TWI739341B - 電漿蝕刻設備 - Google Patents

Abstract

一種電漿蝕刻設備，適用以在蝕刻製程期間蝕刻工件上之複合材料。此複合材料包含第一材料與第二材料。電漿蝕刻設備包含真空腔體、電漿裝置、以及清除機構。真空腔體具有反應室。電漿裝置設於反應室中，且配置以產生電漿來蝕刻複合材料。電漿對第一材料與第二材料分別具有第一蝕刻速率與第二蝕刻速率，第一蝕刻速率大於第二蝕刻速率。清除機構設於該反應室中，且配置以在蝕刻製程期間利用物理方式移除部分之第二材料與部分之第一材料。第二材料之該部分大於第一材料之該部分。

Description

電漿蝕刻設備

本發明是有關於一種蝕刻技術，且特別是有關於一種電漿蝕刻設備。

近年來隨著智慧型手機、平板電腦、與智慧型手表等電子產品，以及雲端運算與物聯網的快速發展，需要不斷地提升裝置的運算速度和降低裝置的功率消耗。因而驅使積體電路(IC)製造的尺寸越來越小，且相關的材料和製程亦不斷地開發。在高階的積體電路製造中，會使用複合材料來作為絕緣膜層，由於複合材料良好的絕緣性，因此可提升微小線路的製造能力。

在積體電路製造的過程中，通常使用電漿乾蝕刻設備來蝕刻複合材料。利用一般的電漿蝕刻設備，例如反應性離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)設備，產生之電漿來蝕刻複合材料時，往往會遇到複合材料中之不同材質與電漿的反應速率不同步的問題，即電漿對不同材料有蝕刻選擇性。電漿會先將複合材料中較容易蝕刻的材質去除，留下較難蝕刻的材質。然而，隨著這些較難蝕刻之 材質的慢慢累積，會逐漸將工件之待處理表面覆蓋，而導致電漿蝕刻速度減緩，並影響整體蝕刻效果。

因此，本發明之一目的就是在提供一種電漿蝕刻設備，其包含清除機構，可去除複合材料中電漿裝置較難去除的材質，使得電漿可繼續往下與複合材料中較容易蝕刻的材質反應，藉此可提升複合材料的蝕刻速率與均勻性。

本發明之另一目的就是在提供一種電漿蝕刻設備，其電漿裝置之上電極可為具有多個通孔之導流板(shower head)結構，因此可改善流場，而可提升蝕刻的均勻性。

本發明之又一目的就是在提供一種電漿蝕刻設備，其清除裝置包含許多凸狀物設於電漿裝置之上電極的底面，而上電極的通孔可對應穿設於這些凸狀物中，並使通孔之入口口徑大於出口口徑，藉此可更快形成局部高濃度電漿。因此，可使電漿內的反應物更快地到達工件，而對工件上之複合材料進行快速蝕刻，進而可地幅提升蝕刻速率。

本發明之再一目的就是在提供一種電漿蝕刻設備，其電漿裝置之上電極可接電，藉此使上電極底面之凸狀物的前端形成尖端放電，因此可增加凸狀物附近之電漿的解離效果，進而可提高電漿強度。

本發明之再一目的就是在提供一種電漿蝕刻設備，其可在真空環境下進行複合材料的電漿蝕刻與複合材料中電漿難蝕刻之材質的去除。因此，當清除完接續電漿蝕刻 製程時，不需要再對反應室進行抽真空處理，而可大幅減少電漿蝕刻製程時間。

根據本發明之上述目的，提出一種電漿蝕刻設備，適用以在蝕刻製程期間蝕刻工件上之複合材料。此複合材料包含第一材料與第二材料。電漿蝕刻設備包含真空腔體、電漿裝置、以及清除機構。真空腔體具有反應室、以及與反應室連通之至少一氣體入口與至少一氣體出口。電漿裝置設於反應室中，且配置以產生電漿來蝕刻複合材料。電漿對第一材料與第二材料分別具有第一蝕刻速率與第二蝕刻速率，第一蝕刻速率大於第二蝕刻速率。清除機構設於該反應室中，且配置以在蝕刻製程期間利用物理方式移除部分之第二材料與部分之第一材料。第二材料之該部分大於第一材料之該部分。

依據本發明之一實施例，上述之電漿裝置包含上電極以及下電極。上電極設於反應室中且鄰近氣體入口。下電極設於反應室中且鄰近氣體出口，其中下電極包含承載面與上電極相對，承載面配置以承載工件。

依據本發明之一實施例，上述之上電極具有數個通孔穿設於上電極中。

依據本發明之一實施例，上述之清除機構包含數個凸狀物凸設於上電極之底面，這些凸狀物配置以利用機械力量來移除第二材料之該部分與第一材料之該部分。

依據本發明之一實施例，上述之每個凸狀物為圓柱體、圓錐形體、針狀體、多邊形柱體、或多邊形錐形體， 且這些凸狀物之材料為金屬或陶瓷。

依據本發明之一實施例，上述之每個通孔具有第一開口以及第二開口。第一開口位於上電極之頂面中。第二開口位於對應之凸狀物之底部。第一開口之口徑大於第二開口之口徑。

依據本發明之一實施例，上述之清除機構包含數個凸狀物凸設於上電極之底面，且通孔分別對應穿設於些凸狀物中，這些凸狀物配置以利用一機械力量來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。

依據本發明之一實施例，上述之上電極與電源電性連接，此電源為脈衝直流(pulsed DC)電源、中頻(medium frequency，MF)電源、射頻(radio frequency，RF)電源、或高功率脈衝電源。

依據本發明之一實施例，上述之上電極為可旋轉電極或可往復移動電極。

依據本發明之一實施例，上述之清除機構包含超音波震盪器鄰設於工件，此超音波震盪器配置以在蝕刻製程期間對工件進行超音波震盪處理。

依據本發明之一實施例，上述之清除機構包含旋轉毛刷設於反應室中，此旋轉毛刷配置以對工件之複合材料進行旋轉刷除處理。

依據本發明之一實施例，上述之清除機構包含吹氣噴嘴鄰設於工件，此吹氣噴嘴配置以在蝕刻製程期間朝複合材料進行吹除處理。

100:電漿蝕刻設備

100a:電漿蝕刻設備

100b:電漿蝕刻設備

100c:電漿蝕刻設備

110:工件

112:複合材料

120:真空腔體

120a:真空腔體

122:反應室

122a:反應室

122a':電漿處理區

122a":旋轉毛刷清除區

124:氣體入口

126:氣體出口

127:氣體出口

128:氣體出口

129:氣體出口

130:電漿裝置

130a:電漿裝置

140:上電極

142:底面

150:下電極

152:承載面

160:清除機構

162:凸狀物

162a:底部

170:上電極

172:底面

174:通孔

180:上電極

182:底面

184:通孔

184a:第一開口

184a':口徑

184b:第二開口

184b':口徑

190:上電極

192:底面

200:超音波震盪器

210:旋轉毛刷

220:吹氣噴嘴

θ:角度

μ:角度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

〔圖1〕係繪示依照本發明之第一實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖；

〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種電漿裝置之上電極的下視示意圖；

〔圖3〕係繪示依照本發明之一實施方式的另一種電漿裝置之上電極的下視示意圖；

〔圖4〕係繪示依照本發明之一實施方式的又一種電漿裝置之上電極的局部剖面示意圖；

〔圖5〕係繪示依照本發明之第二實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖；

〔圖6〕係繪示依照本發明之第三實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖；以及

〔圖7〕係繪示依照本發明之第四實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之第一實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖。電漿蝕刻設備100可在蝕刻製程期間蝕刻工件110上之複合材料112。複合材 料112可包含至少二種不同材料，這些彼此材料混合而構成複合材料112。舉例而言，複合材料112可包含第一材料與第二材料，其中第一材料可為聚氧樹脂，第二材料可為二氧化矽。

在一些例子中，電漿蝕刻設備100主要可包含真空腔體120、電漿裝置130、以及清除機構160。真空腔體120可供工件110進行真空電漿處理，例如電漿蝕刻、電漿清潔、或電漿鍍膜。真空腔體120具有反應室122、至少一氣體入口124、至少一氣體出口，例如氣體出口126與128。氣體入口124以及氣體出口126與128均與反應室122連通。藉此，電漿工作氣體與載氣可經由氣體入口124進入反應室122，而電漿處理所產生的氣體產物與未反應之工作氣體及載氣可經由氣體出口126與128排出反應室122。舉例而言，氣體入口124可設於真空腔體120之頂部，氣體出口126與128可設於真空腔體120的底部。

電漿裝置130設於反應室122中。電漿裝置130可產生電漿來蝕刻複合材料112。在一些例子中，電漿裝置130主要可包含上電極140與下電極150，其中上電極140設於下電極150之上方。上電極140設於反應室122中，且可例如鄰近氣體入口124。上電極140包含底面142。下電極150同樣設於反應室122中，且可例如鄰近氣體出口126與128。下電極150包含承載面152。承載面152配置以承載工件110。上電極140與下電極150 彼此相對，即上電極140之底面142與下電極150之承載面152相對。電漿裝置130可在上電極140與下電極150之間產生電漿，來對承載於承載面152上的工件110進行蝕刻。

在一些例子中，電漿裝置130所產生之電漿對複合材料112中之第一材料與第二材料具有蝕刻選擇性，即電漿對第一材料與第二材料分別具有第一蝕刻速率與第二蝕刻速率，第一蝕刻速率不同於第二蝕刻速率。舉例而言，第一蝕刻速率大於該第二蝕刻速率，也就是說電漿較容易蝕刻第一材料。

清除裝置160設於反應室122中。清除裝置160配置以在複合材料112之蝕刻製程期間利用物理方式移除複合材料112之第一材料的一部分與第二材料的一部分。由於電漿較易蝕刻第一材料，因此第二材料待移除的部分較多，清除裝置160所移除之第二材料的部分大於第一材料的部分。透過清除裝置160的清除，可有效避免複合材料112之第二材料在電漿蝕刻製程中逐漸累積而影響整體蝕刻效果。

利用物理方式移除複合材料112之部分第一材料與部分第二材料時，可採接觸形式的機械力量，或者可採非接觸形式的震盪或風吹力量。請繼續參照圖1，本實施方式之清除裝置160採機械力量方式來移除部分之複合材料112。清除機構160包含數個凸狀物162。這些凸狀物162凸設於上電極140的底面142。這些凸狀物162可 利用研磨或刮等機械力量來大量快速且有效地移除複合材料112之部分第二材料與部分第一材料。在一些例子中，上電極140為可旋轉電極或可往復移動電極，藉此可帶動凸狀物162來研磨或刮除部分第二材料與部分第一材料。

在一些例子中，這些凸狀物162的底部162a堅硬可磨，因此可透過旋轉或來回移動上電極140，來讓凸狀物162磨掉或刮掉電漿較難蝕刻的第二材料。凸狀物162可例如為圓柱體、圓錐形體、針狀體、多邊形柱體、或多邊形錐形體。這些凸狀物162可具有相同結構與尺寸、相同結構但不同尺寸、或相同結構但部分尺寸相同而另一部分尺寸不同。然，這些凸狀物162亦可具有不同結構，或者這些凸狀物162可部分具有相同結構而另一部分具有不同結構。在一些示範例子中，這些凸狀物162耐電漿且質硬，凸狀物162之材料可例如為金屬或陶瓷。

此外，凸狀物162可規則排列或不規則排列在上電極140之底面142。請參照圖2，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種電漿裝置之上電極的下視示意圖。凸狀物162在底面142的分布可為如圖2所示的陣列形式。凸狀物162亦可以放射狀形式排列於底面142，或者以其他可提升磨除均勻性的形式排列於底面142。

上電極140可接地，或可與電源電性連接。當上電極140接上電源時，除了可強化上電極140之電場外，上電極140之底面142的凸狀物162的前端會形成尖端放電，如此可增加凸狀物162附近電漿的解離效果，進而 可提高電漿強度。上電極140所接之電源可為高電流低電壓的電源，藉以使凸狀物162在尖端放電時可以產生更高密度的電漿。舉例而言，上電極140所接之電源可為脈衝直流電源、中頻電源、射頻電源、或高功率脈衝電源。

利用清除機構160可去除複合材料112中電漿較難去除的第二材料，藉此可使電漿繼續往下與複合材料112中較易蝕刻的第一材料反應，因此可提升複合材料112蝕刻效果與蝕刻速率。此外，複合材料112的電漿蝕刻與較難電漿蝕刻之材質的去除均係在真空腔體120的反應室122中進行，因此清除處理完接續進行電漿蝕刻製程時，無需再對反應室122進行抽真空處理，可大幅縮減製程時間與成本。

請參照圖3，其係繪示依照本發明之一實施方式的另一種電漿裝置之上電極的下視示意圖。上電極170之架構大致上與上述實施例之上電極140的架構相同，二者之間的差異在於上電極170更設有許多通孔174。這些通孔174由上而下貫穿上電極170，而使上電極170具有導流板形式。這些通孔174可改善流場。當工作氣體通過上電極170時，可透過通孔174達到均勻導流的效果，藉此提升電漿分布的均勻性，而進一步達到提升複合材料之電漿蝕刻的均勻性。

這些通孔174的分布可為陣列形式，如圖3所示。通孔174亦可以放射狀形式設置於上電極170中，或者以其他可流場均勻性的形式設置於上電極170中。在一些例 子中，如圖3所示，這些通孔174穿插分布在凸狀物162之間。

然，上電極之通孔亦可與凸狀物結合。請參照圖4，其係繪示依照本發明之一實施方式的又一種電漿裝置之上電極的局部剖面示意圖。上電極180之架構大致上與上述實施例之上電極170的架構相同，二者之間的差異在於上電極180之通孔184不僅貫穿上電極180，也分別對應貫穿設於上電極180之底面182的凸狀物162。

每個通孔184具有彼此相對之第一開口184a與第二開口184b。第一開口184a位於上電極180之頂面186中。第二開口184b位於對應之凸狀物162之底部162a。每個通孔184之孔徑可固定，即第一開口184a的口徑184a'與第二開口184b的口徑184b'相同。在一些例子中，每個通孔184之孔徑可非一致，即第一開口184a的口徑184a'與第二開口184b的口徑184b'不同。在一些示範例子中，每個通孔184之第一開口184a的口徑184a'大於第二開口184b的口徑184b'，藉此可使凸狀物162具有噴嘴(nozzle)的功能。請同時參照圖1與圖4，當製程氣體從通孔184之第一開口184a進入而通過這些凸狀物162時，會被壓縮並加速至下電極150，如此可更快地形成局部高濃度電漿，並且可讓電漿內的反應物更快地達到工件110之複合材料118表面，因此可大幅提升蝕刻速率。

在一些例子中，可設計使通孔入口壓力大於通孔出 口壓力，來進一步提升凸狀物162加速製程氣體的效果。請同時參照圖1與圖4，通孔入口壓力為真空腔體120之頂部與上電極180之間的真空壓力，通孔出口壓力為上電極180與下電極150之間的真空壓力。

請參照圖5，其係繪示依照本發明之第二實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖。電漿蝕刻設備100a的架構與圖1所示之電漿蝕刻設備100的架構大致相同，二者之間的差異在於電漿蝕刻設備100a之清除裝置為超音波震盪器200，電漿裝置130a之上電極190的底面192並未裝設凸出物。

在電漿蝕刻設備100a中，超音波震盪器200設於反應室122中且鄰設於下電極150所承載之待蝕刻工件110。在一些示範例子中，使超音波震盪器200與工件110之間具有角度θ。超音波震盪器200可在工件110之複合材料112之電漿蝕刻製程期間同時對工件110進行超音波震盪處理，以透過超音波震盪來清除複合材料112中較難蝕刻的第二材料。超音波震盪亦可能清除複合材料122中之第一材料的一部分。

請參照圖6，其係繪示依照本發明之第三實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖。電漿蝕刻設備100b的架構與圖5所示之電漿蝕刻設備100a的架構大致相同，二者之間的差異在於電漿蝕刻設備100b之清除裝置為旋轉毛刷210，下電極150可移動，且真空腔體120a的體積加大以利下電極150在反應室122a中移動。

在電漿蝕刻設備100b中，加長真空腔體120a，並將反應室122a規畫出電漿處理區122a'和旋轉毛刷清除區122a"。加長之真空腔體120a可根據需求而額外設置氣體出口127與129。電漿裝置130a設於反應室122a之電漿處理區122a'，旋轉毛刷210設於旋轉毛刷清除區122a"中。此外，可利用傳動機構來帶動下電極150，以使下電極150可在電漿處理區122a'和旋轉毛刷清除區122a"之間移動。

旋轉毛刷210配置以對工件110之複合材料112進行旋轉刷除處理，藉此去除部分之複合材料112，特別是電漿較難蝕刻的第二材料。旋轉毛刷210可安裝於馬達上，以利用馬達帶動旋轉毛刷210旋轉來清除複合材料112中較難蝕刻的材質。舉例而言，旋轉毛刷的刷毛可例如為鐵氟龍(Teflon)等材質。在蝕刻製程期間，當需要旋轉毛刷210來清除複合材料112中電漿較難蝕刻之材質時，利用傳動機構將下電極150移動到旋轉毛刷區122a"之旋轉毛刷210的下方。接著，驅動旋轉毛刷210向下移動至工件110上的複合材料112，並驅使旋轉毛刷210旋轉，以利用旋轉刷除方式來清除複合材料112上較難電漿蝕刻的材質。清除處理告一段落後，再利用傳動機構將下電極150移回電漿處理區122a'，繼續利用電漿裝置130a對複合材料112進行電漿蝕刻處理。

請參照圖7，其係繪示依照本發明之第四實施方式的一種電漿蝕刻設備的裝置示意圖。電漿蝕刻設備100c 的架構與圖5所示之電漿蝕刻設備100a的架構大致相同，二者之間的差異在於電漿蝕刻設備100c之清除裝置為吹氣噴嘴220。

在電漿蝕刻設備100c中，吹氣噴嘴220設於反應室122中且鄰設於下電極150所承載之待蝕刻工件110。在一些示範例子中，使吹氣噴嘴220與工件110之間具有角度μ。吹氣噴嘴220可在工件110之複合材料112之電漿蝕刻製程期間同時對工件110進行吹除處理，以透過強力氣流來吹除部分之複合材料112，特別是複合材料112中較難蝕刻的第二材料。吹氣噴嘴220所採用之吹除氣體可例如為氮氣(N₂)等氣體。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為電漿蝕刻設備包含清除機構，可去除複合材料中電漿裝置較難去除的材質，使得電漿可繼續往下與複合材料中較容易蝕刻的材質反應，藉此可提升複合材料的蝕刻速率與均勻性。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為電漿蝕刻設備之電漿裝置的上電極可為具有多個通孔之導流板結構，因此可改善流場，而可提升蝕刻的均勻性。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為電漿蝕刻設備之清除裝置包含許多凸狀物設於電漿裝置之上電極的底面，而上電極的通孔可對應穿設於這些凸狀物中，並使通孔之入口口徑大於出口口徑，藉此可更快形成局部高濃度電漿。因此，可使電漿內的反應物更快地到 達工件，而對工件上之複合材料進行快速蝕刻，進而可地幅提升蝕刻速率。

由上述之實施方式可知，本發明之再一優點就是因 為電漿蝕刻設備之上電極可接電，藉此使上電極底面之凸狀物的前端形成尖端放電，因此可增加凸狀物附近之電漿的解離效果，進而可提高電漿強度。

由上述之實施方式可知，本發明之再一優點就是因為電漿蝕刻設備可在真空環境下進行複合材料的電漿蝕刻與複合材料中電漿難蝕刻之材質的去除。因此，當清除完接續電漿蝕刻製程時，不需要再對反應室進行抽真空處理，而可大幅減少電漿蝕刻製程時間。

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，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:電漿蝕刻設備

110:工件

112:複合材料

120:真空腔體

122:反應室

124:氣體入口

126:氣體出口

128:氣體出口

130:電漿裝置

140:上電極

142:底面

150:下電極

152:承載面

160:清除機構

162:凸狀物

162a:底部

Claims (12)

1. 一種電漿蝕刻設備，適用以在一蝕刻製程期間蝕刻一工件上之一複合材料，其中該複合材料包含彼此混合之一第一材料與一第二材料，該電漿蝕刻設備包含：一真空腔體，具有一反應室、以及與該反應室連通之至少一氣體入口與至少一氣體出口；一電漿裝置，設於該反應室中，且配置以產生一電漿來蝕刻該複合材料，其中該電漿對該第一材料與該第二材料分別具有一第一蝕刻速率與一第二蝕刻速率，該第一蝕刻速率大於該第二蝕刻速率，使得該電漿蝕刻後之該複合材料中該第二材料之一待移除的部分較該第一材料之一待移除的部分多；以及一清除機構，設於該反應室中，且配置以在該蝕刻製程期間利用一物理方式移除該電漿蝕刻後之該複合材料中部分之該第二材料與部分之該第一材料，其中該第二材料之該部分大於該第一材料之該部分，該物理方法包含一機械力量方式、一震盪方式、或一吹除方式。
2. 如請求項1所述之電漿蝕刻設備，其中該電漿裝置包含：一上電極，設於該反應室中且鄰近該至少一氣體入口；以及一下電極，設於該反應室中且鄰近該至少一氣體出口，其中該下電極包含一承載面與該上電極相對，該承載面配 置以承載該工件。
3. 如請求項2所述之電漿蝕刻設備，其中該上電極具有複數個通孔穿設於該上電極中。
4. 如請求項2所述之電漿蝕刻設備，其中該清除機構包含複數個凸狀物凸設於該上電極之一底面，該些凸狀物配置以利用該機械力量方式來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。
5. 如請求項4所述之電漿蝕刻設備，其中每一該些凸狀物為一圓柱體、一圓錐形體、一針狀體、一多邊形柱體、或一多邊形錐形體，且該些凸狀物之材料為金屬或陶瓷。
6. 如請求項4所述之電漿蝕刻設備，其中該上電極具有複數個通孔穿設於該上電極中，每一該些通孔具有：一第一開口，位於該上電極之一頂面中；以及一第二開口，位於對應之該凸狀物之一底部，其中該第一開口之一口徑大於該第二開口之一口徑。
7. 如請求項3所述之電漿蝕刻設備，其中該清除機構包含複數個凸狀物凸設於該上電極之一底面，且 該些通孔分別對應穿設於該些凸狀物中，該些凸狀物配置以利用該機械力量方式來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。
8. 如請求項2所述之電漿蝕刻設備，其中該上電極與一電源電性連接，該電源為一脈衝直流電源、一中頻電源、一射頻電源、或一高功率脈衝電源。
9. 如請求項2所述之電漿蝕刻設備，其中該上電極為一可旋轉電極或一可往復移動電極。
10. 如請求項1所述之電漿蝕刻設備，其中該清除機構包含一超音波震盪器鄰設於該工件，該超音波震盪器配置以在該蝕刻製程期間對該工件進行一超音波震盪處理，藉以利用該震盪方式來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。
11. 如請求項1所述之電漿蝕刻設備，其中該清除機構包含一旋轉毛刷設於該反應室中，該旋轉毛刷配置以對該工件之該複合材料進行一旋轉刷除處理，藉以利用該機械力量方式來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。
12. 如請求項1所述之電漿蝕刻設備，其中該 清除機構包含一吹氣噴嘴鄰設於該工件，該吹氣噴嘴配置以在該蝕刻製程期間朝該複合材料進行一吹除處理，藉以利用該吹除方式來移除該第二材料之該部分與該第一材料之該部分。

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