TWI545285B - A gas supply device and a plasma reaction device thereof - Google Patents

Description

一種氣體供應裝置及其等離子體反應裝置

本發明涉及等離子體處理技術領域，尤其涉及一種等離子體反應裝置的快速供氣技術領域。

等離子體反應裝置廣泛應用於積體電路的製造工藝中，如沉積、刻蝕等。其中，常用的等離子體反應裝置包括電容耦合型等離子體反應裝置CCP和電感耦合型等離子體裝置ICP，等離子體反應裝置的原理主要是使用射頻功率將輸入反應裝置中的反應氣體解離成等離子體，利用該等離子體對放置於其內部的基片進行等離子體刻蝕處理，不同刻蝕工藝需要的反應氣體不盡相同。

如在矽通孔刻蝕工藝中，由於需要刻蝕的矽通孔深度較大，為了能夠有效的進行刻蝕，常採用下述步驟進行刻蝕：第一，刻蝕步驟，在等離子體反應腔內通入刻蝕氣體，在矽基底表面進行通孔刻蝕；第二，聚合物沉積步驟，在等離子體反應腔內通入沉積氣體，所述沉積氣體在通孔側壁沉積形成側壁保護。刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，直至通孔刻蝕完成。採用該方法的特點是能夠刻蝕較深的矽孔，但是由於刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，會在側壁形成扇貝狀的粗糙表面，對矽孔的後續工藝產生不良影響，故為了保證矽孔刻蝕的合格率，需要矽孔側壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一種降低矽孔側壁扇貝狀粗糙表面的方 式是提高刻蝕步驟和沉積步驟的交替頻率，降低每一步刻蝕步驟和沉積步驟所需時間，然而，隨著所需時間的降低，等離子體反應裝置內各種參數的不穩定性和不確定性隨之產生。當刻蝕步驟和沉積步驟的時間間隔小於1s時，為等離子體反應裝置提供反應氣體的氣體流量控制閥MFC成為一個瓶頸，MFC無法達到如此快速的切換。如果需要刻蝕步驟和沉積步驟的交替時間小於0.5s，MFC將無法達到反應裝置的需求，使得整個刻蝕工藝出現不穩定狀況，工藝結果無法保證可重複和可控制。因此，不同反應氣體快速切換並及時輸送到等離子體處理裝置內是目前矽通孔刻蝕的急需解決的問題。

在另外的應用中，為了保證刻蝕工藝的順利進行，需要將射頻功率設置為脈衝輸出，即將射頻功率設置為高電平輸出和低電平輸出(可以為0)，為了避免反應氣體的浪費，所述反應氣體可以僅在射頻功率為高電平輸出時輸入反應腔，由於射頻功率的脈衝頻率較大，需要較快的裝置對反應氣體進行關閉和輸送。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種氣體供應裝置，所述裝置包括一反應氣體源，所述反應氣體源通過第一控制閥門連接一氣體記憶體，所述氣體記憶體連接一壓力測量裝置，所述氣體記憶體通過第二控制閥門將反應氣體輸送到真空反應腔內。

優選的，所述氣體記憶體的出口處設置一流速控制裝置，所述流速控制裝置控制所述氣體記憶體中的氣體進入所述真空反應腔內的流速。

優選的，所述氣體記憶體通過第三控制閥門連接一出氣孔，用於調節氣體記憶體內的壓力。

優選的，所述反應氣體源和所述第一控制閥門之間設置一第四控制閥門，所述第四控制閥門通過輸氣管道連接一抽氣泵。

進一步的，本發明還公開了一種等離子體反應裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔內設置一放置基片的基座，所述基座連接一射頻功率源，所述真空反應腔外設置一氣體供應裝置，所述氣體供應裝置包括一反應氣體源，所述反應氣體源通過第一控制閥門連接一氣體記憶體，所述氣體記憶體連接一壓力測量裝置，所述氣體記憶體通過第二控制閥門將反應氣體不連續的輸送到真空反應腔內。

優選的，所述射頻功率源的輸出為脈衝輸出，所述脈衝輸出包括高電平輸出和低電平輸出兩種狀態，所述反應氣體在所述脈衝輸出為高電平時輸入所述真空反應腔，所述脈衝輸出為低電平時停止輸入所述真空反應腔。

優選的，所述射頻功率源的輸出為低電平時，所述低電平可以為0。

優選的，所述真空反應腔可以連接兩組或兩組以上的氣體供應裝置。

優選的，所述反應腔外設置兩組氣體供應裝置，所述一組氣體供應裝置的反應氣體源向其氣體記憶體輸送刻蝕反應氣體，所述另一組氣體供應裝置的反應氣體源向其對應的氣體記憶體輸送沉積反應氣體，所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替注入所述真空反應腔內。

優選的，所述刻蝕反應氣體包括CF4、O2、SF6或Ar中的一種或多種，所述沉積反應氣體包括C4F8、氬氣和氦氣中的一種或多種。

優選的，所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替時間小於等於1s。

優選的，所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替時間小於等於0.4s。

本發明的優點在於：所述氣體供應裝置裝置包括一反應氣體 源，所述反應氣體源通過第一控制閥門連接一氣體記憶體，所述氣體記憶體連接一壓力測量裝置，所述氣體記憶體通過第二控制閥門將反應氣體輸送到真空反應腔內。採用體積固定的氣體記憶體，通過對其內部壓強的監測可以方便、精確的控制氣體進入反應腔的流量，同時，使用控制閥門可以快速的實現氣體記憶體的充氣和放氣，改善了傳統技術中由於採用流量控制裝置MFC導致的氣體切換速率達不到要求導致的矽通孔側壁上的扇貝狀粗糙面嚴重，以及在射頻功率為脈衝輸出時反應氣體的浪費等問題。

10‧‧‧氣體供應裝置

11‧‧‧第一控制閥門

12‧‧‧第二控制閥門

13‧‧‧第三控制閥門

14‧‧‧第四控制閥門

20‧‧‧反應氣體源

30‧‧‧出氣孔

40‧‧‧壓力測量裝置

50‧‧‧氣體記憶體

55‧‧‧流速控制裝置

60‧‧‧抽氣泵

100‧‧‧真空反應腔

105‧‧‧反應腔側壁

110‧‧‧基座

115‧‧‧靜電卡盤

120‧‧‧基片

125‧‧‧排氣泵

130‧‧‧絕緣視窗

140‧‧‧電感耦合線圈

145‧‧‧射頻功率源

150‧‧‧氣體噴入口

160‧‧‧等離子體

200‧‧‧真空反應腔

215‧‧‧靜電卡盤

220‧‧‧基座

225‧‧‧排氣泵

245‧‧‧射頻功率源

250‧‧‧氣體噴淋頭

260‧‧‧等離子體

第1圖，為一種電感耦合型等離子體反應裝置結構示意圖。

第2圖，為本發明所述氣體供應裝置示意圖。

第3圖，為本發明另一實施例的所述氣體供應裝置示意圖。

第4圖，為一種電容耦合型等離子體反應裝置結構示意圖。

本發明公開了一種氣體供應裝置及其所在的等離子體反應 裝置，為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

第1圖示出一種電感耦合型等離子體反應裝置結構示意圖，電感耦合型等離子體反應裝置包括真空反應腔100，真空反應腔包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁105，反應腔側壁105上方設置一絕緣視窗130，絕緣視窗130上方設置電感耦合線圈140，電感耦合線圈140連接射頻功率源145。反應腔側壁105靠近絕緣視窗130的一端設置氣體噴入口150，氣體噴入口150連接氣體供應裝置10。氣體供應裝置10中的反應氣體經過氣體噴入口150進入真空反應腔100，射頻功率源145的射頻功率驅動電感耦合線圈140產生較強的高頻交變磁場，使得低壓的反應氣體被電離產生等離子體160。在真空反應腔100的下游位置設置一基座110，基座110上放置靜電卡盤115用於對基片120進行支撐和固定。等離子體160中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片的表面發生多種物理和化學反應，使得基片表面的形貌發生改變，即完成刻蝕過程。真空反應腔100的下方還設置一排氣泵125，用於將反應副產物排出真空反應腔內。

在第1圖所示的實施例中，基片120為矽材料，反應腔內進行的刻蝕工藝為矽通孔刻蝕工藝，又稱TSV刻蝕工藝。本刻蝕工藝的特點是，需要刻蝕的矽通孔深度較大，為了避免刻蝕過程中矽通孔的形貌發生彎曲，保證刻蝕的通孔符合要求，目前常用的一種刻蝕方法叫做博世工藝。博世工藝包括兩個步驟，第一，刻蝕步驟，在真空反應腔內通入刻蝕氣體，在矽基底表面進行通孔刻蝕；第二，聚合物沉積步驟，在真空反應腔內通 入沉積氣體，所述沉積氣體在通孔側壁沉積形成側壁保護。刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，直至通孔刻蝕完成。採用該方法的特點是能夠刻蝕較深的矽孔，但是由於刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，會在側壁的交替處形成扇貝狀的粗糙表面，對矽孔的後續工藝產生不良影響，故為了保證矽孔刻蝕的合格率，需要矽孔側壁的粗糙表面越小越好，越光滑越好。可以想到，一種降低矽孔側壁扇貝狀粗糙表面的方式是提高刻蝕步驟和沉積步驟的交替頻率，降低每一步刻蝕步驟和沉積步驟所需時間，然而，隨著所需時間的降低，等離子體反應裝置內各種參數的不穩定性和不確定性隨之產生。當刻蝕步驟和沉積步驟的時間間隔小於1s時，為真空反應腔提供反應氣體的氣體流量控制閥MFC成為一個瓶頸，MFC無法達到如此快速的切換。如果需要刻蝕步驟和沉積步驟的交替時間小於0.5s，MFC將無法達到反應裝置的需求，使得整個刻蝕工藝出現不穩定狀況，工藝結果無法保證可重複和可控制。為此，本發明採用第2圖所示的氣體供應裝置10。

第2圖示出本發明所述的一種氣體供應裝置10，包括一反應氣體源20，反應氣體源內儲存反應所需的一種或多種反應氣體，反應氣體源20通過第一控制閥門11連接一氣體記憶體50，所述氣體記憶體50的容量固定，氣體記憶體50連接一壓力測量裝置40，壓力測量裝置40可以根據測得的壓力計算氣體記憶體50內的氣體體積，當氣體記憶體50內的氣體達到預設的容量時，氣體記憶體50通過第二控制閥門12將反應氣體輸送到等離子體反應裝置的真空反應腔100內。本實施例的氣體供應裝置的工作原理依據是氣體狀態方程PV=nRT，其中P為氣體壓強，V為氣體體積，n為氣體物質的量，R為氣體常量，T為溫度。在氣體種類確定的前提 下，n和R為固定值，因此，氣體記憶體50內氣體體積V可以根據氣體記憶體50內的測量壓強進行計算得出，當反應氣體源20中的氣體通過第一控制閥門11將反應氣體輸送到氣體記憶體50中時，壓力測量裝置40會對對氣體記憶體中的壓強進行監測，達到預設壓強時關閉第一控制閥門11，停止反應氣體向氣體記憶體50的輸送，此時，氣體記憶體50內存儲有預定體積的反應氣體。

氣體記憶體50中的體積可以根據真空反應腔的需要設定。在本實施例所述的電感耦合型等離子體反應腔中，由於需要刻蝕氣體和沉積氣體的交替注入，因此本實施例的真空反應腔100至少連接兩組第2圖所示的氣體供應裝置。對應的反應氣體源20中分別儲存刻蝕反應所需的刻蝕氣體和沉積反應所需的沉積氣體。為描述方便，在本實施例中，選擇設置第一組氣體供應裝置和第二組氣體供應裝置，分別提供刻蝕氣體和沉積氣體。具體工作過程為，先打開第一組氣體供應裝置的第一控制閥門11對氣體記憶體50進行刻蝕氣體的充氣，刻蝕氣體達到預設體積後，關閉第一控制閥門11，開啟第二控制閥門12將刻蝕氣體注入真空反應腔進行刻蝕反應步驟；與此同時，第二組氣體供應裝置對氣體記憶體50進行沉積氣體的充氣，當刻蝕步驟結束後關閉第一組氣體供應裝置的控制閥門12，打開第一控制閥門11進行再次充氣，同時開啟第二組氣體供應裝置的控制閥門12將沉積氣體注入到真空反應腔100內進行沉積反應步驟，如此進行交替。所述刻蝕氣體包括CF₄、O₂、SF6或Ar中的一種或多種，所述沉積氣體包括C₄F₈、氬氣和氦氣中的一種或多種。所述刻蝕氣體和所述沉積氣體交替時間小於等於1s。優選的，所述刻蝕氣體和所述沉積氣體交替時間小於等於0.4s。

由於本發明採用體積固定的氣體記憶體50，通過對其內部壓強的監測可以方便、精確的控制氣體進入真空反應腔的流量，同時，使用控制閥門可以快速的實現氣體記憶體50的充氣和放氣，改善了傳統技術中由於採用流量控制裝置MFC導致的氣體切換速率達不到要求導致的矽通孔側壁上的扇貝狀粗糙面嚴重等問題。為了更好地控制氣體儲存器50內的氣體進入真空反應腔100的流速，可以在氣體記憶體50的出口處設置一流速控制裝置55，所述流速控制裝置55能保證氣體記憶體50中的氣體根據反應腔內工藝的需求均勻或按照一定規律進入真空反應腔，有利於實現所述刻蝕工藝的順利進行。

第3圖示出一種優化的氣體供應裝置的結構示意圖，考慮到氣體記憶體所在的環境中溫度可能發生變化，根據氣體狀態方程：PV=nRT，溫度的改變可能導致氣體記憶體中氣體壓強和氣體體積的比例發生變化，故為了平衡氣體記憶體中的壓力和氣體體積，可以在氣體記憶體50上設置一出氣孔30，出氣孔30通過第三控制閥門13連接氣體記憶體50，用於調節氣體記憶體內的壓力。出氣孔30可以連接一抽氣泵60。在某些實施例中，同一組反應氣體供應裝置10可以輸送若干種不同的氣體或氣體組合，為了保證上一次輸送的氣體不對下一次的氣體造成污染和干擾，可以在反應氣體源20和第一控制閥門11之間設置一第四控制閥門14，第四控制閥門14通過輸氣管道連接一抽氣泵60。當上一次氣體輸送完成後，打開第一控制閥門11和第四控制閥門14，將氣體供應裝置的輸送管道和氣體記憶體50中的殘餘氣體通過抽氣泵迅速排出氣體供應裝置，然後關閉第四控制閥門14，進行下一次氣體的輸送。

第4圖示出本發明一種電容耦合型等離子體反應裝置結構示意圖，包括真空反應腔200，真空反應腔內設置一基座220，基座上方設置靜電卡盤215用於對其上方的基片220進行支撐和固定，基片上方對應設置一氣體噴淋頭250用於將氣體供應裝，10中的反應氣體均勻注入真空反應腔200內。基座220和氣體噴淋頭250同時作為等離子體處理裝置的下電極和上電極，基座220連接射頻功率源245，射頻功率作用於基座220，在上下電極的作用下反應氣體被解離生成等離子體260，等離子體260對基片220進行作用，完成刻蝕過程。真空反應腔200下方設置一排氣泵225，用於將真空反應腔中的反應副產物排出。本實施例所述的電容耦合型等離子體反應裝置中，反應氣體通常為連續的注入真空反應腔內。在另外的一些應用中，為了保證刻蝕效果，射頻功率源245的輸出為脈衝輸出，所述脈衝輸出可以為高電平和低電平交替的輸出，也可以為開和關交替的輸出，通常如果射頻功率源的輸出為低電平或關斷時，反應腔內通常不對反應氣體進行等離子體解離，此時，若反應氣體源源不斷的注入等離子體反應腔內，會直接被排氣泵225排出等離子體反應腔。因此氣體噴淋頭可連接本發明所述的氣體供應裝置10。

本發明的氣體供應裝置10在第2圖和第3圖中都進行了詳細描述，可以參見上文描述，在此不再予以贅述。當射頻功率源的輸出為脈衝輸出時，氣體供應裝置10配合射頻功率的脈衝輸出，只在射頻輸出為高電平時提供反應氣體，在射頻輸出為低電平或關斷狀態時不向真空反應腔200內提供反應氣體。通過採用本發明所述的氣體供應裝置，可以節約近一半的反應氣體，即節省了原材料降低了成本，同時還能減少了處理反 應氣體的成本，避免了有害氣體進入空氣中，對環境造成污染。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為准。

11‧‧‧第一控制閥門

12‧‧‧第二控制閥門

20‧‧‧反應氣體源

40‧‧‧壓力測量裝置

50‧‧‧氣體記憶體

55‧‧‧流速控制裝置

100‧‧‧真空反應腔

Claims (9)

1. 一種氣體供應系統，包括一第一氣體供應裝置及一第二氣體供應裝置，其特徵在於，所述第一氣體供應裝置及第二氣體供應裝置各別包括一反應氣體源，一第一控制閥門，一第二控制閥門，及一氣體記憶體，所述反應氣體源通過所述第一控制閥門連接所述氣體記憶體，所述氣體記憶體連接一壓力測量裝置，所述氣體記憶體通過所述第二控制閥門將反應氣體輸送到一真空反應腔內，其中所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門對所述第一氣體供應裝置之所述氣體記憶體進行一刻蝕氣體的充氣，所述刻蝕氣體達到預設體積後，關閉所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門，開啟所述第一氣體供應裝置之所述第二控制閥門將所述刻蝕氣體注入所述真空反應腔進行刻蝕反應步驟；與此同時，打開所述第二氣體供應裝置之所述第一控制閥門對所述第二氣體供應裝置之所述氣體記憶體進行一沉積氣體的充氣，當刻蝕步驟結束後關閉所述第一氣體供應裝置的所述第二控制閥門，打開所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門進行再次充氣，同時開啟所述第二氣體供應裝置的所述第二控制閥門將沉積氣體注入到真空反應腔內進行沉積反應步驟。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述氣體記憶體的出口處設置一流速控制裝置，所述流速控制裝置控制所述氣體記憶體中的氣體進入所述真空反應腔內的流速。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述氣體記憶體通過第三控制閥門連接一出氣孔，用於調節氣體記憶體內的壓力。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體供應裝置，其特徵在於：所述反應氣 體源和所述第一控制閥門之間設置一第四控制閥門，所述第四控制閥門通過輸氣管道連接一抽氣泵。
5. 一種等離子體反應裝置，包括一真空反應腔，所述真空反應腔內設置一放置基片的基座，所述基座連接一射頻功率源，其特徵在於：所述真空反應腔外設置一氣體供應系統，該氣體供應系統包括一第一氣體供應裝置及一第二氣體供應裝置，所述第一氣體供應氣體供應裝置及第二氣體供應裝置各別包括一反應氣體源，一第一控制閥門，一第二控制閥門，及一氣體記憶體，所述反應氣體源通過所述第一控制閥門連接所述氣體記憶體，所述氣體記憶體連接一壓力測量裝置，所述氣體記憶體通過所述第二控制閥門將反應氣體不連續的輸送到一真空反應腔內，其中所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門對所述第一氣體供應裝置之所述氣體記憶體進行一刻蝕氣體的充氣，所述刻蝕氣體達到預設體積後，關閉所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門，開啟所述第一氣體供應裝置之所述第二控制閥門將所述刻蝕氣體注入所述真空反應腔進行刻蝕反應步驟；與此同時，打開所述第二氣體供應裝置之所述第一控制閥門對所述第二氣體供應裝置之所述氣體記憶體進行一沉積氣體的充氣，當刻蝕步驟結束後關閉所述第一氣體供應裝置的所述第二控制閥門，打開所述第一氣體供應裝置之所述第一控制閥門進行再次充氣，同時開啟所述第二氣體供應裝置的所述第二控制閥門將沉積氣體注入到真空反應腔內進行沉積反應步驟。
6. 申請專利範圍第5項所述之一種等離子體反應裝置，其特徵在於：所述射頻功率源的輸出為脈衝輸出，所述脈衝輸出包括高電平輸出和低電平 輸出兩種狀態，所述反應氣體在所述脈衝輸出為高電平時輸入所述真空反應腔，所述脈衝輸出為低電平時停止輸入所述真空反應腔。
7. 申請專利範圍第6項所述之一種等離子體反應裝置，其特徵在於：所述射頻功率源的輸出為低電平時，所述低電平可以為0。
8. 申請專利範圍第7項所述之一種等離子體反應裝置，其特徵在於：所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替時間小於等於1s。
9. 申請專利範圍第7項所述之一種等離子體反應裝置，其特徵在於：所述刻蝕反應氣體和所述沉積反應氣體交替時間小於等於0.4s。