本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體是一種基于tmah對硅的霧化氣相刻蝕系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

mems（microeiectro-mechanicalsystem，微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)是在半導(dǎo)體制造技術(shù)上發(fā)展起來的一種可批量制造微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路等于一體的制造技術(shù)。mems技術(shù)主要包含光刻、刻蝕、鍵合、薄膜生長、liga、硅微加工、非硅加工等工藝過程。

硅表面刻蝕以及體硅刻蝕是mems技術(shù)中的關(guān)鍵工藝，目前常用的刻蝕方式可分為干法刻蝕和濕法刻蝕。濕法刻蝕主要使用koh和tmah（tetramethylammoniumhydroxide）等堿性溶液與硅發(fā)生化學反應(yīng)，從而實現(xiàn)對硅的各向異性刻蝕。koh具有較快的刻蝕速率、較好的刻蝕均勻性；不過在該溶液中sio2與硅的選擇比較小，同時，其中含有的k+離子不能與cmos工藝兼容。tmah中不含有金屬離子，可與cmos工藝兼容，同時對sio2具有較大的選擇比，因而，近年來tmah正逐步取代其他堿性溶液成為mems工藝中的主要刻蝕液。干法刻蝕主要采用icp（inductivelycoupledplasma）、rie（reactiveionetching）、drie（deepreactiveionetching）等技術(shù)對硅進行物理化學刻蝕，主要包括反應(yīng)離子轟擊刻蝕表面以及反應(yīng)氣體與刻蝕表面物質(zhì)反應(yīng)。

干法刻蝕具有較好的線寬控制，很好的側(cè)壁剖面控制；不過干法刻蝕存在對下層材料的刻蝕選擇比較差、等離子體誘導(dǎo)損傷、成本較高等缺點。濕法刻蝕雖然成本較低，但是結(jié)構(gòu)暴露于堿溶液中，存在各步工藝過程難以兼容的問題。尤其是在硅的深刻蝕過程中，以上兩種刻蝕技術(shù)的缺點將進一步顯現(xiàn)，同時還存在刻蝕表面質(zhì)量較、均勻性較差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種tmah硅霧化氣相刻蝕系統(tǒng)，該刻蝕系統(tǒng)采用一種介于濕法刻蝕和干法刻蝕之間的硅刻蝕技術(shù)，主要針對硅基mems器件的背腔深刻蝕工藝，可以實現(xiàn)低成本的同時能夠很好的保證工藝的兼容性、良好的刻蝕表面質(zhì)量、較高的刻蝕速率以及刻蝕均勻性，同時還實現(xiàn)了非刻蝕面結(jié)構(gòu)的保護。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種tmah硅霧化氣相刻蝕系統(tǒng)，包括霧化腔和刻蝕腔，所述刻蝕腔頂面放置晶元夾具、并通過背面保護腔蓋合密封；所述霧化腔和刻蝕腔之間通過霧化液滴輸送管連通，所述霧化液滴輸送管上安裝霧化流量閥；所述霧化腔內(nèi)盛裝tmah溶液、且其底面安裝超聲換能器和風動裝置；所述刻蝕腔通過回流管與冷凝腔進口連接，所述回流管上安裝回流閥，所述冷凝腔出口連接液體回流管，所述液體回流管伸入霧化腔并沒入tmah溶液中，所述液體回流管上連接尾氣處理接口；所述冷凝腔通過冷卻水進水管路和冷卻水回水管路連接水冷機。

所述刻蝕腔和背面保護腔內(nèi)壁均設(shè)置有加熱絲，所述背面保護腔內(nèi)安裝背面保護腔溫度傳感器；所述刻蝕腔內(nèi)安裝刻蝕腔溫度傳感器和刻蝕腔壓力傳感器；所述霧化腔內(nèi)安裝霧化器壓力傳感器。

所述霧化腔連接氮氣管路ⅰ，所述氮氣管路ⅰ上安裝氮氣流量閥ⅰ；所述刻蝕腔連接氮氣管路ⅱ，所述氮氣管路ⅱ上安裝氮氣流量閥ⅱ；所述氮氣管路ⅰ和氮氣管路ⅱ并接后連接氮氣源。

霧化腔內(nèi)裝入濃度高于25%的tmah液體。打開背面保護腔，將晶元夾具放置在刻蝕腔頂面，然后將表面保護腔密封蓋合在刻蝕腔內(nèi)，夾具將背面保護腔和刻蝕腔分隔開。系統(tǒng)工作主要包括開機、初始化、送片、刻蝕、取片5個步驟。其中初始化主要完成檢測該設(shè)備是否正常和各閥門、加熱絲的開關(guān)；為下一步刻蝕提供條件?？涛g過程可分為刻蝕初始化、送片、構(gòu)建刻蝕條件、刻蝕、刻蝕終止和取片幾個過程。刻蝕初始化主要完成開啟水冷機，開啟霧化系統(tǒng)和關(guān)閉各腔室閥門，其中開啟霧化系統(tǒng)主要包括打開超聲換能器、打開風動裝置。構(gòu)建刻蝕條件主要包括加熱刻蝕腔以及背面保護腔，使其溫度穩(wěn)定在120℃左右?？涛g時主要需調(diào)節(jié)連接霧化腔的氮氣流量閥ⅰ、氣體回流閥和加熱絲加熱功率，以達到穩(wěn)定刻蝕腔壓力和溫度的目的以及構(gòu)建霧化腔壓力大于刻蝕腔壓力的條件。當刻蝕時長達到預(yù)設(shè)刻蝕時間時，首先關(guān)閉霧化液滴輸送管路上的霧化流量閥以及停止加熱，接下來打開連接刻蝕腔的氮氣管路ⅱ上面的氮氣流量閥ⅱ通入氮氣吹掃刻蝕腔室，待吹掃結(jié)束后執(zhí)行取片程序。在開機升溫階段，使用較大的加熱功率加熱t(yī)mah溶液，并實時監(jiān)測腔室內(nèi)的溫度和氣壓，通過判斷實際溫度與目標溫度的差值調(diào)整加熱功率，從而使溫度穩(wěn)定的升至目標溫度；同時調(diào)節(jié)回流閥開度，使霧化腔溫度氣壓維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)?？涛g腔溫度主要通過調(diào)節(jié)刻蝕腔和背面保護腔周圍加熱絲的加熱功率來保證刻蝕所需溫度（120℃）；刻蝕腔氣壓主要通過調(diào)節(jié)回流閥和霧化液滴輸送管路上的霧化流量閥的開度以穩(wěn)定刻蝕腔氣壓。刻蝕腔在此溫度條件，霧化的tmah液滴很快汽化，從而實現(xiàn)氣相刻蝕的目的。

系統(tǒng)穩(wěn)定后，tmah霧化液通過霧化液滴輸送管進入刻蝕腔，霧化后的tmah液滴進入溫度高于tmah沸點的刻蝕腔后很快被汽化，實現(xiàn)對單晶硅的氣相刻蝕。刻蝕腔設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測刻蝕腔的溫度和氣壓，背面保護腔設(shè)置有溫度傳感器來檢測硅片背面的溫度；控制系統(tǒng)再結(jié)合霧化腔壓力傳感器的回傳數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)刻蝕腔和背面保護腔加熱絲的加熱功率，同時調(diào)整霧化腔輸送管路上的閥門，以達到為刻蝕過程提供相對穩(wěn)定的刻蝕溫度和氣壓?？涛g腔內(nèi)tmah氣體通過回流管路，進入冷凝腔，經(jīng)冷凝后流回霧化腔。水冷機控制冷卻水溫度約為20℃，并且提供動力使冷卻水通過冷卻水循環(huán)管路流經(jīng)冷卻腔外壁，以達到冷凝tmah氣體的目的。冷凝后的tmah液體通過液體回流管回流至霧化腔，剩余的尾氣（主要包含n2和反應(yīng)生成h2）通過尾氣處理管路輸送至尾氣處理裝置。

本發(fā)明系統(tǒng)氣相刻蝕采用tmah氣體作為刻蝕劑，與通常的濕法刻蝕使用60℃至90℃溫度區(qū)間不同，tmah氣相刻蝕主要利用了高于其沸點（100℃-110℃，tmah沸點與濃度有關(guān)）低于其分解溫度（130℃）的溫度區(qū)間，通常使用110℃-125℃。在高于tmah沸點的溫度區(qū)間內(nèi)，刻蝕表面處于tmah氣體環(huán)境中，硅與堿發(fā)生化學反應(yīng)，從而對硅進行各向異性腐蝕。在使用tmah對<100>晶向單晶硅刻蝕時，在濃度為4%的tmah溶液中刻蝕速率最大（約為1μm/min），同時刻蝕表面粗糙度也較大（數(shù)百納米）。在tmah濃度大于4%的條件下，硅的刻蝕速率隨tmah濃度增大而減小，刻蝕表面粗糙度隨濃度增加而減小。本發(fā)明主要使用濃度大于25%的tmah溶液經(jīng)霧化后通入高于其沸點的環(huán)境中汽化成tmah氣體與硅發(fā)生化學反應(yīng)。通常，化學反應(yīng)反應(yīng)速率隨溫度呈指數(shù)增加；tmah氣相刻蝕使用的刻蝕溫度較常規(guī)濕法刻蝕高約30℃，速率比同濃度濕法刻蝕高4-8倍。實驗研究證明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了硅高速刻蝕（大于1.5μm/min），同時刻蝕表面較為光滑（粗糙度ra<10nm）。與此同時，該氣相刻蝕系統(tǒng)可以通過增大刻蝕腔體的氣壓以進一步提高刻蝕速率。該刻蝕系統(tǒng)通過背面保護腔實現(xiàn)了硅片背面已完成結(jié)構(gòu)與刻蝕面的分離，從而保證了該步硅刻蝕工藝與以完成工藝之間的兼容性。

附圖說明

圖1表示tmah霧化氣相刻蝕系統(tǒng)框圖。

圖2表示基于tmah霧化氣相刻蝕系統(tǒng)的刻蝕裝置示意圖。

圖3表示系統(tǒng)工作流程圖。

圖4表示刻蝕系統(tǒng)送片工作流程圖。

圖5表示該刻蝕系統(tǒng)的取片流程圖。

圖6表示刻蝕過程工作流程圖。

圖7表示刻蝕腔溫度氣壓控制示意圖。

圖中：1-控制面板，2-傳送腔，3-晶元夾具，4-液壓傳動機構(gòu)，5-背面保護腔，6-保溫層，7-加熱絲，8-背面保護腔溫度傳感器，9-液壓泵，10-密封墊圈，11-刻蝕腔溫度傳感器，12-刻蝕腔，13-氣體回流管，14-回流閥，15-冷凝腔，16a-冷卻水進水管，16b-冷卻水回水管，17-水冷機，18-尾氣處理接口，19-霧化腔壓力傳感器，20-液體回流管，21-風動裝置，22-超聲換能器，23-tmah溶液，24-霧化腔，25-霧化腔液滴輸送管，26-霧化流量閥，27-氮氣管路ⅰ，28-氮氣流量閥ⅰ，29-氮氣流量閥ⅱ，30-氮氣管路ⅱ，31-刻蝕腔壓力傳感器，32-噴淋裝置，33-機械臂，34-步進電機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。

一種tmah硅霧化氣相刻蝕系統(tǒng)，如圖1所示，包括：控制系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、刻蝕系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)；其中，水冷系統(tǒng)用于冷凝tmah氣體；刻蝕系統(tǒng)用于刻蝕單晶硅以及達到相關(guān)刻蝕條件，刻蝕硅片時刻蝕腔內(nèi)使用的溫度為高于tmah沸點，使tmah呈氣態(tài)的狀態(tài)下對硅進行刻蝕；傳送系統(tǒng)用于傳輸以及清洗刻蝕硅片；霧化系統(tǒng)用于產(chǎn)生及輸送tmah液滴至刻蝕腔，通過將tmah溶液霧化的方式，可以提供濃度更加穩(wěn)定的tmah氣體，進一步保證了刻蝕的穩(wěn)定性；控制系統(tǒng)用于控制水冷系統(tǒng)、刻蝕系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)以及傳送系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，即分別控制控制傳送電機、液壓泵以及霧化腔內(nèi)超聲振蕩器和風動裝置的工作，同時還通過調(diào)節(jié)加熱絲的加熱功率以及各閥門的開度以控制刻蝕系統(tǒng)的溫度和壓力。

具體連接關(guān)系如圖2所示，一種基于上述霧化氣相刻蝕系統(tǒng)的刻蝕裝置。

霧化系統(tǒng)主要包含霧化腔、超聲換能器、風動裝置、tmah溶液、壓力傳感器組成。霧化腔24內(nèi)盛裝tmah溶液23、且其底面安裝超聲換能器22和風動裝置21，tmah溶液沒過超聲換能器；霧化腔24內(nèi)安裝霧化器壓力傳感器19。霧化腔24和刻蝕腔12之間通過霧化液滴輸送管25連通，霧化液滴輸送管25上安裝霧化流量閥26。通過超聲換能器的高頻震蕩，使tmah液體表面發(fā)生隆起，在隆起的液體表面發(fā)生空化作用，從而使tmah液體霧化成小液滴；再通過風動裝置使霧化的tmah液滴均勻的分散到霧化腔。霧化腔24連接氮氣管路ⅰ27，所述氮氣管路ⅰ27上安裝氮氣流量閥ⅰ28；所述刻蝕腔12連接氮氣管路ⅱ30，所述氮氣管路ⅱ30上安裝氮氣流量閥ⅱ29；所述氮氣管路ⅰ27和氮氣管路ⅱ30并接后連接氮氣源。通過氮氣管路通入氮氣，使霧化腔保持正壓，使霧化的tmah液滴進入刻蝕腔。根據(jù)霧化腔壓力傳感器和刻蝕腔壓力傳感器的實測壓力來調(diào)節(jié)氮氣流量，使得霧化腔和刻蝕腔保持相對穩(wěn)定的壓力差。霧化腔采用石英或聚四氟乙烯等耐腐蝕材料制成，霧化腔內(nèi)的壓力傳感器、超聲換能器和風動裝置均有耐腐蝕材料制成或添加耐腐蝕涂層。

刻蝕系統(tǒng)主要包含刻蝕腔、加熱絲、保溫層、溫度傳感器、壓力傳感器組成?？涛g腔12頂面放置晶元夾具3、并通過背面保護腔5蓋合密封，刻蝕腔、夾具、背面保護腔之間設(shè)置有密封墊圈10；刻蝕腔12和背面保護腔5外表面均設(shè)置有保溫層6。刻蝕腔12和背面保護腔5內(nèi)壁均設(shè)置有加熱絲7，背面保護腔5內(nèi)安裝背面保護腔溫度傳感器8；刻蝕腔12內(nèi)安裝刻蝕腔溫度傳感器11和刻蝕腔壓力傳感器31?？涛g腔12通過回流管13與冷凝腔15進口連接，回流管13上安裝回流閥14，冷凝腔15出口連接液體回流管20，液體回流管20伸入霧化腔24并沒入tmah溶液23中，液體回流管20上連接尾氣處理接口18?？涛g腔通過霧化液滴輸送管（石英管路）與霧化腔連接，同時該石英管路上還設(shè)置有霧化流量閥，通過閥門控制流入刻蝕腔的氣體流量?？涛g腔12內(nèi)刻蝕溫度為（高于tmah沸點的）

110℃-125℃，霧化后的tmah液滴進入溫度高于tmah沸點的刻蝕腔后很快被汽化，實現(xiàn)對單晶硅的氣相刻蝕?？涛g腔設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，用于監(jiān)測刻蝕腔的溫度和氣壓，背面保護腔設(shè)置有溫度傳感器來檢測硅片背面的溫度；控制系統(tǒng)再結(jié)合霧化腔壓力傳感器的回傳數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)刻蝕腔和背面保護腔加熱絲的加熱功率，同時調(diào)整霧化腔輸送管路上的閥門，以達到為刻蝕過程提供相對穩(wěn)定的刻蝕溫度和氣壓。

水冷系統(tǒng)主要包含水冷機、冷卻腔、冷卻水進水和回水管路。冷凝腔15通過冷卻水進水管路16a和冷卻水回水管路16b連接水冷機17。水冷機控制冷卻水溫度約為20℃，并且提供動力使冷卻水通過冷卻水循環(huán)管路流經(jīng)冷卻腔外壁，以達到冷凝tmah氣體的目的。冷凝后的tmah液體通過液體回流管回流至霧化腔，剩余的尾氣（主要包含n2和反應(yīng)生成h2）通過尾氣處理管路輸送至尾氣處理裝置。

傳送系統(tǒng)主要包含電機、機械臂、噴淋裝置、液壓泵，液壓傳動機構(gòu)。液壓泵9通過液壓傳動機構(gòu)4控制背面保護腔5的打開和密封蓋合；步進電機34控制機械臂33實現(xiàn)晶元夾具3的放置和取出；所述機械臂33位于傳送腔2內(nèi)，傳送腔2內(nèi)設(shè)置噴淋裝置32。當需要取出或放入待刻蝕硅片時，首先通過控制系統(tǒng)使液壓泵工作，從而驅(qū)動刻蝕腔打開，接下來電機驅(qū)動機械臂將待刻蝕硅片連同晶元夾具傳入刻蝕腔，最后收回機械臂，關(guān)閉刻蝕腔。噴淋裝置主要用于清洗刻蝕后殘留物的裝置。特別地，夾具采用耐腐蝕的聚四氟乙烯材質(zhì)制成，用于夾持待刻蝕硅片，夾持硅片時待刻蝕表面向下放置；機械臂的運動可以使用齒輪-齒條機構(gòu)實現(xiàn)傳動；電機可采用步進電機實現(xiàn)精確平穩(wěn)傳動，從而保證傳動系統(tǒng)的可靠運行。

控制系統(tǒng)主要包含控制面板和數(shù)據(jù)傳輸線，主要控制所刻蝕硅片傳送和穩(wěn)定刻蝕過程。傳送硅片時，控制系統(tǒng)需完成控制液壓泵工作、傳送腔打開和傳送電機工作。在刻蝕過程中，控制系統(tǒng)需實時監(jiān)測背面保護腔溫度傳感器、刻蝕腔溫度傳感器、加熱腔溫度傳感器、刻蝕腔壓力傳感器和加熱腔壓力傳感器；根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)刻蝕腔、背面保護腔的加熱絲加熱功率以及回流閥和霧化管路上的閥門，以達到穩(wěn)定刻蝕條件的目的。

具體實施時，連接刻蝕腔12和霧化腔24的各閥門（包括氮氣流量閥ⅰ28、氮氣流量閥ⅱ29、回流閥14、尾氣處理接口18和連接霧化腔與刻蝕腔的霧化流量閥26均采用耐腐蝕電磁閥；氣體回流管13、液體回流管20、氮氣管路ⅰ27、氮氣管路ⅱ30以及霧化液滴輸送管25均采用耐高溫防腐蝕的聚四氟乙烯（長期工作溫度為-180℃至250℃）或石英等材料制成；刻蝕腔12、霧化腔24和背面保護腔5采用高純石英制成；使用的各溫度以及壓力傳感器均要通過防腐蝕處理；晶元夾具3采用耐腐蝕的聚四氟乙烯材料制成，同時分別針對3-8英寸硅片分別設(shè)計不同規(guī)格的夾具，以滿足不同規(guī)格硅片的刻蝕；控制系統(tǒng)可采用labview等軟件編寫可視化控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)安裝于pc上。

圖3為系統(tǒng)工作流程圖，該系統(tǒng)工作主要包括開機、初始化、送片、刻蝕、取片5個步驟。其中初始化主要完成檢測該設(shè)備是否正常和各閥門、加熱絲的開關(guān)；為下一步刻蝕提供條件。

如圖4所示為該刻蝕系統(tǒng)的送片流程圖，送片主要可分為將刻蝕硅片放入傳送腔夾具3、打開傳送腔2、打開刻蝕腔12、機械臂33傳送硅片至刻蝕腔12、收回機械臂33、關(guān)閉刻蝕腔12和傳送腔2這6個步驟。具體地，根據(jù)所刻蝕晶元規(guī)格選擇合適的夾具3；控制系統(tǒng)驅(qū)動步進電機34工作，以齒輪齒條機構(gòu)將待刻蝕硅片和夾具3送入刻蝕腔；然后收回機械臂33，關(guān)閉刻蝕腔12和傳送腔2。

圖5為該刻蝕系統(tǒng)的取片流程圖，取片過程可分為打開刻蝕腔12、打開傳送腔2、機械臂33取片、收回機械臂33、關(guān)閉刻蝕腔12和傳送腔2、去離子水清洗硅片。具體地，刻蝕腔12使用液壓傳動的方式控制其開關(guān)，主要是為了保證能平穩(wěn)的打開關(guān)閉刻蝕腔12。

圖6所示為刻蝕過程工作流程圖，刻蝕過程可分為刻蝕初始化、送片、構(gòu)建刻蝕條件、刻蝕、刻蝕終止和取片等幾個過程?？涛g初始化主要完成開啟水冷機17，開啟霧化系統(tǒng)和關(guān)閉各腔室閥門，其中開啟霧化系統(tǒng)主要包括打開超聲換能器22、打開風動裝置21。構(gòu)建刻蝕條件主要包括加熱刻蝕腔12以及背面保護腔5，使其溫度穩(wěn)定在110℃左右?？涛g時主要需調(diào)節(jié)連接霧化腔24的氮氣流量閥ⅰ28、氣體回流閥14和加熱絲7加熱功率，以達到穩(wěn)定刻蝕腔12壓力和溫度的目的以及構(gòu)建霧化腔24壓力大于刻蝕腔12壓力的條件。當刻蝕時長達到預(yù)設(shè)刻蝕時間時，首先關(guān)閉霧化液滴輸送管路25上的霧化流量閥26以及停止加熱，接下來打開連接刻蝕腔12的氮氣管路ⅱ30上面的流量閥ⅱ29，通入氮氣吹掃刻蝕腔12，待吹掃結(jié)束后執(zhí)行取片程序。

圖7所示為刻蝕腔12溫度氣壓控制示意圖，刻蝕腔12溫度主要通過調(diào)節(jié)刻蝕腔12和背面保護腔5周圍加熱絲7的加熱功率來保證刻蝕所需溫度（110℃-125℃）；刻蝕腔12氣壓主要通過調(diào)節(jié)回流閥14和霧化液滴輸送管路25上的霧化流量閥26的開度以穩(wěn)定刻蝕腔氣壓?？涛g腔12在此溫度條件，霧化的tmah液滴很快汽化，從而實現(xiàn)氣相刻蝕的目的。

最后要說明的是，上述說明并非對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，盡管參照本發(fā)明實施例進行了詳細的說明，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也應(yīng)當理解，在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做的變化，改性，添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。