HF+SiO2==SiF4(气)+2H2O(气)
工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸，接着将从气态的氢氟酸中分离出的氟化氢气体通入工艺腔内以进行气相刻蚀反应。
在一个实施例中，在将氟化氢气体通入工艺腔内的同时，向工艺腔内输入催化性气体，工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入催化性气体。该催化性气体为水蒸汽或酒精气体。其目的在于，在气相刻蚀的初始阶段，向工艺腔内输入催化性气体能够促进氟化氢气体（HF气体）与二氧化硅快速反应。
步骤S6：气相刻蚀反应结束。
在向工艺腔供应氟化氢气体之前和气相刻蚀工艺结束之后，较佳的，可以通过向工艺腔充入氮气再对工艺腔抽真空，如此反复数次以净化工艺腔。
与现有技术相比，本发明提出的低压气相刻蚀方法具有以下优点：
1.本发明将高浓度的液态的氢氟酸作为反应物原料，并通过物理方法将其汽化、冷凝，分离出氟化氢气体以供刻蚀二氧化硅，与直接采用氟化氢气体作为反应物原料相比，所需成本更低，且更安全。
2.本发明通过自动压力控制器控制工艺腔内的气压，使工艺腔内的气压保持在较低的设定值，在该设定值，供应至工艺腔内的气体与反应生成物水均以气态的形式存在于工艺腔中，避免发生粘连。
3.本发明在气相刻蚀的初始阶段向工艺腔通入氟化氢气体和水蒸汽的混合气体，水蒸汽作为催化剂，能够促使氟化氢气体与二氧化硅的快速反应，提高反应速率。
4.本发明的气相刻蚀反应是在气态下进行的，反应物是以分子态进行化学反应，因此，可以对更微细的结构进行刻蚀，例如NEMS或者纳米级的IC线路制作等。
综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。
Claims (10)
1.一种低压气相刻蚀方法，包括：
以液态氢氟酸作为原料输送至汽化装置；
液态氢氟酸经汽化后成为氟化氢气体和水汽的混合气体；
将混合气体经过脱水处理后分离出氟化氢气体；
氟化氢气体通入工艺腔内；
氟化氢气体作为刻蚀剂在工艺腔内进行气相刻蚀反应，并使工艺腔内保持低压状态以使反应生成的水以气态形式存在；
气相刻蚀反应结束。
2.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，是通过氮气将液态氢氟酸吹至汽化装置。
3.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，通过真空***对工艺腔抽真空，以使工艺腔保持所需的低压状态。
4.根据权利要求3所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，通过自动压力控制器来控制真空***抽真空的程度。
5.根据权利要求3所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，真空***控制工艺腔内的气压低于50torr。
6.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，对混合气体的脱水处理通过对混合气体进行冷凝处理，使得其中的水汽冷凝析出变为液体，分离出氟化氢气体。
7.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，在向工艺腔供应氟化氢气体之前和气相刻蚀工艺结束之后，通过向工艺腔充入氮气再对工艺腔抽真空，如此反复数次以净化工艺腔。
8.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，在将氟化氢气体通入工艺腔内之前，先向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸，工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入未经脱水处理的气态的氢氟酸。
9.根据权利要求1所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，在将氟化氢气体通入工艺腔内的同时，向工艺腔内输入催化性气体，工艺腔内的气相刻蚀反应进行一时间段后，停止向工艺腔内输入催化性气体。
10.根据权利要求9所述的低压气相刻蚀方法，其特征在于，所述催化性气体为水蒸汽或酒精气体。
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